电子功能材料

什么是电子功能材料？定义1：所谓电子功能材料，是以发挥其物理性能（如电、磁、光、声、热等）或物理与物理性能之间、力学与物理性能之间、化学与物理性能之间相互转换的特性为主而主要用于电子信息工业的材料定义2：根据在器件中所起的作用，可将电子功能材料定义为：凡具有能量与信息的发射、吸收、转换、传输、存储、控制与处理功能特性之一或者是直接参与保障这些功能特性顺利发挥而主要用于电子信息工业的材料。

定义3：具有某种功能效应的材料。

功能效应是指材料的光、电、磁、热、声等物理特性以及这些物理特性参量之间的相互耦合（转换）效应。

有哪些电子功能材料？1.按电子材料的用途分类，通常把电子材料分为结构电子材料[能承受一定压力和重力，并能保持尺寸和大部分力学性质（强度、硬度及韧性等）稳定的一类材料]和功能电子材料[指除强度性能外，还有其特殊功能，如能实现光、电、磁、热、力等不同形式的交互作用和转换的材料；在应用中，主要是其功能而不是机械力学性能] 2.按组成分类，从化学作用的角度，可以将电子材料分为无机电子材料[又可分为金属材料（以金属键结合）和非金属材料（硅等元素半导体、金属的氧化物、碳化物、氮化物等，他们以离子键和共价键结合）]和有机（高分子材料）电子材料[主要是由碳、氢、氧、氮、氯、氟等组成的高分子材料，大部分是以共价键和分子键结合]电子功能材料有些什么作用？什么是标量、矢量及二阶张量？它们的下标数、分量数各为多少?无方向的物理量，称为标量（也称零阶张量）。

它们完全由给定的某一数值来确定；与方向有关的物理量，称为矢量（也称一阶张量）。

它们不仅有大小，而且有一定的方向；n维空间n*n的矩阵即二阶张量。

下标数0、1、2.量数1、3、9.求和规则是什么？根据求和规则如何表示∑==31jjijiEDε)3,2,1(=i两个矢量之间的关系，如试证明矢量的变换定律与二阶张量的变换定律当某一项中有重复出现的下标时，则自动按该下标求和，因此，上式可表示为：D i=D DD D D (i, j =1,2,3) j——求和下标i——自由下标上式可按j展开，进而可写出Di的三个分量，则D i=εi1E1+εi2E2+εi3E3诺埃曼原则晶体物理性质的对称元素应当包含晶体的宏观对称元素（即点群的对称元素），也就是说，晶体物理性质的对称性可以高于晶体点群的对称性，但不能低于晶体点群的对称性，而至少二者是一致的。

这在晶体物理学中称为诺埃曼（Neumann）原则晶体对称性对晶体物理性质的影响：具有对称中心的晶体不存在由一阶张量所描述的物理性质；具有对称中心的晶体，由二阶张量所描述的物理性质也是中心对称的；凡具有对称中心的晶体，都不存在由奇阶张量所描述的物理性质，但对偶阶张量都不施加额外的影响。

为什么晶体具有弹性？根据固体物理知识，不论晶体属于哪种结合类型，其内部质点的相互作用力都可以分为吸引力和排斥力两种。

这两种力都随着原子间距离的增大而减小，然而它们的变化规律不同。

质点相互作用力的一般表达式为式中A、B为常数；k随晶体类型的不同而取不同值，其值为3～11之间的整数；第一项代表排斥力；第二项代表吸引力。

下图表示质点间相互作用力与质点间距离的关系当晶体未受外力作用时，各质点间的距离保持一定，r = r，此时吸引力与排斥力相等，f=f斥+f吸=0，晶体处于平衡状态。

当晶体受到外力作用时，原来的力学平衡状态遭到破坏，需要建立新的平衡状态。

例如在拉力作用下，由于形变使质点间的吸引力占优势。

这个力是反对质点间的距离继续增大的，而且它的数值随着距离的增大而增大，当其大到同拉力相等时，质点间的距离就不再增加，建立起新的力学平衡，晶体也就保持着一定的形变。

这种由于形变而在晶体内部形成的相互作用力称为内力。

在弹性范围内，当外力撤消后，这种内力就使晶体恢复原状。

可见，晶体的内力与形变同时发生和发展的。

正是由于存在这种与形变有关的内力，晶体才具有弹性。

应变张量是描述晶体形变的物理量晶体的弹性形变服从虎克定律在弹性限度范围内，应力和应变成正比。

原子磁矩主要来源于电子的轨道运动和电子的自旋什么是轨道角动量冻结在晶场中的3d过渡金属的磁性离子的原子磁矩仅等于电子自旋磁矩，而电子的轨道磁矩没有贡献。

此现象称为轨道角动量冻结。

物质磁性的分类根据是否有固有原子磁矩、是否有相互作用以及相互作用的种类可以将物质的磁性分为七类：抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亜铁磁性、自旋玻璃和混磁性、超顺磁性。

磁晶各向异性在磁性物质中，自发磁化主要来源于自旋间的交换作用，这种交换作用本质上是各向同性的，如果没有附加的相互作用存在，在晶体中，自发磁化强度可以指向任意方向而不改变体系的内能。

实际上在磁性材料中，自发磁化强度总是处于一个或几个特定方向，该方向称为易轴。

当施加外场时，磁化强度才能从易轴方向转出，此现象称为磁晶各向异性。

磁致伸缩铁磁性物质的形状在磁化过程中发生形变的现象，叫磁致伸缩。

试述磁性粒子矫顽力随粒子尺寸的变化规律及其原因例，大块铁的矫顽力约为80安/米，而当颗粒尺寸减小到2*10^-2微米以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6*10^-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。

原因是小尺寸效应，随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。

顺磁性，超顺磁性，自旋玻璃态都表现为宏观上的磁无序，试述其差异点观察弱磁场下磁化率的温度关系曲线，自旋玻璃态将会出现一个尖锐的最大值。

而顺磁体和超顺磁体都符合居里定律，但其常数项与磁矩有关，前者很小，是原子或离子的磁矩，而后者很大，是单畴粒子基团的总磁矩。

自旋重取向随温度变化磁晶各向异性的易轴发生变化。

变磁性由施加磁场或改变温度引起的从反铁磁性自旋排列向铁磁性自旋排列的转变称为变磁性。

根据右图指出磁滞回线CDEFG、起始磁化曲线OABC、矫顽力OE、剩余磁感应强度OD与饱和磁感应强度OC（图见上部）极化的主要机理电子位移极化、离子位移极化和固有电矩的转向极化。

电介质在电场作用下，都要经过一段时间，极化强度才能达到相应的值。

这种现象称为极化弛豫，所经过的这段时间称为弛豫时间。

对于极化的三种机理，其弛豫时间是不同的。

电子位移极化的弛豫时间非常小（约为10-14～10-15s），离子位移极化的弛豫时间稍长一点（约为10-12～10-13s），只有取向极化的弛豫时间较长。

任何电介质，包括压电晶体在内，当它处在电场中，尤其是在交变电场中长期工作时，都有发热的现象。

这种现象说明介质内部发生了某种能量的耗散，这就是介质损耗。

介质损耗是表征介质品质的一个重要指标。

当电场是静电场时，介质损耗来源于介质中的电导过程。

当电场是交变电场时，介质损耗来源于电导过程和极化驰豫过程。

当某些电介质晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相应的表面上要产生异号电荷。

这种没有电场作用，只有由于形变而产生电极化的现象称为正压电效应。

具有压电效应的晶体叫做压电晶体。

当在压电晶体上施加一电场时，晶体不仅要产生电极化，同时还要产生形变。

这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应。

逆压电效应的产生是由于压电晶体受到电场作用时，在晶体内部产生了应力（称为压电应力），并通过压电应力的作用而产生压电应变。

实验表明，在压力不太大，且取一级近似的情况下，由压电效应产生的电极化强度P 的大小与所加的应力σ成正比，即P =d σ，其中d 为与应力σ无关的常数，称为压电常数，单位是CN -1（库仑/牛顿），试证明压电常数是三阶张量常见的压电材料有: KDP （磷酸二氢钾）、ADP （磷酸二氢铵）、PZT （锆钛酸铅）、PVF 2（聚二氟乙烯）某些晶体不仅可以因机械应力的作用而产生极化（压电现象），而且还可以因温度变化而产生极化。

例如，加热电气石晶体时，在晶体唯一的3次轴两端即产生数量相等而符号相反的电荷。

若将晶体冷却，则电荷改变符号。

晶体的这种性质称为热释电性。

具有热释电性质的晶体，称为热释电晶体。

到现在为止，人们已知具有热释电效应的材料在一千种以上，但真正符合实际需要的材料为数很少。

其中，硫酸三甘肽（TGS ）、钽酸锂(LiTaO 3)、铌酸锶钡(SBN)、钛酸铅(PbTiO 3)和聚偏氟乙烯(PVF 2)是最重要的五种。

可把热释电晶体用以制成热释电红外探测器，其信号输出与温度的变化率、而不是温度的实际改变成正比，因此，该信号不取决于晶体与辐射是否达到热平衡。

热释电晶体是具有自发极化的晶体。

自发极化不是由外电场作用产生的，而是由物质本身特殊的内部结构决定的。

在热释电晶体中，有一类晶体不但有自发极化，而且自发极化强度可以用外加电场的作用而反向，其电极化强度P与外加电场E之间，具有与铁磁体中的磁滞回线类似的电滞回线关系。

由于这类物质的介电性质在许多方面与铁磁物质的磁性行为相类似，所以人们称这一类晶体为铁电晶体。

（其实晶体中并不含有铁）。

概括起来说，铁电晶体是自发极化可以随外加电场的反向而反向的热释电晶体。

凡是铁电晶体必定具有热释电效应，但热释电晶体不一定是铁电晶体。

电畴是铁电晶体中自发极化的分子电矩方向排列一致的小区域。

铁电体的基本宏观特征：1、第一个重要特征是，铁电晶体的极化强度P与外加电场E间呈非线性的电滞回线关系。

如图所示，电滞回线表明，铁电晶体的极化强度随外电场的方向而反向，极化强度反向是电畴反转的结果，而电畴反转具有滞后的特征。

2、铁电晶体的另一重要特性是存在一个被称作居里点的结构相变温度TC。

当晶体从高温下降经过TC 时，要经历一个非铁电相（有时称顺电相）到铁电相的结构相变。

温度高于TC时，晶体不具有铁电性；温度低于TC时，晶体呈现铁电性。

3、铁电晶体的第三个重要特性是临界特性。

这里所谓的临界特性是指铁电体的介电性质、弹性性质、光学性质和热学性质，在居里点附近都要出现反常现象，其中研究得最为充分的是“介电反常”。

由于铁电晶体的介电性质是非线性的，介电常数随外加电场的大小而变，通常测的介电常数是外电场较小时的值。

在居里点附近，介电常数很大，其数量级可达104～105，这一现象称为介电反常，在实验中常利用这种现象来测定晶体的居里点。

什么是霍尔效应？其产生的原因是什么？有何应用？在沿试样x轴方向通入电流（电流密度Jx），同时在z轴方向加一磁场Hz，那么在y轴方向将产生一电场Ey，这一现象称为霍尔效应。

所产生的电场:E y=R h J x H z其中R h为霍尔系数若载流子浓度为n i，则R h=±1n i e⁄。

其正负号同载流子带电符号相一致且只与材料的载流子种类和浓度有关。

根据电导率公式，则为霍尔系数，若载流子浓度为ni，则μH= R Hσ其中μH为霍尔迁移率。

霍尔效应的产生是由于电子在磁场作用下，产生横向移动的结果，离子的质量比电子大得多，磁场作用不足以使它产生横向位移，因而纯离子电导不呈现霍尔效应。