第9章 材料的电子结构与物(三)
第三章 配位化合物的电子结构
dn组态离子在配位体场中的能级图 continue…
• 由同一光谱项分裂而来的能态， 在不同电子组态时，能量高低 的顺序有时是颠倒的
– 例如光谱项F在八面体场的作用 下，分裂为A2g,T2g和T1g．在d2组 态时，能量高低的顺序是: A2g>T2g>T1g – 而在d8组态却恰恰相反，能量高 低的顺序是 T1g >T2g> A2g *因为d2是两个d电子，而d8是两 个空穴.
d 轨道能级的分裂 continue…
• 若八面体配合物发生四角畸变， 形成拉长的八面体，即沿z轴方 向上的两个配体逐渐远离中心金 属离子．与此同时，为保持总的 库仑能不变, x、-x和y、-y方向上 的配体， 必然进一步向中心金 属离子靠拢．在这种情况下，eg 轨道的能量会因为dz2轨道能量员 的下降，进一步发生分裂. t2g轨 道的能量也会因为dxy轨道能量的 升高而进一步发生分裂，结果， 简并度下降．在极端的情况下， 由于z和-z方向上配体的远离,最 终完全脱离和中心金属离子的相 互作用，以致六配位的八面体配 合物转变成四配位的平面正方形 配合物．
• 光谱项左上角的(2S+1)为自旋多重态(spin mutiplicities)，
– – – – 2S+1=1， 单重态(singlet)， 无末成对电子 2S+1=2, 二重态(doublet)， 有一个末成对电子 2S+1=3， 三重态(triplet)， 有两个未成对电子 …
自由离子的能级状态 continue…
– – – – d 电子， 故l＝2，ml＝+/- 2、+/- 1、0，ms＝+/- 1/2 当这两个d电子填入d轨道时 占一个d轨道，自旋必反向，Ms＝∑ms＝0 分占两个不同的d轨道
半导体材料第9讲-III-V族化合物半导体的外延生长
掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化 物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源输运 相同。
MOVPE设备
2．气体输运系统 气体的输运管路是由不锈钢管道、质量流量控制器(mass
金属有机化合物的名称及其英文缩写
三甲基镓 三甲基铟 三甲基铝 三乙基镓 三乙基铟 二甲基锌 二乙基锌 二甲基镉 二乙基镉
Tri-methyl-gallium TMG．TMGa
Tri-methyl-indium TMI．TMIn
Tri-methyl-alumium TMAI
Tri-ethyl-gallium TEG．TEGa
(3) 总杂质浓度和生长温度的关系。在富砷的生长条件下，温度是影响 非掺杂GaAs外延层中总杂质浓度的最重要因素。实验发现，从750℃到 600℃，外延层中的施主和受主浓度都随温度降低而降低。在600℃时， 总杂质浓度<1015／cm3。但低于600℃时，外延层表面变得粗糙。
(4) 源纯度对迁移率的影响。在MOVPE生长非掺杂GaAs外延层中，杂 质的主要来源是源材料，只要TMG和AsH3中一种纯度不够，迁移率就降 低。早期源的纯度不够高曾限制了MOVPE技术的应用。目前采用一般的 源可生长出载流子浓度小于1×1014／cm3，室温迁移率大于6000cm2／ VS的GaAs外延层。
4Ga + xAs4 = 4GaAsx ( x<1 ) 而HCI在高温下同Ga或GaAs反应生成镓的氯化物，它的主反应为
2Ga + 2 HCl = 2 GaCl + H2 GaAs + HCl = GaCl + ¼ As4 + ½ H2
《材料科学基础》名词解释
《材料科学基础》名词解释第一章材料结构的基本知识1、晶体材料的组织：指材料由几个相(或组织单元)组成，各个相的相对量、尺寸、形状及分布。
第二章材料的晶体结构1、空间点阵：将理想模型中每个原子或原子团抽象为纯几何点，无数几何点在三维空间规律排列的阵列2、同素异构：是指有些元素在温度和压力变化时，晶体结构发生变化的特性3、离子半径：从原子核中心到其最外层电子的平衡距离。
4、离子晶体配位数：在离子晶体中，与某一考察离子邻接的异号离子的数目称为该考察离子的配位数。
5、配位数：晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数6、致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分数；第三章高分子材料的结构1、聚合度：高分子化合物的大分子链是出大量锥告连成的。
大分子链中链节的重复次数叫聚合度2、官能度：指在一个单体上能和别的单体发生键合的位置数目3、加聚反应：由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应；4、缩聚反应：由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出(缩去)某种低分子物质(如水、氨、醉、卤化氢等)的反应；5、共聚：由两种或两种以上的单休参加聚合而形成聚合物的反应。
第四章晶体缺陷1、晶体缺陷：实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域；2、位错密度：晶体中位错的数量，是单位体积晶体中所包含的位错线总长度；3、晶界：同一种相的晶粒与晶粒的边界；4、晶界内吸附：少量杂质或合金元素在晶体内部的分布是不均匀的，它们常偏聚于晶界，称这种现象为晶界内吸附；第五章材料的相结构及相图1、固溶体：当合金相的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种相就称为一次固溶体或端际固溶体，简称固溶体。
2、拓扑密堆积：如两种不同大小的原子堆积，利用拓扑学的配合规律，可得到全部或主要由四面体堆垛的复合相结构，形成空间利用率很高、配位数较大(12、14、15、16等)一类的中间相，称为拓扑密堆积。
3、电子浓度：固溶体中价电子数目e与原子数目之比。
4、间隙相：两组元间电负性相差大，且/1≤0.59具有简单的晶体结构的中间相5、间隙化合物：两组元间电负性相差大，且/≥0.59所形成化合物具有复杂的晶体结构。
半导体材料第9章II--VI VI族化合物半导体 族化合物半导体
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
ZnO P型掺杂至今仍存在的问题
1997年出现了第一篇ZnO实现P型掺杂的报道，但掺 杂效果还不能达到制作注入型发光器件的要求(Jpn.
J. Appl. Phys. 36, L1453, 1997)
尝试了各种可能的杂质源和掺杂办法，但都不理
想，至今仍存在空穴浓度偏低、迁移率偏低、掺杂
Cd CdS 2.4eV CdSe 1.67eV CdTe 1.6eV Hg α-HgS 2.1eV HgSe 0eV HgTe -0.15eV
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
元素
S
Se
Te
Zn ZnS 3.6eV ZnSe 2.7eV ZnTe 2.26eV
Cd CdS 2.4eV CdSe 1.67eV CdTe 1.6eV Hg α-HgS 2.1eV HgSe 0eV HgTe -0.15eV
Co
Pb Co Cu
Co Cu
Cl
Cu Al
I
Mn
Cl
ZnS自然界中稳定存在的是 闪锌矿结构（β相）1020℃ 相变为纤锌矿结构（α相）
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半导体材料
ZnS作为电子显示和发光材料，其发射光谱和发光 效率都可以通过掺杂和晶粒尺寸的控制加以调制
ZnS的量子尺寸效应： ¾ 禁带宽度也随尺寸减小而展宽，3nm ZnS粉体的禁
4. 光电导探测器，CdS,ZnSe
5. 太阳电池，CdS/CdTe其理论转换效率为30%，已开 始大规模产业化
6. 热/红外探测 HgCdTe/CdTe
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
ZnS
作为一种用途广泛的电致发光材料，ZnS的突出特点是 其发光光谱会因掺杂元素的不同而变化。其色彩由红至 蓝可以覆盖整个可见光范围（最近还有掺稀土元素）
第9章金属原子簇和金属-金属键
Mo6S84–
9.1.4 无配体金属原子簇
无配体金属原子簇(non-ligang
metal ciuster)也称为裸原子簇(naked
cluster)，能够形成这类原子簇的多是
p区金属元素。
若干无配体金属原子簇
ⅢA ⅣA ⅤA
Ga32-, Ga68-, 第四周期 Ga 711
In32-, In48-, 第五周期 In 9-, In 75 11
每个Nb为40/6, 同样很难用18或
16e规则描述。
如果把12个Cl-去掉，则6个Nb还剩 下16个价电子。八面体有八个面，相当 于每个面只有2个e-，即形成的是三中心
2e- 键。
Nb
Nb 2eNb
Synthesis and Structural Characterization of Compounds Containing the [Zr6Cl18H5]3Cluster Anion. Determination of the Number of Cluster Hydrogen Atoms Linfeng Chen, F. Albert Cotton,* and William A. Wojtczak
Inorg. Chem. 1997, 36, 4047-4054
9.1.3 金属—硫原子簇
在金属—硫原子簇中，存在一类硫
代金属原子簇，其中硫原子取代了部
分金属原子的位置，并与金属共同组
成原子簇的多面体骨架。
在硫代金属原子簇中核心部分具有
M4S4形式的原子簇倍受重视。
S Fe
Fe Fe S S S Fe
(4)分解反应
Fe3(CO)12 ＋6 PPh3
3 Fe(CO)4(PPh3)2
无机化学(上册)：第9章 化学键与分子结构 习题答案
第9章化学键与分子结构习题1. 根据AgX晶格能理论值与实验值差别判断Ag-X共价键成分递增顺序。
AgF AgCl AgBr AgI实验值（kJ·mol-1）951 902 887 886理论值（kJ·mol-1）925 833 808 7742．从Cr原子的价层结构3d54s1来看，Cr失去1个4s电子后成为3d5半充满构型。
这种结构似应是稳定的，因而似应有CrX (X ＝F、Cl、Br、I)化合物存在，但实际上却未能制备出这类化合物。
理论计算CrCl晶格能为758 kJ·mol-1，已知金属Cr的升华能（397 kJ·mol-1）、Cl-Cl键的键能（242.6 kJ·mol-1）、Cr的第一电离能（653 kJ·mol-1）、Cl的第一电子亲合能（348.6 kJ·mol-1）。
设计CrCl的玻恩－哈伯热化学循环，计算CrCl(s)的标准摩尔生成焓（∆f H m o）。
另已知反应2CrCl（s）＝CrCl2（s）＋Cr（s）的标准摩尔自由能变为-486 kJ·mol-1。
比较说明CrCl稳定性，解释上述事实。
3.4. 温度为298 K时，已知（1）H2=2H(g), Δr1H m o= 436 kJ.mol-1，（2）O2=2O(g), Δr2H m o= 498 kJ.mol-1，（3）H2O(g)=2H(g)+ 2O(g), Δr3H m o= 930 kJ.mol-1 求：反应H2 (g)+½ O2 (g)= H2O (g) 的Δr H m o。
5. 写出下列分子的Lewis结构式：CF4、OF2、HCN、CO、NSF6. 写出下列离子的Lewis结构式：CF3+、C22-、PH2-、BH4-7. 乙炔的标准生成焓为226.6 kJ.mol-1，H-H、C-H键键能D H-H、D C-H分别为436 kJ.mol-1、415 kJ.mol-1，石墨的升华能∆sub H(C(s)) 为717 kJ.mol-1，求C≡C的键能D C≡C。
西安交通大学-2019年-硕士研究生 804材料科学基础考试大纲-01
《材料科学基础》（804）考试大纲一、《材料科学基础》（804）参考教材如下：
石德珂编著，《材料科学基础》第二版，机械工业出版社，2003二、《材料科学基础》考试大纲
第一章材料结构的基本知识
1、原子结构
2、原子结合键
3、原子排列方式
4、晶体材料组织
5、材料的稳态结构与亚稳态结构
第二章材料中的晶体结构
1、晶体学基础
2、纯金属的晶体结构、
3、离子晶体的结构
4、共价晶体的结构
第三章高分子材料结构
1、概述
2、高分子链的结构与构象
3、高分子的聚集态结构
4、高分子材料的性能与结构
第四章晶体缺陷（本章对位错的能量与交互作用不做要求）
1、点缺陷
2、位错的基本概念
3、位错的能量及交互作用。
第九章半导体异质结结构
面的时悬挂键密度为
Ns
4
3
a22 a12 a12a22
(9-8)
同理（110）晶面，悬挂键密度为
Ns
4
2
a22 a12 a12a22
(9-9)
School of Electronic Engineering & Optoelectronic Techniques
同理（110）晶面，悬挂键密度为
School of Electronic Engineering & Optoelectronic Techniques
如果从一种半导体材料向另一种半导体材料得过渡只发生 于几个原子范围内，则称为突变型异质结。如果发生于几 个扩散长度范围内，则称为缓变形异质结。 1.不考虑界面态时的能带图 （1）突变反型异质结能带图
d
2V1 ( x) dx2
qN A1
1
x1 x x0
d 2V2 (x) qND2
dx2
2
x0 x x2
将(9-15)(9-16)积分一次得
dV1(x) dx
qN A1x
1
C1
x1 x x0
dV2 (x) dx
qN D 2 x
2
C2
x0 x x2
(9-15) (9-16)
(9-28) (9-29) (9-30) (9-31)
School of Electronic Engineering & Optoelectronic Techniques
交界面处引入界面态。
9.1.2 突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度
以突变pn异质结为例
设p型和n型半导体中的杂志都是均匀分布的，则交界面两 边的势垒区中的电荷密度可以写成
材料科学基础-习题
/jxtd/caike/这个网址有很多东西,例如教学录像,你可以上去看看,另外左下角有个“释疑解惑”，应该很有用第一章材料结构的基本知识习题1．原子中的电子按照什么规律排列?什么是泡利不相容原理?2．下述电子排列方式中，哪一个是惰性元素、卤族元素、碱族、碱土族元素及过渡金属?(1) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2(2) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6(3) 1s2 2s2 2p5(4) 1s2 2s2 2p6 3s2(5) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2(6) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s13．稀土元素电子排列的特点是什么?为什么它们处于周期表的同一空格内?4．简述一次键与二次键的差异。
5．描述氢键的本质，什么情况下容易形成氢键?6．为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高?7．应用式(1-2)~式(1-5)计算Mg2+O2-离子对的结合键能，以及每摩尔MgO晶体的结合键能。
假设离子半径为；；n=7。
8．计算下列晶体的离子键与共价键的相对比例(1) NaF(2) CaO9．什么是单相组织?什么是两相组织?以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。
10．说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。
11．归纳并比较原子结构、原子结合键、原子排列方式以及晶体的显微组织等四个结构层次对材料性能的影响。
第二章材料中的晶体结构习题第三章高分子材料的结构习题1．何谓单体、聚合物和链节?它们相互之间有什么关系?请写出以下高分子链节的结构式：①聚乙烯；②聚氯乙烯；③聚丙烯；④聚苯乙烯；⑤聚四氟乙烯。
2．加聚反应和缩聚反应有何不同?3．说明官能度与聚合物结构形态的关系。
要由线型聚合物得到网状聚合物，单体必须具有什么特征?4．聚合物的分子结构对主链的柔顺性有什么影响?5．在热塑性塑料中结晶度如何影响密度和强度，请解释之。
材料物理化学-第九章 固态相变
湖南工学院
四、按动力学分类 若按动力学特征进行分类，固态相变中的扩散型相变可分为： (1)脱溶转变，这是由亚稳定的过饱和固溶体转变为一个稳定的或亚稳定的 脱溶物和一个更稳定的固溶体，可以表示为： 。 (2)共析转变，共析转变是指一个亚稳相由其它两个更稳定相的混合物所代 替，其反应可以表示为：
2
1 / T2ຫໍສະໝຸດ P 2 / T
2
P
； ；
2
1 / T P 2 / T P
2
（9－2）
上面一组式子也可以写成：
材料物理化学
湖南工学院
1 2 ； S 1 S 2 ；V 1 V 2 ； C P 1 C P 2 ； 1 2 ； 1
间的界面能。通常是以低指数的、原子密度大的匹配较好的晶面彼此平行，构成 确定位向关系的界面。通常，当相界面为共格或半共格时，新相与母相必定有位 向关系；如果没有确定的位向关系，则两相的界面肯定是非共格的。 (8)为了维持共格;新相往往在母相的一定晶面上开始形成。这也是降低界面 能的又一结果。 应特别指出，温度越低时，固态相变的上述特点越显著。 二、马氏体转变 马氏体(Martensite)是在钢淬火时得到的一种高硬度产物的名称， 马氏体转变 是固态相变的基本形式之一。在许多金属、固溶体和化合物中可观察到马氏体转 变。 一个晶体在外加应力的作用下通过晶体的一个分立体积的剪切作用以极迅速 的速率而进行的相变称为马氏体转变。这种转变在热力学和动力学上都有其特
材料物理化学
湖南工学院
1 2
1 / T P 1
2 / T
P
（9－1）
工程材料学第9章 陶瓷材料
四、陶瓷的典型组织结构
包括三种相：晶体相、玻璃相、 包括三种相：晶体相、玻璃相、气相 1.晶体 1.晶体 晶体相是陶瓷的主要组成相， 晶体相是陶瓷的主要组成相，主要有 硅酸盐、氧化物和非氧化合物等。 硅酸盐、氧化物和非氧化合物等。它们 的结构、数量、形态和分布， 的结构、数量、形态和分布，决定陶瓷 的主要性能和应用。 的主要性能和应用。硅酸盐是是陶瓷组 织中重要的晶体相， 织中重要的晶体相，结合为离子键与共 价键的混合键。 价键的混合键。 陶瓷在室温下的组织
（1）原料制备 矿物原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨细得到坯料。 矿物原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨细得到坯料。 （2）坯料成形 ） 将坯料加工成一定形状和尺寸并有一定机械强度和致密度的半成 包括可塑成形（如传统陶瓷） 注浆成形（如形状复杂、 品 。 包括可塑成形 （ 如传统陶瓷 ） ， 注浆成形 （ 如形状复杂 、 精 度要求高的普通陶瓷）和压制成形（如特种陶瓷和金属陶瓷） 度要求高的普通陶瓷）和压制成形（如特种陶瓷和金属陶瓷）。 （3）烧成与烧结 ） 干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、 干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、化学变化而成瓷 的过程。 烧成是使坯件瓷化的工艺（ 的过程 。 烧成是使坯件瓷化的工艺 （ 1250℃～ 1450℃） ； 烧结是 ℃ ℃ 指烧成的制品开口气孔率极低、而致密度很高的瓷化过程。 指烧成的制品开口气孔率极低、而致密度很高的瓷化过程。 （4） 陶瓷烧结的后处理 ） 表面施釉：是通过高温加热， 表面施釉：是通过高温加热，在陶瓷表面烧附一层玻璃状物质使 其表面具有光亮、美观、绝缘、防水等优异性能的工艺方法。 其表面具有光亮、美观、绝缘、防水等优异性能的工艺方法。 （5）陶瓷的加工 ） 为改善烧结后的陶瓷制件的表面光洁度、 为改善烧结后的陶瓷制件的表面光洁度、精确尺寸或去除表面 缺陷等，常利用磨削、激光以及超声波等加工方法对其进行处理 工方法对其进行处理。 缺陷等 ， 常利用磨削 、 激光以及超声波等加 工方法对其进行处理 。
材料科学基础(上海交大)--第9章
第9章 材料的亚稳态
9.0 概述
9.1 纳米晶材料
9.2 准晶态 9.3 非晶态材料 9.4 固态相变形成的亚稳相
重点和难点
• 纳米晶材料的结构和性能特点；
•
•
纳米晶材料的制备；
准晶结构和性能特点；
•
•
准晶的制备；
非晶态结构及其形成；
•
•
非晶态材料性能；
高聚物的玻璃化转变；
•
力，既决定于冷却速度也决定于合金成分
合金成分与形成非晶能力的关系是一个十分复
杂的问题，目前还未能得出较全面的规律，除了
从熔体急冷可获得非晶态之外，晶体材料在高能 幅照或机械驱动（如高能球磨、高速冲击等剧烈
形变方式）等作用下也会发生非晶化转变，即从
原先的有序结构转变为无序结构（对于化学有序
的合金还包括转为化学无序状态），这类转变都
性。目前非晶合金最令人注目的是其优良的磁
学性能，包括软磁性能和硬磁性能。
一些非晶合金很易于磁化，磁矫顽力甚低，且 涡流损失少，是极佳的软磁材料，其中代表性的是 Fe-B-Si合金。此外，使非晶合金部分晶化后可获 得10～20nm尺度的极细晶粒，因而细化磁畴，产 生更好的高频软磁性能。有些非晶合金具有很好的 硬磁性能，其磁化强度、剩磁、矫顽力、磁能积都 很高，例如 Nd－Fe－B非晶合金经部分晶化处理 后（14～50nm尺寸晶粒）达到目前永磁合金的最 高磁能积值，是重要的永磁材料。
b．二维准晶
它们是由准周期有序的原子层周期地堆垛而构
成的，是将准晶态和晶态的结构特征结合在一起。
c．二十面体准晶
A类二十面体多数是铝一过渡族元素化合物，
而B族极少含有过渡族元素。
石德珂《材料科学基础》配套题库-章节题库(固体材料的电子结构与物理性能)【圣才出品】
第9章固体材料的电子结构与物理性能一、简答题1．简明解释为什么晶格中两个电子可以由吸引作用而形成库柏对。
答：电子间通过交换格波声子而产生间接的相互作用，例如波矢为的电子发射一个波矢为的声子被散射到波矢为的状态，第二个电子本来的波矢为，吸收了第一个电子发射的声子进入波矢为的状态。
另一过程是第一个电子吸收一个由第二个电子发射的波矢为的声子而由k1散射到第二个电子则从散射到，按照量子理论，如果能量差是声子角频率），则相互作用能为负，即电子间具有净的吸引作用而形成库柏对。
显然，只有在费密面附近的是德拜角频率）范围内的电子才能满足上述条件。
2．（1）写出固体热导率的定义和公式。
（2）指出传导热流的元激发。
（3）指出在低温和高温下热导率对温度的依赖关系，并描述在这两个区间内的主要物理过程。
答：（1）固体热导率的定义为：单位温度梯度所引起的热量流密度，即式中的系数k，在非金属固体热导率的表示式为式中，c为固体热容；为声子的平均速度；l为声子的平均自由程。
（2）传导热流的元激发为声子。
（3）对于金属，其热导率通常由晶格热导率k a（由声子贡献）及电子热导率k e（由自由电子贡献）两部分所组成，即式中，以典型值代入后得因此，典型金属的热导率主要由自由电子贡献，即式中，le为电子平均自由程，依赖于电子-声子散射过程。
所以式中，为温度为T时的平均声子数。
在高温区：，则，所以，，与温度无关。
在低温区：，则，所以，在极低温区：声子数很少，主要是杂质散射，是杂质密度）与t无关，所以3．示意画出n型半导体电导率随温度的变化曲线，并用能带理论定性解释上述曲线。
答：（1）如图9-1所示。
图9-1（2）n型半导体中的载流子包括掺杂的施主电子及本征半导体固有的电子和空穴，但施主电子跃迁所需克服的能垒E d小于本征电子和空穴跃迁所需克服的能垒E g/2。
①温度较低时，本征电子和空穴的热激活跃迁几率很小，而施主电子跃迁几率较大且随温度升高而呈指数增大，此时电导率主要由掺杂的施主电子提供。
第9章稀土元素-习题答案
第九章稀土元素【习题答案】9.1 什么叫内过渡元素？什么叫镧系元素？什么叫稀土元素？解：内过渡元素：指镧系和锕系元素，位于f区，也称为内过渡元素。
镧系元素：从57号元素镧到第71号元素镥，共15种元素，用Ln表示。
稀土元素：是15个镧系元素加上钪（Sc）和钇（Y），共计17个元素。
9.2 从稀土元素的发现史，你能得到何种启示？解：请阅读“9.1.1 稀土元素的发现”一节的内容，体会科学研究的精神。
9.3 稀土元素在地壳中的丰度如何？主要的稀土矿物有哪些？世界和我国的稀土矿藏分布情况如何？解：稀土元素在地壳中的丰度如下表所示：元素名称Sc Y La Ce Pr Nd Pm Sm 丰度/g·t－1 5 28.1 18.3 64.1 5.53 23.9 4.5×10－20 6.47元素名称Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 丰度/g·t－1 1.06 6.36 0.91 4.47 1.15 2.47 0.20 2.66 0.75主要的稀土矿物有独居石、氟碳铈矿、磷酸钇矿等。
我国稀土资源极其丰富，其特点可概括为：储量大、品种全、有价值的元素含量高、分布广。
已在18个省市发现蕴藏各类稀土矿，储量占世界已探明稀土矿藏的55％左右。
南方以重稀土为主，内蒙古以轻稀土为主。
在内蒙古包头市北边白云鄂博，称为“世界稀土之都”，储量占全国储量70％以上。
国外稀土资源集中在美国、印度、巴西、澳大利亚和俄罗斯等国。
9.4 如何从稀土矿物中提取稀土元素？解：从稀土矿物中提取稀土元素主要包括三个阶段：（1）精矿的分解：利用化学试剂与精矿作用使稀土元素富集在溶液或沉淀中，与伴生元素分离开来。
方法可分为干法和湿法。
（2）化合物的分离与纯化：从混合稀土氧化物或混合稀土盐中分离出单一的稀土元素。
方法有分级结晶法、分级沉淀法、选择性氧化还原法、离子交换法、溶剂萃取法等。
（3）稀土金属的制备：通常采用熔融盐电解和热还原法。
材料中的电子结构和能带理论
材料中的电子结构和能带理论在我们日常生活中，我们经常使用各种各样的材料，包括金属、陶瓷、塑料等，这些材料在不同的场合下都有着不同的性能和用途。
这种多样性与材料的电子结构密不可分。
电子结构是指描述材料中电子在能量上的分布情况，能带理论则是解释电子结构的重要工具之一。
首先，我们来了解一下材料中的电子结构。
根据波粒二象性理论，电子既可以被看作粒子，又可以被看作波动。
当电子在材料中运动时，其波动性质会受到材料晶格结构的约束。
晶格结构是指材料中原子或分子的周期性排列。
在晶体材料中，电子的波动性质可以通过布洛赫定理来描述。
布洛赫定理指出，在理想晶格结构中，电子的波函数可以通过一个平面波和一个能带结构来描述。
接下来，我们来了解一下能带理论。
能带理论认为，在晶体中，电子的能量是分化为不同的能带的。
能带是指在晶体结构中具有相似能量特征的电子态的集合。
根据电子的能量对称性，能带又可以被分为价带和导带。
价带是指材料中占据态较高，并且用于电子传导的带，而导带则是指材料中未被占据的带，用于形成电子空穴、电子束运输等。
能带理论不仅能够描述材料中电子的能量分布情况，还可以解释材料的导电性、绝缘性和半导体性质。
对于导电性材料，其导带中存在着大量的自由电子，可以形成电子流，从而实现导电现象。
而对于绝缘性材料，其导带与价带之间存在着较大的能隙，电子无法跃迁到导带中，因此无法导电。
而半导体材料则介于导电性材料和绝缘性材料之间，其导带与价带之间的能隙较小，外加一定的能量激发后，电子可以跃迁到导带中，实现半导体材料的导电特性。
通过能带理论，我们可以进一步理解材料的性能和特性。
例如，对于金属材料来说，其导带与价带之间的能隙较小，导致电子处于一个自由状态，因此金属具有高的电导率和热导率。
而对于绝缘性材料来说，其导带与价带之间的能隙较大，使得电子不易跃迁到导带中，因此绝缘体在电流和热传导方面表现较差。
半导体材料则具有中间的能带结构，可以通过外加电势或激发能够实现电子的传导，因此半导体材料被广泛应用于电子行业。
半导体物理 第九章 第十章
其中，Eg1、Eg2分别为两种半导体材料的禁带宽度(Eg2>Eg1), χ1、χ2分别为两种半导体材料的电子亲和势(χ1>χ2)。而 且有：
∆Ec + ∆Ev = E g 2 − E g1
以上三式对所有突变异质结普遍适用 普遍适用。 普遍适用
14
异质结能带边失调值不仅与半导体材料固有结构有关， 还与两种半导体界面态、界面的晶向有关，这一切又往 往与制备工艺有关； 由于各种原因，使实际得到的异质结能带边失调值常有 很大差异，再加上实验测量方法的误差，也很难用实验 测量值来检验能带边失调值的理论计算的正确性； 通常需要对实验测量值进行严格的挑选，挑选那些界面 晶格结构非常完整，界面晶向是非极性界面的，并采用 最可靠实验测量方法（例如光电子谱 光电子谱测量方法）得到的 光电子谱 实验数据去与理论计算值进行比较。
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9.6.2 双异质结激光器
该激光器在1970年制成。 年制成。 该激光器在 年制成
一、 结构
或n-GaAs
x值范围为 值范围为 0.1～0.5
该结构中由AlxGa1-xAs和GaAs 界面构成波导的两个壁
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二、 四层材料的禁带宽度和折射率
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三、 能带图
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优点：比单异质结激光器的阈值更低， 四、 优点：比单异质结激光器的阈值更低，效率更 高，寿命更长
形成p-n异质结之前和之后的理想平衡能带图 形成 异质结之前和之后的理想平衡能带图
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电荷区（即势垒区或耗尽区）。n型半导体一边为正空间电 荷区，p型半导体一边为负空间电荷区，由于不考虑界面 态，所以在势垒区中正空间电荷数等于负空间电荷数。正 负空间电荷间产生电场，也称为内建电场，方向n→p，使 结区的能带发生弯曲。 (2) “尖峰”和“尖谷” 尖峰” 尖谷” 由于组成异质结的两种半导体材料的介电常数 介电常数不同， 介电常数 各自禁带宽度不同，因而内建电场在交界面是不连续的， 导带和价带在界面处不连续 不连续，界面两边的导带出现明显的 不连续 “尖峰”和“尖谷”，价带出现断续，如上图所示。这是 异 质 结与同质结明显不同之处。
《有机电子学》思考题及答案1
《有机电子学》思考题及答案第一章：引言1. 如何使高分子材料具有导电性？掺杂高分子的导电机制是什么？必须在碳原子之间存在交替的单-双键（π共轭）结构。
掺杂导体的本质是材料分子中的电子被移出（即氧化）而产生空穴，或者电子被引入（还原）而产生电子，可在材料介质中沿分子移动，产生导电性。
2.什么是有机材料？所谓有机材料，通常指由碳氢氧氮几种元素以共价键形式构成的分子材料，少数还含有卤素、硫、磷。
有机材料中分子与分子之间主要是通过范德华力、分子间偶极作用等分子间作用力相结合。
3. 根据复杂性的不同，请将有机材料分类，并对每类材料做简要说明。
有机*一般分为：小分子、聚合物、生物分子。
小分子相对分子质量小于100聚合物相对分子质量一般在10000以上。
相对分子质量介于小分子和聚合物之间还存在一种大分子有机化合物。
小(大)分子具有明确的分子量，是单一物质。
根据结构特点又可分为：共轭非共轭分子、含金属元素的有机金属配合物、有明确重复单元的寡聚物、星型化合物、树状物。
聚合物也称高分子，是由碳氢氧氮等组成的结构单元为单体，通过多次重复连接而成。
一般为混合物，具有分子量分布。
固、液、气状态的变化一般不明显生物分子是结构最为复杂的有机物。
4.与无机半导体材料相比，简述有机半导体材料的优点。
（1）有机材料在可见光区域有很好的吸收特性，消光系数很大，使得基于这类材料的光检测器以及光伏器件的活性层可以很薄。
因此通过激光产生的能量不必穿过很长的距离就可以被检测或被收集，这就降低了生产工艺中对材料化学及结构完美性的要求。
（2）很多荧光有机染料表现出比其他吸收光谱大大红移的发射光谱。
因此有机电致发光器件可以几乎没有再吸收损失。
又有机材料的折射率低，使电致发光器件避免了无机发光二极管的再吸收和光折射损失的缺点。
（3）有机半导体中的前沿电子饱和，而非晶无机半导体材料中存在大量的空悬键。
因此在无序有机体系中本征缺陷的浓度远远低于非晶无机半导体。
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材料科学基础
之
第 9 章 固体材料的电子结构与物理性能
当价带和导带间有能隙为Eg，有外界激发源使价带中的电子跃迁到导带， 电子在高能态不稳定，只停留很短的时间（10－8s左右）就自发地返回低 能级的价带中，并相应地发出光子，其波长为：λ＝hc/ Eg，一旦外界激发 源去除，发光现象很快消失——之称为荧光 另一类材料，含有杂质或缺陷，如ZnS中含有少量的铜、银、金，或ZnO 中含有极微过量的Zn，微量杂质在能隙中引入施主能级，被激发到导带 中的电子在返回价带之前先落入了施主能级并被俘获住停留一段较长时间， 电子在逃脱这个陷阱之后才返回价带的低能级，并相应地放出光子，其 λ ＝hc/ (Eg－Ed) 由于这种发光能持续一段较长时间，故称之为磷光 磷光和荧光的分界是激发源去除后，发光时间短于10－8s的为荧光，时间 长于此的为磷光
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之
第 9 章 固体材料的电子结构与物理性能
关于激光（即受激发射光） 关于激光（即受激发射光） 材料在外界光子的作用下，电子从低能级E1跃迁到E2，此为光的吸收过程 而原处于高能态的电子在外界光的作用下又返回低能级（图9－24）， 图中A电子从 2返回E1并放出一个光子 图中 电子从E 返回 电子从 hν＝E2－E1， 此即为受激辐射 此即为受激辐射 如果没有外界光子的作用， 外界光子的作用 如果没有外界光子的作用， 电子也可自发从高能级跃迁到低能级并产生辐射，此之为自发辐射 电子也可自发从高能级跃迁到低能级并产生辐射，此之为自发辐射 的光子才能引起受激辐射，其特点是： 只有能量为 hν＝E2－E1 的光子才能引起受激辐射，其特点是： 如果一个能量为h 的光子引发了受激辐射， 如果一个能量为 ν 的光子引发了受激辐射，其产生的光子也是 hν ，这样与原 的光子，让这两个光子继续去引发， 来的一个光子一起就有了两个能量都是 hν 的光子，让这两个光子继续去引发， 就可得到更多相同能量的光子 与普通光源不同，受激辐射光由入射光引发而产生， 与普通光源不同，受激辐射光由入射光引发而产生，位相偏振等都与入射光相 因此能有较好的相干性。 同，因此能有较好的相干性。 但在外界光子引发受激辐射的同时也发生吸收过程， 但在外界光子引发受激辐射的同时也发生吸收过程，且在通常情况下外界光子 光子引发受激辐射的同时也发生吸收过程 被吸收的可能性更大，引发受激辐射的可能性则很小， 被吸收的可能性更大，引发受激辐射的可能性则很小，此因处于低能态原子很多
如对硅和锗（能隙分别为 ），较短波长的光 如对硅和锗（能隙分别为1.1eV和0.7eV），较短波长的光（如可 和 ），较短波长的光（ 见光）不能透过，较长波长的光（如红外光）则可以透过。 见光）不能透过，较长波长的光（如红外光）则可以透过。
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之
第 9 章 固体材料的电子结构与物理性能
对于掺杂半导体，只要光子的能量大于施主和受主的能级， 对于掺杂半导体，只要光子的能量大于施主和受主的能级，就会产生吸收 概括来说，绝缘体和半导体能透过长波长的光，因而是透明的， 概括来说，绝缘体和半导体能透过长波长的光，因而是透明的，然而杂 质和缺陷可减少光子的透过 一些杂质会产生施主和受主的能级，另一些缺陷（气孔、晶界等） 一些杂质会产生施主和受主的能级，另一些缺陷（气孔、晶界等）会使 光子被散射， 光子被散射，都会使材料变得不透明 结晶聚合物就比无定形聚合物更易吸收光子， 结晶聚合物就比无定形聚合物更易吸收光子，因此是不透明的 金属吸收光子后价带电子激发到导带，然后又立即回落到能量较低的稳 金属吸收光子后价带电子激发到导带， 定态，并发射出与入射光相同波长的光子束， 定态，并发射出与入射光相同波长的光子束，因此金属具有反光性 即使是透明材料， 即使是透明材料，入射光子束也会发生一些反射
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第 9 章 固体材料的电子结构与物理性能
如果光子不与材料缺陷有交互作用，绝缘材料就是透明的，如玻璃、 如果光子不与材料缺陷有交互作用，绝缘材料就是透明的，如玻璃、 高纯度的结晶陶瓷和无定形聚合物都是这种情况。 高纯度的结晶陶瓷和无定形聚合物都是这种情况。 对半导体而言，其能隙小于绝缘体，如果是本征半导体， 对半导体而言，其能隙小于绝缘体，如果是本征半导体，当入射的光 子能量大于能隙，价带中的电子就被激发到导带中去—— ——本征吸收 子能量大于能隙，价带中的电子就被激发到导带中去——本征吸收
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9.5 材料的热学性能
——包括热容、热膨胀和热导 包括热容、 包括热容
9.5.1 摩尔热容
——1mol的材料温度升高 ℃或1K所需要的热量，常以摩尔定压热容cp 或 的材料温度升高1℃ 所需要的热量， 的材料温度升高 所需要的热量 摩尔定容热容cv 表示 实验证实， 都趋于一个恒定值， 实验证实，任何材料在较高温度时cv 都趋于一个恒定值， cv ＝3R＝25J⋅mol－1⋅⋅K－1 ＝ ⋅ 金属材料在室温以上其cv就很快接 近3R 陶瓷材料则要在1000℃左右才趋于 陶瓷材料则要在 ℃ 3R（右图） （右图） 只有在低温时材料的热容才很快地 降低 材料的热容除以其摩尔质量， 材料的热容除以其摩尔质量，就是 材料的比热容 金属材料可根据摩尔热容（ 金属材料可根据摩尔热容（cv ＝25 J⋅mol－1⋅⋅K－1）计算其比热容 ⋅
光束的反射率为： 光束的反射率为：
n− 2 − 1 × 100 R= + n+1
n 为折射率，可见折射率大的材 为折射率， 料有较大的反光性
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9.4.2 材料的发光性能 材料吸收外界能量后，其中部分能量 以频率在可见光范围内向外发射—— 发光 固体在平衡态（稳态）下并不发光， 只有外界以各种形式的能量使固体中 的电子或空穴处于激发态后才可能有 发光现象 对于金属，价带和导带重叠，没有 能隙，光吸收后发射光子的能量很小， 其波长大于可见光的波长，因此不显 发光现象 对于一些陶瓷和半导体材料，能隙 大小与可见光子能量相当，就可产生 发光
光束照射到某种材料上时，将产生光的反射与折射、光的吸收与透射 光束照射到某种材料上时，将产生光的反射与折射、 不同的材料会有不同的光吸收行为 金属中，因为价带与导带是重叠的，之间没有空隙，因此不管入射光的能 金属中，因为价带与导带是重叠的，之间没有空隙， 电子都可以吸收它而跃迁到一个新的能态上去， 量 hν是多少 ，电子都可以吸收它而跃迁到一个新的能态上去，所以金属能吸 收各种波长的光，因此金属是不透明的。 收各种波长的光，因此金属是不透明的。 对大多数绝缘体材料 在价带与导带之间有大 的能隙， 的能隙，电子不能获得 足够的能量逃逸出价带， 足够的能量逃逸出价带， 因此也就不能发生吸收
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第 9 章 固体材料的电子结构与物理性能
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第九章 固体材料的电子结构 与物理性能（二） 与物理性能（
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第 9 章 固体材料的电子结构.4.1 光的吸收与透射
光子的能量为： 光子的能量为： E＝hν ＝ h c λ 式中， 为普克朗常数 为普克朗常数（ 式中，h为普克朗常数（6.62×10－34J/s） ） 为光的频率； 为光速 为光速（ ，ν 为光的频率；c为光速（3 × 108m/s)
随着温度的上升， 随着温度的上升，振荡的增强 向右方移到了，即增大了两原 向右方移到了， 子间的距离， 子间的距离，从而显示出热膨 胀现象——由此说明材料的热 由此说明材料的热 胀现象 膨胀是由于原子的非简谐振动 （从而是非线性振动）产生的。 从而是非线性振动）产生的。
还说明， 图9－27还说明，如原子间的结合能大，则势能曲线的能谷越 － 还说明 如原子间的结合能大， 低或势阱越深，即热膨胀就越困难， 低或势阱越深，即热膨胀就越困难，给定温度下的热膨胀系数 就越小，材料的熔点是结合能大小的标志，熔点越高的金属， 就越小，材料的熔点是结合能大小的标志，熔点越高的金属， 其线膨胀系数 αλ 就越小
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9.5.2 热膨胀
双原子模型讨论热膨胀规律 设两个原子中的一个固定在原点， 下图）， ），离开平衡位置的 设两个原子中的一个固定在原点，另一个原子的平衡位置为γ0（下图），离开平衡位置的 表示， 位移以 χ 表示，即位移后的位置为 γ ＝ γ0 ＋ χ ， 两个原子相互作用的势能为 如对γ0 展开
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第 9 章 固体材料的电子结构与物理性能
要维持连续不断的受激辐射，只有让高能级的原子数大于低能级的原子数， 要维持连续不断的受激辐射，只有让高能级的原子数大于低能级的原子数，才可 使受激辐射的几率大于吸收几率——产生激光的必要条件 产生激光的必要条件——粒子数反转 使受激辐射的几率大于吸收几率 产生激光的必要条件 粒子数反转 实现粒子数反转不容易，因为外来光束使低能级原子激发到高能态， 实现粒子数反转不容易，因为外来光束使低能级原子激发到高能态，其在高能态 只能维持10 左右， 只能维持 －8s左右，然后就自发迁回至低能态 左右 后来人们发现有的氦氖氩以及稀有元素钕（ ）、铬锰等， ）、铬锰等 后来人们发现有的氦氖氩以及稀有元素钕（Nd）、铬锰等，它们有特殊的亚稳 态能级，即原子在这种高能级上驻留较长时间而不发生跃迁， 态能级，即原子在这种高能级上驻留较长时间而不发生跃迁，此即为实现粒子反 转提供可能 右下图是Al 红宝石激光器中 的跃迁和受激辐射的能级变化 的跃迁和受激辐射的能级变化， 右下图是 2O3红宝石激光器中Cr的跃迁和受激辐射的能级变化，E2即为其 亚稳态， 亚稳态，在最初平衡态各能级的粒子 数 n1 > n2 > n3 ， 在E2能级的原子可维持较长时间（ 能级的原子可维持较长时间（ 3×10－3s），这样就可不断地把低能 × ），这样就可不断地把低能 ）， 粒子搬到能级E 级（E1）粒子搬到能级 2上，最后达 如此便产生了激光， 到了n 到了 2>n1，如此便产生了激光，但还 是短寿命和微弱的。 是短寿命和微弱的。 经过光谐振器使光子不断增殖， 经过光谐振器使光子不断增殖，最后 产生很强的相位相同的单色光。 产生很强的相位相同的单色光。