第一章 固体中电子能量结构与状态
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无机材料的脆性断裂与强度
参考书目
《无机材料物理性能》（清华大学出版社）关振铎、 张中太、焦金生
《材料物理性能》 （北京航空航天大学出版社）田莳
《固体物理学》（人民教育出版社） 黄昆
《材料科学基础》（上海交通大学出版社）胡庚祥、 蔡珣、戎咏华
《材料物理导论》（科学出版社） 熊兆贤
第一章 固体中电子能量结构与状态
材料物理
物理科学
材料 物理
材料科学
物理学概念、原理等
物理学模型
材料物理性能
材料物理是物理学和材料学之间的边缘学科。
目的：从物理学的角度，从微观的角度来阐述材 料性能中的种种规律。包括材料的电性能、介电 性能、光学性能、热学性能、磁学性能以及力学 性能。
材料的分类
（1） 根据化学组成和显微结构特点
金属材料
材料性质与材料中原子间的化学键、晶体结 构、电子能量结构及材料中的缺陷等密切相关。 这些是理解材料物理性能的基础。
1.1 电子的粒子性和波动性 1.2 金属电子理论 1.3 晶体能带理论 1.4 晶体能带理论应用举例 1.5 半导体电子理论 1.6 晶体中的缺陷
原子键合及特性
原子间的键合类型： 金属键、离子键、共价键、分子键和氢键。
新型结构材料：高强的机械性能、耐高温、耐磨、耐腐蚀、 耐辐照。
材料的分类
功能材料：具有优良的电、磁、声、热、光、力、化学、 或生物学等性能的材料。
用途：可用于研制具有传递、存储或记忆信息、 转化或变换能量的功能性元件。
包括：金属、半导体、有机高分子、复合材料等。
有多种分类，按性能可分为： 力学、声学、电学、磁学、光学、 化学、生物医学、核功能材料。
典型金属原子结构：最外层电子数很少，即 价电子（valence electron）极易挣脱原子核之束 缚而成为自由电子（free electron），形成电子云 （electron cloud）金属中自由电子与金属正离子 之间构成键合称为金属键。
特点：电子共有化，既无饱 和性又无方向性，形成低能 量密堆结构
信息社会对材料科学提出了更高的要求， 材料科 学是信息社会的基石。
功能材料
磁性材料 信号接受
金属材料
金属外壳
移动通讯
拍照功能 光学材料
数码拍照 显示功能
介电材料
对话功能
传感器件
电子线路
半导体技术
照片存储
Байду номын сангаас
半导体芯片
液晶材料
材料与物性、现象、用途间的关系
物性
改善
原料 工艺
材料
条件
经济性
作用
用途
具体化
霍尔系数
霍尔系数定义：
RH
EH J x B0
q: 电子电荷 E: 电场强度 v: 电子速率
EH
J x B0 ne
B: 磁感应强度 J: 电流密度
RH
1 ne
qE qvB neE nevB JB J I / S Q / tS nqlS / tS nqv
性质：良好导电、导热性能， 延展性好
范德华力（Van der waals bonding）
近邻原子相互作用→电荷位移 → 偶极子(dipoles）电偶 极矩的感应作用范德华力
包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和 色散力(dispersive force)
属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很 大程度改变材料性质
氢键（Hydrogen bonding）
极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中，在高分 子中占重要地位，氢原子中唯一的电子被其它原 子所共有（共价键结合），裸露原子核将与近邻 分子的负端相互吸引——氢键介于化学键与物理 键之间，具有饱和性。
1.1 电子的粒子性和波动性
1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4
聚乙烯、聚丙烯、纤维、 蛋白质等 复合材料（Composites)： 两种或两种以上的材料按一定的比
例通过特殊方法结合起来而构成
材料的分类
（2） 根据特征性能
结构材料
材
（以力学性能为主）
料
功能材料
（以物理、化学性能
为主）
材料的分类
结构材料：是机械制造、建筑工程、交通运输、能源利用 工程等的物质基础。具有抵抗外力作用、保持 自身形状和结构不变的力学特性及对外界环境 良好的适应性。
现象
材料性能决定 于材料的组成与结 构，而这些又取决 于合成与制造工艺。 材料性能的好坏直 接决定了材料的用 途，所以学习掌握 材料的各种性能知 识与理论是材料研 发的基础。
教学内容
无机 材料
固体物 理学
无机功 能材料
无机结 构材料
固体中电子能量结构与状态 无机材料的电学性能 无机材料的介电性能 无机材料的热学性能 无机材料的光学性能 无机材料的磁学性能 无机材料的受力形变
性质：熔点和硬度均较高， 良好电绝缘体
共价键（covalent bonding）
亚金属（C、Si、Ge、 Sn），聚合物和无机非 金属材料
实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通 过共用电子对而成
特点：饱和性，配位 数较小 ，方向性（s电 子除外）
性质：熔点高、质硬 脆、导电能力差
金属键（Metallic bonding）
材
无机非金属材料
料
有机高分子材料
复合材料
材料的分类
金属材料 （Metallic Materials)：钢铁、铝、铜、钛合金
无机非金属材料（陶瓷材料、Ceramics）：Al2O3、SiC、 Si3N4、SiO2、TiN
如，电工电子陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等 有机高分子材料（High Polymers)：
霍尔效应和电子粒子性 电子波动性 波函数 薛定谔(Schrödinger)方程
1.1.1 霍尔效应和电子粒子性
在厚度为d、宽度为b的金属导体上，沿x方向通 过电流Ix，其电流密度为Jx，沿z方向加一磁场，这时 导体沿y方向产生电位差VA-VB，令其为EH。产生霍 尔场的原因是，垂直于电子运动方向的磁场使电子受 到洛仑兹力而偏转，并向某一面聚积，结果是该面带 负电，而其对面带正电，从而形成霍尔场。
晶体结构有十四种空间点阵。
原子间键合方式、晶体结构都会影响固体的电 子能量结构和状态，从而影响材料物理性能。
原子键合及特性
离子键（Ionic bonding）
实质： 金属原子 非金属原子
带带负正电电的的负正离离子子（（aCnaitoinon））静电引力 离子键
多数盐类、碱类和金属氧化物
特点：以离子而不是以原 子为结合单元，要求正负离 子相间排列，且无方向性， 无饱和性
参考书目
《无机材料物理性能》（清华大学出版社）关振铎、 张中太、焦金生
《材料物理性能》 （北京航空航天大学出版社）田莳
《固体物理学》（人民教育出版社） 黄昆
《材料科学基础》（上海交通大学出版社）胡庚祥、 蔡珣、戎咏华
《材料物理导论》（科学出版社） 熊兆贤
第一章 固体中电子能量结构与状态
材料物理
物理科学
材料 物理
材料科学
物理学概念、原理等
物理学模型
材料物理性能
材料物理是物理学和材料学之间的边缘学科。
目的：从物理学的角度，从微观的角度来阐述材 料性能中的种种规律。包括材料的电性能、介电 性能、光学性能、热学性能、磁学性能以及力学 性能。
材料的分类
（1） 根据化学组成和显微结构特点
金属材料
材料性质与材料中原子间的化学键、晶体结 构、电子能量结构及材料中的缺陷等密切相关。 这些是理解材料物理性能的基础。
1.1 电子的粒子性和波动性 1.2 金属电子理论 1.3 晶体能带理论 1.4 晶体能带理论应用举例 1.5 半导体电子理论 1.6 晶体中的缺陷
原子键合及特性
原子间的键合类型： 金属键、离子键、共价键、分子键和氢键。
新型结构材料：高强的机械性能、耐高温、耐磨、耐腐蚀、 耐辐照。
材料的分类
功能材料：具有优良的电、磁、声、热、光、力、化学、 或生物学等性能的材料。
用途：可用于研制具有传递、存储或记忆信息、 转化或变换能量的功能性元件。
包括：金属、半导体、有机高分子、复合材料等。
有多种分类，按性能可分为： 力学、声学、电学、磁学、光学、 化学、生物医学、核功能材料。
典型金属原子结构：最外层电子数很少，即 价电子（valence electron）极易挣脱原子核之束 缚而成为自由电子（free electron），形成电子云 （electron cloud）金属中自由电子与金属正离子 之间构成键合称为金属键。
特点：电子共有化，既无饱 和性又无方向性，形成低能 量密堆结构
信息社会对材料科学提出了更高的要求， 材料科 学是信息社会的基石。
功能材料
磁性材料 信号接受
金属材料
金属外壳
移动通讯
拍照功能 光学材料
数码拍照 显示功能
介电材料
对话功能
传感器件
电子线路
半导体技术
照片存储
Байду номын сангаас
半导体芯片
液晶材料
材料与物性、现象、用途间的关系
物性
改善
原料 工艺
材料
条件
经济性
作用
用途
具体化
霍尔系数
霍尔系数定义：
RH
EH J x B0
q: 电子电荷 E: 电场强度 v: 电子速率
EH
J x B0 ne
B: 磁感应强度 J: 电流密度
RH
1 ne
qE qvB neE nevB JB J I / S Q / tS nqlS / tS nqv
性质：良好导电、导热性能， 延展性好
范德华力（Van der waals bonding）
近邻原子相互作用→电荷位移 → 偶极子(dipoles）电偶 极矩的感应作用范德华力
包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和 色散力(dispersive force)
属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很 大程度改变材料性质
氢键（Hydrogen bonding）
极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中，在高分 子中占重要地位，氢原子中唯一的电子被其它原 子所共有（共价键结合），裸露原子核将与近邻 分子的负端相互吸引——氢键介于化学键与物理 键之间，具有饱和性。
1.1 电子的粒子性和波动性
1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4
聚乙烯、聚丙烯、纤维、 蛋白质等 复合材料（Composites)： 两种或两种以上的材料按一定的比
例通过特殊方法结合起来而构成
材料的分类
（2） 根据特征性能
结构材料
材
（以力学性能为主）
料
功能材料
（以物理、化学性能
为主）
材料的分类
结构材料：是机械制造、建筑工程、交通运输、能源利用 工程等的物质基础。具有抵抗外力作用、保持 自身形状和结构不变的力学特性及对外界环境 良好的适应性。
现象
材料性能决定 于材料的组成与结 构，而这些又取决 于合成与制造工艺。 材料性能的好坏直 接决定了材料的用 途，所以学习掌握 材料的各种性能知 识与理论是材料研 发的基础。
教学内容
无机 材料
固体物 理学
无机功 能材料
无机结 构材料
固体中电子能量结构与状态 无机材料的电学性能 无机材料的介电性能 无机材料的热学性能 无机材料的光学性能 无机材料的磁学性能 无机材料的受力形变
性质：熔点和硬度均较高， 良好电绝缘体
共价键（covalent bonding）
亚金属（C、Si、Ge、 Sn），聚合物和无机非 金属材料
实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通 过共用电子对而成
特点：饱和性，配位 数较小 ，方向性（s电 子除外）
性质：熔点高、质硬 脆、导电能力差
金属键（Metallic bonding）
材
无机非金属材料
料
有机高分子材料
复合材料
材料的分类
金属材料 （Metallic Materials)：钢铁、铝、铜、钛合金
无机非金属材料（陶瓷材料、Ceramics）：Al2O3、SiC、 Si3N4、SiO2、TiN
如，电工电子陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等 有机高分子材料（High Polymers)：
霍尔效应和电子粒子性 电子波动性 波函数 薛定谔(Schrödinger)方程
1.1.1 霍尔效应和电子粒子性
在厚度为d、宽度为b的金属导体上，沿x方向通 过电流Ix，其电流密度为Jx，沿z方向加一磁场，这时 导体沿y方向产生电位差VA-VB，令其为EH。产生霍 尔场的原因是，垂直于电子运动方向的磁场使电子受 到洛仑兹力而偏转，并向某一面聚积，结果是该面带 负电，而其对面带正电，从而形成霍尔场。
晶体结构有十四种空间点阵。
原子间键合方式、晶体结构都会影响固体的电 子能量结构和状态，从而影响材料物理性能。
原子键合及特性
离子键（Ionic bonding）
实质： 金属原子 非金属原子
带带负正电电的的负正离离子子（（aCnaitoinon））静电引力 离子键
多数盐类、碱类和金属氧化物
特点：以离子而不是以原 子为结合单元，要求正负离 子相间排列，且无方向性， 无饱和性