材料科学基础ppt课件
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导体
导带
Eg
Ec
Ev
价 带
半导体
导带 Ec
Eg
Ef
Ev 价 带
绝缘体
图1.5 导体、半导体和绝缘体的能带结构 （Ec代表价带的最高能量，Ev代表导带的最低能量，Ef是费米能）
超导（电）性的基本特征
1、零电阻效应（R＝0）
材料在某一温度下突然失去电阻的现象，称为零电阻效应。
2、迈斯纳效应（B＝0）
处于超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一 特征叫完全抗磁性或迈斯纳效应。
配位数: 致密度:
Z＝12
Kn4r3 /V
3
6(4/3a)3(1/2a)3 0.74＝74%
轴比：c/a 1.633
图2-7 两个简单六方晶格穿 插在一起构成密排六方晶格
密排六方晶格，hcp （hexagonal close-packed）
第四章 金属的结晶与元相图
凝固：物质从液态转变为固态的过程。 结晶：物质从液态转变为晶体（固态）的过程。
材料学基础
绪论
课程的主题：材料
一、材料与材料学 1. 材料的定义 2. 材料的历史 3. 材料科学与工程（MSE）
二、材料的分类 三、《材料学基础》的性质和任务
材料就是人们用来制造各种机器、器件、结构等具有某 种特性的物质的实体。
石器时代 陶器时代
青铜器时代、铁器时代
金属材料
黑色金属——钢铁、锰、铬及合金 有色金属——铝、铜、镁、钛等
材料
非金属材料
无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥等 （陶瓷材料）
有机高分子材料——塑料、橡胶、涂料、纤维等
复合材料
金属基复合材料 树脂基复合材料 陶瓷基复合材料
AB C
A’ pe s
D
E
b
E
p—比例极限 e—弹性极限 s—屈服强度 b—抗拉强度
＝E
E—刚度
图1-1 － 曲线
使用表现
制备/加工
性能/性质
成分/结构 MSE的四个组成要素
表1.1 各电子壳层及亚壳层的电子状态
主量子数 壳层序号
次量子数 亚壳层状态
量子数规定 的状态数目
考虑自旋量子数后 的状态数目
壳层 总电子数
1
1s
1
2
2s 2p
1 3
3s
1
3
3p
3
3d
5
4s
1
4
4p 4d
3 5
4f
7
2
2（＝2×12）
2
8（＝2×22）
6
2
R （）
Tc
4.2
T(K)
图1.10 Hg的电阻与温度的关系
图1.11 迈斯纳效应（超导球排斥磁通）
超导体的临界参数
1、临界温度Tc
临界温度即超导转变温度，即当T>Tc时，超导体呈正常态，而当T<Tc时，超 导体由正常态转变为超导态。为了便于实际应用，希望临界温度越高越好。
2、临界磁场Hc
当温度低于Tc时，强磁场也会破坏超导态，即有磁力线穿入超导体内，材料 就从超导态转变为正常态。一般将可以破坏超导态的最小磁场称为临界磁场。
h
自建电场
p
－＋ n
p
－＋ n
自建电场
a)
p
n
图1.24 p-n结处的自建电场
＋－
I
b)
图1.25 光生伏特效应的产生 a) p-n结受光照产生电子－空穴对 b) 光电动势的产生
（a）
（b）
图2-1 晶体中的原子排列 （a）晶格 (b) 晶胞
Z
c
a
X
b Y
图2-2 晶胞的表示方法
a
图2-3 体心立方晶格
（1）Ef 是被电子填满的，Ef 以上的能级基本上是空的。对于一个未被电子 填满的能级来说，可推测它必定就在Ef 附近。
（2）由于热运动，电子可具有大于Ef 的能量，而跃迁到导带中，但只集中 在导带的底部。同样理由，价带中的空穴也多集中在价带的顶部。
（3）对于一般金属，Ef 处于价带和导带的分界处。对于半导体，Ef位于禁带 中央。
3、临界电流Ic（临界电流密度Jc）
通过超导体的电流也会破坏超导态，当电流超过某一临界值时，超导体就出 现电阻。将产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流称为临界电流。
M，
A/m
顺磁体（<0）
抗磁体（<0）
H，A/m
M，A/m B，A/m
Bs
Ms
B－H M－H
图1.16 抗磁质和顺磁质的磁化曲线
金属的能带结构与导电性
导带
价带
3s2
2p2 2s2 1s2
a） 4s和3d能带重叠，形成扩展能带
3s和3p能带重叠，形成扩展能带
3p0 3s2 2p6 2s2 1s2
b）
4s2
3d6
图1.3 各种金属的能带结构
3p6
3s2
a)碱金属Na
2p6
b)碱土金属Mg
2s2
c)过渡金属Fe
1s2
c）
Ev 导带 价 带
a
2a
原子半径:
r 3a 4
晶胞原子数: n =1/8×8 + 1 = 2
配位数:
Z＝8
(体心的原子与8个顶角原子等距且最近邻)
致密度:
Kn4r3 /V
3
2(4/3)a3( 3/4a)3
0.68＝68%
体心立方晶格,bcc （body centred cubic）
a
图2-4 面心立方晶格
原子半径:
6
18（＝2×32）
10
2
6 10
32（＝2×42）
14
f
d
p
f
d
s
f
d
p s
能
d
p
s
p
量百度文库
d
s
p
s p
s s
1
2
3
4
5
6
7
主量子数n
图1.1 电子能量水平随主量子数和次量子数的变化情况
3s
2N电子
2p
6N电子
2s 1s
1原子
2原子
N原子
2N电子 2N电子
图1.2 能带的形成
满带：被电子填满的能带。 空带：没有被电子填充的能带。
结晶是凝固的一种形式。
Hs
H，A/m
图1.17 铁磁质的磁化曲线
B
Bs
s
Br
a
-Hs -Hc
O
Hc
Hs
H
-Br -Bs
图1.18 铁磁体的磁化曲线与磁滞回线
反射束
I0
吸收
透射束 If=I0－I吸收－I反射
图1.22 光的吸收与透射
A
E2
引发受激辐射
h
h
h
E1 A
E2 h
A 吸收
E1 A
图1.23 入射光子引发受激辐射或被吸收
价带：被价电子占据的能量最高的能带。 导带：价带以上的空带。
导电机理：价带上的电子跃迁到导带上成为自由 电子，自由电子在电场作用下作定向 运动形成电流。
费密分布函数 f（E）：
1 f(E)
e(EEf )/kT 1
f（E）的物理意义：代表在一定温度下电子占有能量为E的状态的几率 Ef－－费密能
费密能的意义：
r 2a 4
晶胞原子数: n =1/8×8 + 1/2×6 = 4
配位数:
Z＝12
致密度:
Kn4r3 /V
3
4(4/3)( 2/4a)3
a3
0.74＝74%
面心立方晶格,fcc
a
（face centred cubic）
图2-6 密排六方晶格
＝ 0.74＝74%
原子半径:
r 1a 2
晶胞原子数: n =1/6×6 + 1/2×2 + 3 = 4
导带
Eg
Ec
Ev
价 带
半导体
导带 Ec
Eg
Ef
Ev 价 带
绝缘体
图1.5 导体、半导体和绝缘体的能带结构 （Ec代表价带的最高能量，Ev代表导带的最低能量，Ef是费米能）
超导（电）性的基本特征
1、零电阻效应（R＝0）
材料在某一温度下突然失去电阻的现象，称为零电阻效应。
2、迈斯纳效应（B＝0）
处于超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一 特征叫完全抗磁性或迈斯纳效应。
配位数: 致密度:
Z＝12
Kn4r3 /V
3
6(4/3a)3(1/2a)3 0.74＝74%
轴比：c/a 1.633
图2-7 两个简单六方晶格穿 插在一起构成密排六方晶格
密排六方晶格，hcp （hexagonal close-packed）
第四章 金属的结晶与元相图
凝固：物质从液态转变为固态的过程。 结晶：物质从液态转变为晶体（固态）的过程。
材料学基础
绪论
课程的主题：材料
一、材料与材料学 1. 材料的定义 2. 材料的历史 3. 材料科学与工程（MSE）
二、材料的分类 三、《材料学基础》的性质和任务
材料就是人们用来制造各种机器、器件、结构等具有某 种特性的物质的实体。
石器时代 陶器时代
青铜器时代、铁器时代
金属材料
黑色金属——钢铁、锰、铬及合金 有色金属——铝、铜、镁、钛等
材料
非金属材料
无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥等 （陶瓷材料）
有机高分子材料——塑料、橡胶、涂料、纤维等
复合材料
金属基复合材料 树脂基复合材料 陶瓷基复合材料
AB C
A’ pe s
D
E
b
E
p—比例极限 e—弹性极限 s—屈服强度 b—抗拉强度
＝E
E—刚度
图1-1 － 曲线
使用表现
制备/加工
性能/性质
成分/结构 MSE的四个组成要素
表1.1 各电子壳层及亚壳层的电子状态
主量子数 壳层序号
次量子数 亚壳层状态
量子数规定 的状态数目
考虑自旋量子数后 的状态数目
壳层 总电子数
1
1s
1
2
2s 2p
1 3
3s
1
3
3p
3
3d
5
4s
1
4
4p 4d
3 5
4f
7
2
2（＝2×12）
2
8（＝2×22）
6
2
R （）
Tc
4.2
T(K)
图1.10 Hg的电阻与温度的关系
图1.11 迈斯纳效应（超导球排斥磁通）
超导体的临界参数
1、临界温度Tc
临界温度即超导转变温度，即当T>Tc时，超导体呈正常态，而当T<Tc时，超 导体由正常态转变为超导态。为了便于实际应用，希望临界温度越高越好。
2、临界磁场Hc
当温度低于Tc时，强磁场也会破坏超导态，即有磁力线穿入超导体内，材料 就从超导态转变为正常态。一般将可以破坏超导态的最小磁场称为临界磁场。
h
自建电场
p
－＋ n
p
－＋ n
自建电场
a)
p
n
图1.24 p-n结处的自建电场
＋－
I
b)
图1.25 光生伏特效应的产生 a) p-n结受光照产生电子－空穴对 b) 光电动势的产生
（a）
（b）
图2-1 晶体中的原子排列 （a）晶格 (b) 晶胞
Z
c
a
X
b Y
图2-2 晶胞的表示方法
a
图2-3 体心立方晶格
（1）Ef 是被电子填满的，Ef 以上的能级基本上是空的。对于一个未被电子 填满的能级来说，可推测它必定就在Ef 附近。
（2）由于热运动，电子可具有大于Ef 的能量，而跃迁到导带中，但只集中 在导带的底部。同样理由，价带中的空穴也多集中在价带的顶部。
（3）对于一般金属，Ef 处于价带和导带的分界处。对于半导体，Ef位于禁带 中央。
3、临界电流Ic（临界电流密度Jc）
通过超导体的电流也会破坏超导态，当电流超过某一临界值时，超导体就出 现电阻。将产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流称为临界电流。
M，
A/m
顺磁体（<0）
抗磁体（<0）
H，A/m
M，A/m B，A/m
Bs
Ms
B－H M－H
图1.16 抗磁质和顺磁质的磁化曲线
金属的能带结构与导电性
导带
价带
3s2
2p2 2s2 1s2
a） 4s和3d能带重叠，形成扩展能带
3s和3p能带重叠，形成扩展能带
3p0 3s2 2p6 2s2 1s2
b）
4s2
3d6
图1.3 各种金属的能带结构
3p6
3s2
a)碱金属Na
2p6
b)碱土金属Mg
2s2
c)过渡金属Fe
1s2
c）
Ev 导带 价 带
a
2a
原子半径:
r 3a 4
晶胞原子数: n =1/8×8 + 1 = 2
配位数:
Z＝8
(体心的原子与8个顶角原子等距且最近邻)
致密度:
Kn4r3 /V
3
2(4/3)a3( 3/4a)3
0.68＝68%
体心立方晶格,bcc （body centred cubic）
a
图2-4 面心立方晶格
原子半径:
6
18（＝2×32）
10
2
6 10
32（＝2×42）
14
f
d
p
f
d
s
f
d
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能
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p
量百度文库
d
s
p
s p
s s
1
2
3
4
5
6
7
主量子数n
图1.1 电子能量水平随主量子数和次量子数的变化情况
3s
2N电子
2p
6N电子
2s 1s
1原子
2原子
N原子
2N电子 2N电子
图1.2 能带的形成
满带：被电子填满的能带。 空带：没有被电子填充的能带。
结晶是凝固的一种形式。
Hs
H，A/m
图1.17 铁磁质的磁化曲线
B
Bs
s
Br
a
-Hs -Hc
O
Hc
Hs
H
-Br -Bs
图1.18 铁磁体的磁化曲线与磁滞回线
反射束
I0
吸收
透射束 If=I0－I吸收－I反射
图1.22 光的吸收与透射
A
E2
引发受激辐射
h
h
h
E1 A
E2 h
A 吸收
E1 A
图1.23 入射光子引发受激辐射或被吸收
价带：被价电子占据的能量最高的能带。 导带：价带以上的空带。
导电机理：价带上的电子跃迁到导带上成为自由 电子，自由电子在电场作用下作定向 运动形成电流。
费密分布函数 f（E）：
1 f(E)
e(EEf )/kT 1
f（E）的物理意义：代表在一定温度下电子占有能量为E的状态的几率 Ef－－费密能
费密能的意义：
r 2a 4
晶胞原子数: n =1/8×8 + 1/2×6 = 4
配位数:
Z＝12
致密度:
Kn4r3 /V
3
4(4/3)( 2/4a)3
a3
0.74＝74%
面心立方晶格,fcc
a
（face centred cubic）
图2-6 密排六方晶格
＝ 0.74＝74%
原子半径:
r 1a 2
晶胞原子数: n =1/6×6 + 1/2×2 + 3 = 4