2009全国功能材料量子设计和量子物理研究生培训-1PPT课件
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功能材料第一章功能材料概论PPT
焊接加工
通过熔融连接将两个材料连接在一起，适用于金 属材料的连接。
表面处理技术
表面涂层技术
通过涂覆一层或多层涂层来改变 材料表面的性质，以提高耐腐蚀 、抗氧化、耐磨等性能。
表面改性技术
通过物理或化学手段改变材料表 面的化学成分、晶体结构和表面 形貌等性质，以提高表面硬度、 降低摩擦系数等性能。
04
环保化
随着环保意识的提高，功能材料的生产和使用需要更加注 重环保，如使用可再生资源、降低能耗和排放等。
智能化
功能材料正朝着智能化方向发展，如智能材料、自适应材 料等，这些材料能够根据环境变化做出响应，具有很高的 应用价值。
复合化
多种材料的复合使用已成为一种趋势，通过不同材料的组 合，可以获得单一材料无法达到的综合性能。
未来发展方向
01
新材料研发
不断探索和研发新的功能材料，提 高其性能和应用范围。
环保化发展
注重功能材料的环保性能，推动其 可持续发展。
03
02
智能化发展
加强功能材料的智能化研究，开发 更多具有智能响应的材料。
复合化发展
加强多种材料的复合研究，获得更 多具有综合性能的材料。
04
THANKS
感谢观看
环保领域
总结词
功能材料在环保领域的应用主要涉及空气净化、水处理、土 壤修复等方面。
详细描述
功能材料如吸附剂、催化剂、光催化剂等，能够有效降低污 染物排放和提高环境质量，对于解决全球环境问题具有重要 意义。
05
功能材料的发展趋势与挑战
发展趋势
高性能化
随着科技的不断进步，对功能材料的性能要求也越来越高 ，如更高的强度、硬度、耐热性、耐腐蚀性等。
功能材料课件ppt课件
物理气相沉积（PVD）
通过物理方法将固体材料转化为气态，再沉积到基材上，如真空镀膜 。
溶胶-凝胶法（Sol-Gel）
通过控制化学反应，将前驱体溶液转化为凝胶，再经过热处理制备功 能材料。
化学合成法
通过化学反应将简单物质转化为复杂物质，如合成高分子材料、复合 材料等。
加工技术
机械加工
激光加工
利用机械力对材料进行切削、磨削等加工 ，以获得所需形状和尺寸的零件或产品。
包括材料的反射率、透射率、折射率 等。这些性能决定了材料在光学设备 和器件中的使用效果。
热性能
包括材料的热导率、热膨胀系数、比 热容等。这些性能决定了材料在热设 备和系统中的使用效果。
03
功能积（CVD）
利用气态物质在固体表面上的化学反应来制备功能材料，如薄膜、涂 层等。
绿色化
随着环保意识的增强，功能材料的制备和应用过程需要更 加注重环保和可持续发展，如使用可再生资源、降低能耗 和减少废弃物排放。
智能化
通过先进的制备技术和结构设计，实现功能材料的智能化 ，如自适应、自修复、自感知等特性，以满足复杂环境和 动态变化的需求。
生物医学应用
功能材料在生物医学领域的应用越来越广泛，如用于药物 传递、组织工程和生物成像等，为医疗健康领域的发展提 供有力支持。
实例
高温超导材料
高温超导材料是指在一定温度下具有超导 性的材料，可用于制造超导线圈、超导电 缆等。
石墨烯
石墨烯是一种新型的二维材料，具有高导 电性、高导热性、高强度等特性，可用于 制造电子元器件、电池电极等。
生物可降解塑料
生物可降解塑料是指在特定条件下能够被 微生物分解为无害物质的塑料材料，可用 于替代传统塑料，减少环境污染。
通过物理方法将固体材料转化为气态，再沉积到基材上，如真空镀膜 。
溶胶-凝胶法（Sol-Gel）
通过控制化学反应，将前驱体溶液转化为凝胶，再经过热处理制备功 能材料。
化学合成法
通过化学反应将简单物质转化为复杂物质，如合成高分子材料、复合 材料等。
加工技术
机械加工
激光加工
利用机械力对材料进行切削、磨削等加工 ，以获得所需形状和尺寸的零件或产品。
包括材料的反射率、透射率、折射率 等。这些性能决定了材料在光学设备 和器件中的使用效果。
热性能
包括材料的热导率、热膨胀系数、比 热容等。这些性能决定了材料在热设 备和系统中的使用效果。
03
功能积（CVD）
利用气态物质在固体表面上的化学反应来制备功能材料，如薄膜、涂 层等。
绿色化
随着环保意识的增强，功能材料的制备和应用过程需要更 加注重环保和可持续发展，如使用可再生资源、降低能耗 和减少废弃物排放。
智能化
通过先进的制备技术和结构设计，实现功能材料的智能化 ，如自适应、自修复、自感知等特性，以满足复杂环境和 动态变化的需求。
生物医学应用
功能材料在生物医学领域的应用越来越广泛，如用于药物 传递、组织工程和生物成像等，为医疗健康领域的发展提 供有力支持。
实例
高温超导材料
高温超导材料是指在一定温度下具有超导 性的材料，可用于制造超导线圈、超导电 缆等。
石墨烯
石墨烯是一种新型的二维材料，具有高导 电性、高导热性、高强度等特性，可用于 制造电子元器件、电池电极等。
生物可降解塑料
生物可降解塑料是指在特定条件下能够被 微生物分解为无害物质的塑料材料，可用 于替代传统塑料，减少环境污染。
大学物理量子物理量子物理 ppt课件
黑体辐射的困难。 引入能量量子化的概念，是量子物理开端，
为爱因斯坦光子论和玻尔氢原子理论奠定基础。
“敲响近代物理晨钟” 1900年12月14日 《正常光谱中能量分布律的理论》
量子力学诞生日
1918年 诺贝尔物理奖
③ 普朗克恒量 h 已经成为物理学中最基本、最重
要的常数之一。
ppt课件
21
“我当时打算将基本作用量子 h 归并到经典理论范 畴中去，但这个常数对所有这种企图的回答都是无 情的”
维恩线
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ( m)
ppt课件
18
三、普朗克能量子假说
1. 经验公式
在维恩公式和金斯公式之间用内插法得出与实验曲 线相符的经验公式
hc
e0 (,T ) 2hc 2 5 (e kT 1)1
e0 (T,)
0 ppt课件
19
2. 能量子假设（模型）
能全部吸收（不反射）任何波长的 入射辐射能的物体 —— 绝对黑体
模型：空腔小孔
ppt课件
绝热不 透明
7
3. 绝对黑体的辐射定律
实验发现：物体的电磁辐射能力与吸收能力一致。
黑体
完全吸收体 理想发射体
定义两个物理量：
e0(,T ) — 单色辐射本领：
单位时间内，从物体表面单位面积上发射的波长
d范围的辐射能与波长间隔d之比
e0（相对强度）
T 2.7 K
31010 Hz 1
1964年 贝尔实验室 彭齐亚斯、威尔孙 发现
1978年 诺贝尔物理奖（大爆炸宇宙学论据）
1990年 美国COBE卫星精密观测，得其能谱为
2.735 0.06K.黑体辐射
量子物理物理课件.ppt
思考:(1)观察‘光电效应’时能否见到康普顿效应？
1927年获诺贝尔奖
例：波长为 2.0A0 的X射线射到碳块上，由于康普顿 散射 ，频率改变 0.04％。求： (1)该光子的散射角 (2) 反冲电子的动能
解：（1）
解出
(2)
0.04%
第 25 章 玻尔的原子量子理论
§25—1 氢原子光谱的实验规律
2、频率跃迁假设：当原子能级 跃迁时，才发射（或吸收）光子,
3、量子化条件：稳态时电子角动量应等于 的整数倍。
)
1,2,
(n
2
L
h
=
p
=
=
h
n
n
L
h
E
E
k
n
-
=
n
其频率为
＋
－
E E3 E2 E1
1913发表‘论原子分子结构’
E1 , E2 , E3 …… En （定态）
2、量子理论的成功：
光子与束缚电子作弹性碰撞时，不改变能量，故 不变 ， 不变。
解释实验现象（ 有 、 ’, ’> ）
光子与自由电子作弹性碰撞时，要传 一 部分能量给 电子
n
=
=
l
c
cT
如何解释实验规律？
n
=
l
c
频率为 的 X射线，是 能量为 = h 的光子流
一、卢瑟福原子模型（原子的有核模型）
严重的问题：
原子的稳定性问题？
原子分立的线状光谱？
)
1
1
(
2
2
n
k
Rc
-
=
n
广义的巴尔末公式
2
2
n
1927年获诺贝尔奖
例：波长为 2.0A0 的X射线射到碳块上，由于康普顿 散射 ，频率改变 0.04％。求： (1)该光子的散射角 (2) 反冲电子的动能
解：（1）
解出
(2)
0.04%
第 25 章 玻尔的原子量子理论
§25—1 氢原子光谱的实验规律
2、频率跃迁假设：当原子能级 跃迁时，才发射（或吸收）光子,
3、量子化条件：稳态时电子角动量应等于 的整数倍。
)
1,2,
(n
2
L
h
=
p
=
=
h
n
n
L
h
E
E
k
n
-
=
n
其频率为
＋
－
E E3 E2 E1
1913发表‘论原子分子结构’
E1 , E2 , E3 …… En （定态）
2、量子理论的成功：
光子与束缚电子作弹性碰撞时，不改变能量，故 不变 ， 不变。
解释实验现象（ 有 、 ’, ’> ）
光子与自由电子作弹性碰撞时，要传 一 部分能量给 电子
n
=
=
l
c
cT
如何解释实验规律？
n
=
l
c
频率为 的 X射线，是 能量为 = h 的光子流
一、卢瑟福原子模型（原子的有核模型）
严重的问题：
原子的稳定性问题？
原子分立的线状光谱？
)
1
1
(
2
2
n
k
Rc
-
=
n
广义的巴尔末公式
2
2
n
量子力学(全套) ppt课件
•2.电子的能量只是与光的频率有关，与光强无关，光
强只决定电子数目的多少。光电效应的这些规律是经典
理论无法解释的。按照光的电磁理论，光的能量只决定
于光的强度而与频率无关。
PPT课件
10
（3）原子光谱，原子结构
氢原子光谱有许多分立谱线组成，这是很早就 发现了的。1885年瑞士巴尔末发现紫外光附近的 一个线系，并得出氢原子谱线的经验公式是：
PPT课件
3Байду номын сангаас
§1 经典物理学的困难
(一）经典物理学的成功
19世纪末，物理学理论在当时看来已经发展到 相当完善的阶段。主要表现在以下两个方面：
(1) 应用牛顿方程成功的讨论了从天体到地上各种尺度的力 学客体体的运动，将其用于分子运动上，气体分子运动论， 取得有益的结果。1897年汤姆森发现了电子，这个发现表明 电子的行为类似于一个牛顿粒子。
1 n2
人们自然会提出如下三个问题：
1. 原子线状光谱产生的机制是什么？ 2. 光谱线的频率为什么有这样简单的规律？
nm
3. 光谱线公式中能用整数作参数来表示这一事实启发我们 思考： 怎样的发光机制才能认为原子P的PT课状件态可以用包含整数值的量来描写12 。
从前，希腊人有一种思想认为：
RH
C
1 22
1 n2
n 3,4,5,
其中RH 1.09677576 107 m 1是氢的Rydberg常数, C是光速。
•这就是著名的巴尔末公式（Balmer）。以后又发现了一
系列线系，它们都可以用下面公式表示：
RH
C
材料物理基础量子力学基础PPT课件
材料的量子力学基础
量子力学是反映微观粒子(分子、原子、原子核、 基本粒子等)运动规律的理论，它是20世纪20年 代在总结大量实验事实和旧量子论的基础上建 立起来的。量子力学的出现，人类对于物质微 观结构的认识日益深入，从而能较深刻地掌握 物质的物理和化学的性能及其变化的规律，为 利用这些规律开辟了广阔的途径。固体材料的 许多性质都能从以量子力学为基础的现代理论 中得到阐明，本课程仅介绍量子力学的部分基 础内容。
实验，理论公式预言散射角为90度时
c
h mc
2.426 102
0
A
实验测得：
2.43102
0
A
波长最大改变量：
max
2 2.426102
0
A
0.004852
nm
对于x-ray： 0.004852 (明4.显85%可见的变化) 0.1
对于可见光： 0.004852(观察10不5到Compton效应) 380
得： mc2 h(0 ) m0c2 ( 1 )
由动量守恒：
h 0
c
n0
h
c
n mv
得：
mvc h0n0 h n
( 2 )
第32页/共163页
(1)式平方：
m2c4
h2
2 0
2h20
h2
2
2hm0c 2 ( 0
)
m02c4
( 3 )
(2)式平方：
m2v2c2
h2
2 0
2h2 0
cos
由于电子在原子核外作加速运动，按照经典电动 力学，加速运动的带电粒子将不断辐射能量。因此， 围绕原子核运动的电子，终究会大量丧失能量而“掉 到”原子核中去。这样，原子也就“崩溃”了。但现 实世界表明，原子是稳定的存 在着。
量子力学是反映微观粒子(分子、原子、原子核、 基本粒子等)运动规律的理论，它是20世纪20年 代在总结大量实验事实和旧量子论的基础上建 立起来的。量子力学的出现，人类对于物质微 观结构的认识日益深入，从而能较深刻地掌握 物质的物理和化学的性能及其变化的规律，为 利用这些规律开辟了广阔的途径。固体材料的 许多性质都能从以量子力学为基础的现代理论 中得到阐明，本课程仅介绍量子力学的部分基 础内容。
实验，理论公式预言散射角为90度时
c
h mc
2.426 102
0
A
实验测得：
2.43102
0
A
波长最大改变量：
max
2 2.426102
0
A
0.004852
nm
对于x-ray： 0.004852 (明4.显85%可见的变化) 0.1
对于可见光： 0.004852(观察10不5到Compton效应) 380
得： mc2 h(0 ) m0c2 ( 1 )
由动量守恒：
h 0
c
n0
h
c
n mv
得：
mvc h0n0 h n
( 2 )
第32页/共163页
(1)式平方：
m2c4
h2
2 0
2h20
h2
2
2hm0c 2 ( 0
)
m02c4
( 3 )
(2)式平方：
m2v2c2
h2
2 0
2h2 0
cos
由于电子在原子核外作加速运动，按照经典电动 力学，加速运动的带电粒子将不断辐射能量。因此， 围绕原子核运动的电子，终究会大量丧失能量而“掉 到”原子核中去。这样，原子也就“崩溃”了。但现 实世界表明，原子是稳定的存 在着。
量子物理基础讲稿.pptx
第8页/共87页
二、普朗克量子假设
MB ( T )
实验值
紫 外 灾
难
M B
(T
)
C e5
C2 T
1
维恩公式
MB (T ) C34T 瑞利--金斯公式
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ( m )
第9页/共87页
普朗克得到了黑体辐射公式：
M B (T ) (2h / c2 )
3
h
e kT 1
研究黑体辐射对于了解热辐射的规律具有 重要的意义。
黑体实际上是不存在的，它是一个理想模 型。
第3页/共87页
如果一个物体能全部吸收 投射在它上面的电磁波，这种 物体称为绝对黑体，简称黑体。
第4页/共87页
黑体辐射实验规律
A
L1
B1
A为黑体
B1PB2为分光系统
P L2
B2
C
C为热电偶
测定黑体单色辐出度的实验简图
第5页/共87页
如果一个物体能全部吸收投射在它上面的电磁波， 这种物体称为绝对黑体，简称黑体。
M B (T )
(μm)
0
1
2
3 4 第6页/共87页
5
6
1、 斯忒藩—玻尔兹曼定律
黑体辐射的总辐射本领（辐射出射度）
MB (T )
0
M B
(T
)d
（即曲线下的面积）
MB ( T ) T 4
5.67 108W m2 K 4 — 斯忒藩常数
2、存在遏止电势差
1 2
mv
m
2
eUa
K
Cs
Ua
W
饱 和 电 流 截 止 电 压
Ua
二、普朗克量子假设
MB ( T )
实验值
紫 外 灾
难
M B
(T
)
C e5
C2 T
1
维恩公式
MB (T ) C34T 瑞利--金斯公式
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ( m )
第9页/共87页
普朗克得到了黑体辐射公式：
M B (T ) (2h / c2 )
3
h
e kT 1
研究黑体辐射对于了解热辐射的规律具有 重要的意义。
黑体实际上是不存在的，它是一个理想模 型。
第3页/共87页
如果一个物体能全部吸收 投射在它上面的电磁波，这种 物体称为绝对黑体，简称黑体。
第4页/共87页
黑体辐射实验规律
A
L1
B1
A为黑体
B1PB2为分光系统
P L2
B2
C
C为热电偶
测定黑体单色辐出度的实验简图
第5页/共87页
如果一个物体能全部吸收投射在它上面的电磁波， 这种物体称为绝对黑体，简称黑体。
M B (T )
(μm)
0
1
2
3 4 第6页/共87页
5
6
1、 斯忒藩—玻尔兹曼定律
黑体辐射的总辐射本领（辐射出射度）
MB (T )
0
M B
(T
)d
（即曲线下的面积）
MB ( T ) T 4
5.67 108W m2 K 4 — 斯忒藩常数
2、存在遏止电势差
1 2
mv
m
2
eUa
K
Cs
Ua
W
饱 和 电 流 截 止 电 压
Ua
2009全国功能材料量子设计和量子物理研究生培训1
Valence electron
Strong ionic potential
K.E. 2 ~ G2
Weak pseudopotential
ps
ae
r
Vps
Z r
Iterative Minimization
Conventional approach:
H i i i
Matrix diagonalization
Outline
Overview of Computational Materials Science
First-principles (ab initio) Method
basic concepts and approximations parallel implementation edge dislocation in Si
Materials Modeling and Simulation
from the atomic to the mesoscopic scales
Feng Liu Department of Materials Science and Engineering
University of Utah, Salt Lake City, UT
mechanics
quantum classical
electronic effect yes
no/approximate
accuracy
good
fair
efficiency (system size)
fair
good
(10-103) (102- 108)
Simulation of Materials Properties
Single electron in an effective potential
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- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Nanomechanics/nanomechanical architecture: Mechanical properties of nanoscale thin films and of carbon nanotubes
Nanoelectronics: Computational designing of nanoscale thin-film and CNT devices (sensors, switches,…)
Molecular Dynamics Simulation
carbon nanotubes
Mesoscopic Simulation
self-assembly/self-organization of quantum dots quantum wires
2021/3/9
授课：XXX
2
Experiment---Theory---Computation
Materials Modeling and Simulation
from the atomic to the mesoscopic scales
Feng Liu Department of Materials Science and Engineering
University of Utah, Salt Lake City, UT
Nanoimaging: First-principles simulation of AFM and STM imaging
Nanocatalysis: 2021/3N/9anocluster enginee授r课in：gXXoXf catalytic surfaces 7
Computational Software
E TC
2021/3/9
授课：XXX
6
Current & Near-Future Research Topics
Nanofabrication: Self-assembly and self-organization of Nanostructures (quantum dots and quantum wires)
Analytical theory and continuum model of nanostructures and nanomechanics
2021/3/9
授课：XXX
8
Computational Hardware
(in-house Beowulf clusters)
Simple-Construction---Cost-effective---Expandable
materials properties
2021/3/9
授课：XXX
5
Objective
Not only to elucidate existing experimental results but also to predict new materials and novel materials properties to be explored by experiments
Provide a web-based visual and interactive platform for computation
Provide a computational server for a broad range of users,(experts or non-experts)
Go science, engineering, and beyond
I/O
Router
2021/3/9
授课：XXX
9
VISCO Computational Interface
(Visual Interactive Scientific computing)
Web-Based
computing
VISCO
visualization
2021/3/9
interface
Research/Education Applications:
Nanoscopic simulations of growth and formation of thin films and nanostructures and self-assembly/ self-organization of quantum wires and quantum dots
(theory/modeling/simulation packages)
First-principles and empirical electronic and atomic simulations of structural, dynamic, mechanical, electronic, transport and magnetic properties of nanomaterials and nanodevices
2021/3/9
(From F. F. Abraham)
授课：XXX
4
Mission
To explore the various materials properties by computational modeling and simulation
Physical model +
algorithm
授课：XXX
10
Simulation at Different Length Scales
2021/3/9
授课：XXX
1
Outline
Overview of Computational Materials Science
First-principles (ab initio) Method
basic concepts and approximations parallel implementation edge dislocation in Si
Experiment
Theory
Newtonian mechanics Statistical mechanics Quantum mechanics
Computation
nanoscopic Atomistic Electronic
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2021/3/9
授课：XXX
3
Advance of Computer Power
Nanoelectronics: Computational designing of nanoscale thin-film and CNT devices (sensors, switches,…)
Molecular Dynamics Simulation
carbon nanotubes
Mesoscopic Simulation
self-assembly/self-organization of quantum dots quantum wires
2021/3/9
授课：XXX
2
Experiment---Theory---Computation
Materials Modeling and Simulation
from the atomic to the mesoscopic scales
Feng Liu Department of Materials Science and Engineering
University of Utah, Salt Lake City, UT
Nanoimaging: First-principles simulation of AFM and STM imaging
Nanocatalysis: 2021/3N/9anocluster enginee授r课in：gXXoXf catalytic surfaces 7
Computational Software
E TC
2021/3/9
授课：XXX
6
Current & Near-Future Research Topics
Nanofabrication: Self-assembly and self-organization of Nanostructures (quantum dots and quantum wires)
Analytical theory and continuum model of nanostructures and nanomechanics
2021/3/9
授课：XXX
8
Computational Hardware
(in-house Beowulf clusters)
Simple-Construction---Cost-effective---Expandable
materials properties
2021/3/9
授课：XXX
5
Objective
Not only to elucidate existing experimental results but also to predict new materials and novel materials properties to be explored by experiments
Provide a web-based visual and interactive platform for computation
Provide a computational server for a broad range of users,(experts or non-experts)
Go science, engineering, and beyond
I/O
Router
2021/3/9
授课：XXX
9
VISCO Computational Interface
(Visual Interactive Scientific computing)
Web-Based
computing
VISCO
visualization
2021/3/9
interface
Research/Education Applications:
Nanoscopic simulations of growth and formation of thin films and nanostructures and self-assembly/ self-organization of quantum wires and quantum dots
(theory/modeling/simulation packages)
First-principles and empirical electronic and atomic simulations of structural, dynamic, mechanical, electronic, transport and magnetic properties of nanomaterials and nanodevices
2021/3/9
(From F. F. Abraham)
授课：XXX
4
Mission
To explore the various materials properties by computational modeling and simulation
Physical model +
algorithm
授课：XXX
10
Simulation at Different Length Scales
2021/3/9
授课：XXX
1
Outline
Overview of Computational Materials Science
First-principles (ab initio) Method
basic concepts and approximations parallel implementation edge dislocation in Si
Experiment
Theory
Newtonian mechanics Statistical mechanics Quantum mechanics
Computation
nanoscopic Atomistic Electronic
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2021/3/9
授课：XXX
3
Advance of Computer Power