材料电学性能unit2-浙江大学材料物理性能笔记
材料磁学性能unit3-浙江大学材料物理性能笔记
3.1.磁学概论磁偶极子：类似于电偶极子，在磁性材料中由南极和北极组成一个磁偶极子磁矩：Pm=IS静磁能：U = −PB对于通电的密绕螺线管，若螺线管高为l、线圈匝数为N、通过的电流为I，则螺线管内所产生的磁场强度H为：H=NI/lB=μH (μ为磁导率) μr=μ/μ0（相对磁导率）μ0=4π×107-H/mB=μ0（H+M） M为磁化强度（A/m）与H单位相同M=∑Pm/VM=χHμr=1+χχ为磁化率（无量纲）物质的磁性本源是电荷的运动原子磁性包括：电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子核磁矩磁矩的最基本单位是玻尔磁子μB，μB=9.27×1024-A·m2物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起“交换”作用：处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生的特殊相互作用，参与这种相互作用的电子已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了。
原子间好象在交换电子，故称为“交换”作用当原子间距Rab与未被填满的电子壳层半径r比Rab/r>3时，交换能H为正值，就呈现出铁磁性当Rab/r<3时，交换能H为负值，为反铁磁性根据物质磁化率，可以把物质的磁性大致分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性抗磁性：磁化方向与外加磁场方向相反，即当磁化率χ或磁化强度M为负时，固体表现为抗磁性。
抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永久磁矩顺磁性：在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，材料显示极弱的磁性。
磁化强度M与外磁场方向一致，M为正，而且M严格地与外磁场H成正比χ = C /T C为居里常数，磁化率很小铁磁性：无论是否施加外磁场，都具有永久磁矩，且在无外加磁场或较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度反铁磁性：由于“交换”作用为负值，电子自旋磁矩反向平行排列。
在同一子晶格中有自发磁化强度，电子磁矩是同向排列的，在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。
材料热学性能unit1-浙江大学材料物理性能笔记
1．1.晶格振动热容，热膨胀，热传导等热学性能都与晶格振动相关。
相邻原子的相位差：ak. a 为晶格常数，K 为相位差常数（波数/波矢）。
热激发时，每个原子在平衡位置附近振动，会通过邻近原子以行波的形式在晶体内传播，这种波称为格波格波: λ=2π/K ，v=w/KK ∈（-π/a, π/a ）——>布里渊区——>保证Xn 单值性①波矢K 取值的有限性格波的特性 ②存在色散关系：当λ>>a ，晶格可看成连续介质，格波可看成弹性波 K 很大时，波长很短，介质不能看成连续③波矢取值的分立性周期性边界条件：边界对内部原子振动状态的影响。
声子：把量子化的格波看成的某种微粒。
晶格振动能量=∑各声子的能量一维复式格子与一维单式格子的不同点是一个波矢对应两个独立的频率，存在两种色散关系。
波矢K 的取值需要限制在[-π/2a ，π/2a]之间，这个范围就是一维双原子链的布里渊区 w1:K=+π/2a w1max=1/2m β；K=0，w1min=0.w2:K=+π/2a w2min=2/2m β；K=0，w2max=)21/()212m m m m +（β.=u /2β u 为折合质量ω2：处于光频范围(红外区)，光频支或光频波ω1：以声波形式出现的驻波，声频支或声频波声学波与光学波的区别。
前者是相邻原子的振动方向相同，波长很长时，格波为晶胞中心在振动，可以看作连续介质的弹性波；后者是相邻原子的振动方向相反，波长很长时，晶胞中心不动，晶胞中的原子作相对振动(ω1)max 和(ω2)min 之间的频率区间不存在格波，故称为“禁止”频率（或能量）区。
质量比（M/m ）愈大，两支波之间频率间隙Δω愈宽一维单原子晶格： N 个原子组成，晶胞数为N ，波矢K 可取N 个不同值，自由度共有N 个(每个原子的自由度是1 )有N 个晶格振动频率（1个波矢K 对应1个振动频率）一维双原子晶格： 2N 个原子组成，晶胞数为N ，波矢K 可取N 个不同值，自由度共有2N 个(每个晶胞的自由度是2 )有2N 个晶格振动频率（1个波矢K 对应2个振动频率）因此有：晶格振动波矢数= 晶体所包含的原胞数晶格振动频率数= 晶体自由度数在恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界做功，所以温度每提高1K需要吸收更多的热量，即CP > CV,固体热容与晶格振动有关。
第二章 材料的电学性能(下)
下半部分
电位升高 电子能级降低 （费米能级）
接触前：逸出功小的电子能量大；反之，电子能量小 接触后：电子从能量大的状态向能量较低处过渡，两金属费米能级 持平，并且形成内建电场阻止电子进一步的扩散。
第一节 接触电性 接触电效应，是指两种不同材料接触时引起的与它们未接触 独立存在时不同的电效应。它是相当广泛的一类效应，包括 金属-金属、金属-半导体、金属-电解液、P型-N型半导体、 金属-氧化物-半导体（MOS）接触等众多的效应。其本质是 载流子在不同的物体接触状态下表现出的各种效应。 (1) 金属-金属接触电效应 金属电子的逸出功:
固体受光照后从其表面逸出电子的现象称为外光电效应。 光具有波粒二象性，外光电效应乃是光的粒子（光子）性的表现。
光生伏特效应 半导体受光照时产生电动势（或电位差）的现象称为光生伏特效应。
（a）丹倍效应
（2）内光电效应 光电导效应
光生伏特效应
光电导效应
半导体受光辐射，电导率增加而变得易于导电， 此现象称为光电导效应。
未加外场，各畴的电偶极矩取向不同， 因此宏观极化强度为0； 在外场作用下，也称人工极化（驻极） 后，每个晶粒趋于单畴化，并且电偶极 矩尽可能平行外电场方向。
第六节 光电性 某些物质受到光照后，引起物质电性发生变化，这种光致
电变的现象称为光电性。 光子——被吸收，或改变频率与方 向；电子----发生能量和状态的变化。 （1）外光电效应
P、N型半导体交界处形成空 间电荷层及内建势场。 空间电荷层相当于一个势垒，多 子要想进入极性相反另一区域必 须提供能量。
光子在P区、结区、N区产生光 生电子-空穴对，在内建电场的 作用下，如果少子扩散距离x小 于其扩散长度Ln，少子漂移到 结的两边，建立一个与原内建 场相反的电位差。
材料物理性能期末复习考点
材料物理性能期末复习考点
1.力学性能
-弹性模量：描述材料在受力后能恢复原状的能力。
-抗拉强度和屈服强度：材料在受拉力作用下能够承受的最大应力。
-强度和硬度：表示材料对外界力量的抵抗能力。
-延展性和韧性：描述材料在受力下发生塑性变形时的能力。
-蠕变：材料在长期静态载荷下发生塑性变形的现象。
2.电学性能
-电导率：描述材料导电的能力。
-电阻率：描述材料导电困难程度的量。
-介电常数和介电损耗：材料在电场中储存和散失电能的能力。
-铁电性和压电性：描述材料在外加电场或机械压力下产生极化效应的能力。
-半导体性能：半导体材料的导电性能受温度、光照等因素的影响。
3.热学性能
-热导率：描述材料传热能力的指标。
-线热膨胀系数：描述材料在温度变化下线膨胀或收缩的程度。
-热膨胀系数：描述材料在温度变化下体积膨胀或收缩的程度。
-比热容：描述单位质量材料在温度变化下吸收或释放热能的能力。
-崩裂温度：材料在受热时失去结构稳定性的温度。
4.光学性能
-折射率：描述光在材料中传播速度的比值。
-透射率和反射率：描述光在材料中透过或反射的比例。
-吸收率：光在材料中被吸收而转化为热能的比例。
-发光性能：描述材料能否发光以及发光的颜色和亮度。
-线性和非线性光学效应：描述材料在光场中的响应特性。
以上是材料物理性能期末复习的一些考点，希望能帮助到你。
但需要注意的是，这只是一部分重点，你还需要结合教材和课堂笔记，全面复习和理解这些概念和原理。
祝你考试顺利！。
材料物理性能——电学性能
p 1 q 2
pq 1
• c1、c2为质量百分数。
c11 c2 2
c1 c2 1
两相片状组织
导电方向
c11 c2 2
导电方向
c11 c2 2
导电性的测量
• 电桥法（单电桥，双电桥－克服附加电阻） • 直流电位差计测量法（消除连线电阻和接触电阻） • 半导体电阻的测量（四探针法） • 绝缘体电阻的测量（电容和冲击检流计测量法）
• 回火能促使偏聚区的形成。 • 加热到高温或进行强烈的冷加工，使偏聚区消失，可降低
电阻率。 • 铝铜合金。加热到单相区固溶；淬火形成过饱和单相固溶
体；加温时效，析出GP区、θ’’，θ ’等。 • 可用电阻分析法研究铝合金的时效过程。
铝合金在180℃时效5 秒钟，铜原子的偏聚
金属化合物的导电性
马基申定律
• 低浓度下固溶体电阻
(T ) (T ) c
• (T )溶剂电阻（晶格热振
动，电子散射），与温度 有关，绝对零度时为零。
• 残余电阻（合金原子，
空位、间隙原子及位错 等），与温度无关。
• 低浓度下溶质原子引起的残余电阻与温度无关，固溶体的 电阻温度系数低于纯金属，而固溶体电阻率随温度变化的 斜率与纯金属相同。
无外加电场，PN区内无电流。
PN结的单向导电性
外加正向电压， PN区内建电位差减小，空穴和自由电子的扩散和漂移的平 衡被打破，扩散大于漂移，产生P指向N的正向电流。U越大，电流越大。
外加反向电压， PN区内建电位差增大，扩散小于漂移，以致与停止。但产 生N指向P的反向电流。由于是少子产生，故电流极小。
评价超导材料的性能指标：
材料物理性能
2.本征半导体的迁移和电阻率
自由电子和空穴热运动，在外电场的作用下做定 向漂移运动，形成电流。漂移过程中不断碰撞，有一 定的漂移速度。 迁移率：单位场强下，载流子的平均漂移速度。
分别用μn和μP分别表示自由电子和空穴的迁移率。
（1）迁移率与外电场强成正比。 （2）自由电子的迁移率较空穴高。 （3）能带宽度大的迁移率低。 本征半导体电阻率：
金属导体的能带分布特点:无禁带 导带 价带 价 带 （ 导 带 ）
第一种：价带和导带重叠。 第二种：价带未被价电子填满，价带本身就是导带。
这两种情况下的价电子就是自由电子，所以金属 即使在温度较低的情况下仍有大量的自由电子，具有 很强的导电能力。
非导体的能带分布特点:有禁带
在绝对零度时，满价带和空导带，基本无导电能力。
绝缘体:
禁带宽度大。在室温下，几乎没有价电子能跃迁 到导带中去，故基本无自由电子和空穴，所以绝缘体 几乎没有导电能力。
2.4 金属的导电性
2.4.1 金属导电的机制与马基申定律
金属导电的机制： 经典理论 在外电场的作用下，自由电子在导体中定向移动。 量子理论
在外电场的作用下，自由电子以波动的形式在晶 体点阵中定向传播。
2.8.2 半导体中的能量状态—能带
原子结合状态：价电子共有的共价键。 以Si为例：
单原子能级：3s2 3p2 ,3p 中有4个电子空位。
若有 N 个原子的无缺陷硅单晶：
能带：共价键结合后，能级分裂成满带和空带
满带： 4N 个价电子全部占满，能量 EV 。 空带：有 4N 个空位，没有电子，能量 EC 。 禁带：
2.5.2 金属化合物的导电性
两种金属的原子形成化合物 时，由于原子键合的方式发生本 质变化，使得化合物的电阻较固 溶体大大增大，接近于半导体的 导电性。 原因 部分结合方式由金属键变为 共价键或离子键。
浙大 材料的性能复习资料汇总资料
第五章 材料的变形5.1材料的拉伸试验1）屈服平台或不连续塑性变形对应的应力称为屈服强度。
2）形变强化段试样所能承受的最大应力称为抗拉强度。
3）试样中某处突然变小，发生所谓的“颈缩”现象。
4）脆性是指材料在断裂前不产生塑性变形的性质。
5）塑性表示材料在断裂前发生永久变形的性质。
6）材料的强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力。
7）材料的塑性大小表示材料断裂前发生塑性变形的能力（可用伸长率和断面收缩率表示）。
材料脆性的大小可用材料的弹性模量和脆性断裂强度表示。
8）材料的韧性指断裂前单位体积材料所吸收的变形能和断裂能，即外力所做的功。
包括三部分能量：弹性变形能、塑性变形能、断裂变形能。
玻璃态9）高分子 高弹态粘流态高分子拉伸曲线：<< T g ——>应力与应变成正比直至断裂。
[T b （脆化温度），T g （玻璃化温度）]——>出现屈服点后应力下降。
略低T g ，应变增加，直至断裂> T,无屈服点，应变很大。
g5.2材料的其他力学试验1）弯曲试验三点弯曲试验时：试样总在最大弯矩附近处断裂。
四点弯曲试验时：在两加载点间，试样受到等弯矩的作用，试样通常在该长度内的组织缺陷处发生断裂，因此能较好地反映材料的性质，结果较准确。
指标：挠度、抗弯强度。
陶瓷材料拉伸试验困难，通常采用弯曲试验，用抗弯强度表征力学性能弯曲试验不能测试高塑性材料，可测脆性材料、陶瓷、灰铸铁及硬质合金。
2）压缩试验常用于测定脆性材料。
塑性材料压缩时只发生压缩变形而不断裂，压缩曲线一直上升。
指标：抗压强度、相对压缩率、相对断面扩张率。
试样高径比越大，抗压强度越低。
端面需光滑平整，相互平行，减小摩擦。
3）扭转试验○1可用于测定在拉伸时表现为脆性的材料，如淬火低温回火钢的塑性。
○2扭转曲线不出现拉伸时的颈缩现象，因此可用此测定高塑性材料的变形抗力和变形能力。
○3可明确区分材料的断裂方式，正断或切断：对于塑性材料，断口与试样轴线垂直，断口平整并有回旋状塑性变形痕迹，这是由切应力造成的切断。
材料物理材料的电学性能
编辑版ppt材料物理1来自主要内容6.1 导电性 6.2 超导性 6.3 热传导与热电效应 6.4 材料的介电性能
编辑版ppt
2
6.1 导电性
6.1.1 自由电子近似下的导电 6.1.2能带理论下的导电性 6.1.3导电性与温度的关系 6.1.4电阻率与杂质的关系 6.1.5 霍尔效应 6.1.6电导功能材料
6
实际晶体的电子是以布洛赫波传导，电子的能量分布服从 费米—狄拉克统计。
对于自由电子近似，电子处于
动量空间(Px，Py，Pz)中，从原点
开始，每个体积中依次占有两个电 子，n个电子处于填满球形的状态。
这个球称为费米球，球表面称 为费米面，球表面上的电子能量(最 大的电子能)称为费米能。
自由电子模型的费米球和 费米-狄拉克分布函数
编辑版ppt
13
(2)二价元素 IIA 族碱土金属Be, Mg, Ca, Sr, Ba和IIB族Zn, Cd, Hg
价带s 电子充满，应为绝缘体。但在三维晶体，能带交叠， 费米能级以上无禁带，导体。
编辑版ppt
14
(3)三价元素 IIIA 族Al, Ga, In, Tl，s电子充满，p电子半充满，导体。
编辑版ppt
7
➢在有限温度下，热激发引起球面混乱，即电子的占有几率 服从费米—狄拉克统计分布：
1 F (E) e(EEF )/ kT 1
➢热激发引起的电子占有几率小于1的能量幅为kT(T＝300K时 为0.025eV)。 ➢费米能为几个ev，因此，即使在有限温度，费米球混乱也只 在最表面。
编辑版ppt
2Lm
2
kF o
d 2E dk 2
dk
2Lm
2
材料光学性能unit4-浙江大学材料物理性能笔记
材料光学性能unit4-浙江大学材料物理性能笔记4.1.基本概论1）光介质材料能使光产生折射、反射或透射效应，以改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求在材料中传播，简之，光介质材料就是传输光线的材料光功能材料：在电、声、磁、热、压力等外场作用下，材料的光学性能会发生变化，或者在光的作用下其结构和性能会发生变化，如发光材料、激光材料、光导材料、磁光材料、非线性光学材料等光波是一种波长很短的电磁波，由电场分量和磁场分量组成，两个分量彼此互相垂直并都垂直于波的传播方向波动学说：c=1/00με 0ε=8.85x1012-F/m 0μ=4πx107-H/m微粒学说：E=hv2）光和固体的相互作用0 =?T +? A +? R 光辐射能流率（单位为W/m2）：表示单位时间内通过单位面积的能量τ+ α+ρ = 1 τ为透射率（?T/ ?0）；α为吸收率（?A/ ?0）；ρ为反射率（?R/ ?0）3）光和原子、电子的相互作用固体材料中出现的光学现象是电磁辐射与固体材料中原子、离子或电子之间相互作用的结果。
其中最重要的两种作用是电子极化和电子跃迁电子极化：随着电场分量方向的改变，诱导电子云和原子核的电荷中心发生相对位移电子跃迁：电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态跃迁到另一种能态的过程4）金属对可见光是不透明的：肉眼看到的金属颜色不是由吸收光的波长决定的，而是由反射光的波长决定的。
非金属材料对于可见光可能是透明的，也可能不透明。
折射：n= c/υ v=1/με n=1/00με大多数材料是非磁性的或磁性很弱r μ=1 n= r ε 透明介质的折射率是和材料的相对介电常数有关。
光和介质的相互作用主要就是介质中的电子在光波电场作用下作强迫振动。
绝缘体：σ->0 n->ε2/1r α->0 材料是透明的。
半导体：α=(1/ε2/1r )[σ/2w 0ε] 存在吸收，不透明。
金属材料：α= [σ/2w 0ε]，对光有强烈的吸收，不透明，反射比接近1，，光主要被表面反射，产生金属光泽。
材料物理性能
材料物理性能第一章材料热学性能一(热容的定义，热容的来源以及热容随温度的变化规律热容:是问题温度每升高1K，物质所需要增加的能量被称为热容。
热容的来源:温度升高导致原子热振动加剧，点阵离子振动以及体积膨胀需要向外做功，同时自由电子对热容也有贡献，但只在温度极端的情况下才发生。
热容随温度的变化规律:热容反映了材料从周围环境吸收能量的能力，不同温度时，热容不同。
定容热容与定压热容有相似规律。
当温度较高时，定压热容变化趋势平缓当温度较低时，定压热容与T3成正比;当温度趋于0K时，定压热容与T成正比;当温度等于0K是，定压热容也等于0K。
二(热容的德拜模型以及其局限性答:晶格点阵结构对热容的作用主要表现在弹性波的振动上，即波长较长的声频支的振动在低温下起主导作用，由于声频支的波长大于晶格常数，故可以将晶格看成是连续的介质，声频支也可以看成是连续的具有0-Wmax的谱带的振动。
由此，可导出定压热容的公式:Cv,m=12/5π4R(T/θD)3由此公式可得:1)当温度大于德拜温度时，即处于高温区，定压热容=3R，与实验结果相符合;2)当温度小于德拜温度时，定压热容与T3成正比，比爱因斯坦模型更接近于实验结果;3)当温差极低时(趋近于0K时)，定压热容趋近于0，大体与实验结果相符。
德拜模型的局限性:因为德拜模型把晶格点阵考虑成连续的介质，故对于原子振动频率较高的部分并不适用，故德拜模型对于一些化合物的计算与实验结果不相符;2)对于金属类晶体，忽略了自由电子的贡献，所以在极端温度条件下与实验结果不符;3)解释不了超导现象。
三(热膨胀的定义及其物理机制热膨胀:热膨胀是指随着温度的升高，材料发生体积或者长度增大的现象。
热膨胀的物理机制:随着温度的升高，晶体中的的原子振动加剧，相邻原子之间的平衡间距也随温度的变化而变化，因此温度升高产生热膨胀的现象。
四(热膨胀与其他物理量之间的关系。
热膨胀是原子间结合力的体现，原子间的结合力越大，热膨胀系数越小。
材料的电学性能分析
。
（1）满带电子不导电
E=0
E
E
由于满带
E
k
k
k和－k态：电子具有大小相同但方向相反的速度
hk v(k ) 2m
hk v(k ) 2m
k状态的电子电流密度：j=e×v(k)
-k状态的电子电流密度：j=e×v(-k) 对于整个满带来说：因为所有的量子态都被填充，外电场作 用下，总的电流为0
导体
106
电导率σ S/m
超导体：σ→∞
2.载流子
载流子： 电场作用下，电荷的定向长距离移动形成电流， 带有电荷的自由粒子称为载流子。
金属材料的载流子：自由电子 半导体中有两种导电的载流子：
自由电子 — 带负电 空 穴 — 带正电
无机材料中的载流子：离子（正、负离子）、电子、空穴
3.电导率的一般表达式
子上去，结果电子可以在整个晶体中运动。
• 电子共有化的原因：电子壳层有一定的交叠，相邻原子最 外层交叠最多，内壳层交叠较少。
+
N个原子逐渐靠近
能带（允带）——固体中若有N个原子，每个原子内的 电子有相同的分立的能级，当这N个原子逐渐靠近时， 原来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在， 从而只能分裂成N个非常靠近的能级，因为能量差甚小， 可看成能量连续的区域，称为能带。 禁带——允带之间没有能级的带。
I Sj
V LE
V I R
j :电流密度
E :电场强度
LE SJ R
L J E SR
L R S
J
1
E
J E
1
σ :电导率，
电阻率ρ、电导率σ是评价材料导电性的基本参数 半导体 绝缘体
材料物理性能-浙江大学材料科学与工程学院
材料物理性能（专业基础课）材料科学与工程学系材料与化学工程学院1钱国栋办公室：曹光彪大楼429房间电话：879523342关于本课程¾从学习中知道具体的真正的研究工作如何去做¾不难学，但是要认真听课¾考试不难，平时认真听课即可通过3绪论¾本课程的主要内容4材料的分类材料是有用的固体两大类：结构材料：利用材料的力学性能功能材料：利用材料的热、光、电、磁、化学等性能其它分类：晶态和非晶态；有机和无机；导电方式分类（金属、绝缘体、半导体）……5本课程的主要内容：功能材料的物理性能，即材料的热学性能、光学性能、电学性能、磁学性能课程学习的主线：材料的组成、结构决定了它的性能。
可以说，材料的各种性能均可在其不同层次的结构和组成上找到答案。
有的性能由组成所决定，有的取决于晶体结构，有的取决于缺陷结构，有的则取决于电子结构学习主线：物性与组成、结构之间的关系如何？或者说如何找出组成、结构是怎样支配材料的物性？6¾本课程任务及设置的目的掌握：材料物理性能与材料组成、结构、构造的关系回答：材料物理性能的物理本质或起源为什么不同的材料会表现出如此大的物理性能的区别：¾陶瓷或塑料的隔热性能要比金属好的多？¾金属的导电性能要优于陶瓷、玻璃或塑料？¾玻璃或塑料可以透明，而金属、陶瓷往往不透明？¾材料热性能与电性能有何关联？¾材料磁性能与质点种类、排列结构及电性能关联如何？¾……7课程目的：¾判断材料优劣¾改变材料性能¾正确选择和使用材料¾研究和开发新材料、新性能、新工艺8¾材料物性研究的方法或特点材料物性研究的方法可以分成两种：9从实验数据出发，建立经验方程，发展理论⎯归纳9从机理着手，即从反映物理本质的基本关系出发，建立物理模型，得到理论⎯推理通过以上两种方法的相互验证促进了材料科学的发展材料物性的研究：9阐明材料物性与材料宏观构造和微观结构的关系9取得材料结构和成分的宏观及亚微观方面的直接验证9¾本课程特点既对材料物性的普遍规律（共性）作简单介绍又兼顾不同材料特点，分别给以介绍物性的变化规律和具体材料结合起来学习10第一章材料热学性能热学性能：热容（Thermal content）热膨胀（Thermal expansion）热传导（Heat conductivity）等本章目的就是探讨热性能与材料宏观、微观本质关系，为研究新材料、探索新工艺打下理论基础1113固体气凝胶⎯俗称“冷冻烟雾”：人类已知产品的最小密度⎯多孔远离1300 o C 以上喷灯的高温可以经受住1公斤炸药的爆炸威力14应用之一：宇航员所穿的超级隔热太空服美国宇航局正在研制将固体气凝胶作为人类首次登陆火星时所穿的太空服的保温隔热衬里（预计于2018年派宇航员登陆火星）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 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)。
2.1.固体电子理论
1.经典自由电子学说
自由电子在晶体中的行为如同气体，故又称电子气体
困难：
1）实测的电子对热容的贡献比经典自由电子学说估计值小得多
2）实际测量的电子平均自由程比经典理论估计值大许多
3）绝缘体、半导体、金属导体导电性为何存在巨大差异
2.量子自由电子学说
电子的能量是不连续的，而是存在一准连续的能级
量子自由电子学说尚无法解释为何绝缘体、半导体、金属的导电性能存在巨大差异
量子自由电子学说的局限是忽略了周期势场的影响
态密度物理意义：单位能量范围内所能容纳的电子数
费米能表示0K时基态系统电子所占有的最高能级的能量, 可以认为费米能不随温度变化
3. 有了能带概念，就可以说明金属和绝缘体的区别，并且由能带理论预言了介于两者之间的半导体的存在
单电子近似:假定固体中的原子核不动，并设想每个电子是在固定的原子核的势场中及其它电子的平均势场中运动，这样就把问题简化成单电子问题，这种方法称为单电子近似
能带论:用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论
紧束缚近似:如果用相反的思维过程，即先考虑电子完全被原子核束缚，然后再考虑近似束缚的电子，也可以得到能带概念，这种方法称为紧束缚近似
原子基态价电子能级分裂而成的能带称为价带，相应于价带以上的能带（即第一激发态）称为导带
金属:热能（T>0K）或电场所产生的能量足以将大量电子激发成为自由电子
绝缘体与半导体:半导体与绝缘体的能带结构相同，差别仅在于禁带的宽度
价带顶部并无空能级，要产生自由电子和电子空穴必须使电子跨越禁带以进入导带，所需能量较大。
一般地，激发能量由热或光提供，而非由电场提供
非晶态：
扩展态：电子可在整个晶体中运动的电子态
定域化
定域态的能量被局限在一个范围内
迁移率边：扩展态和定域态之间有一个能量的分界
2.2.材料电导性能
电导率：σ=nze（v/E） n为单位体积电粒子数目
μ=v/E 迁移率μ（单位电场作用下带电粒子漂移速度）
σ=nzeμ
散射越弱，τ(松弛时间)越大，迁移率也就越高
晶格散射：晶格振动引起的散射。
温度↑，晶格振动↑，晶格散射↑对于低掺杂半导体：μ随T 升高而大幅度下降
电离杂质散射：电离杂质产生的正负电中心对载流子的吸引或排斥作用产生的散射。
温度↑，载流子运动速度↑，所受吸引和排斥作用的影响↓，散射作用↓对于高掺杂：μ随T升高变化小本征半导体：载流子只由半导体晶格本身提供，即电性由纯物质本身电子结构决定
本征电导：导带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存在的电导现象
特征：本征电导的载流子电子和空穴的浓度是相等的，载流子是由热激发产生的，载流子浓度与温度成指数关系
n=Nexp[-Eg/(2kT)] N为等效状态密度
可见，对于本征半导体，载流子浓度随禁带宽度的增加而快速减小，随温度增大而快速增加“多余”的电子所处杂质能级称为施主能级,掺入施主杂质的半导体称为n型半导体
空穴所处杂质能级称为受主能级，掺入受主杂质的半导体称为p型半导体
杂质半导体的载流子浓度与温度的关系也符合指数规律
本征电导率：σ=σ0exp[-Eg/(2kT)]
低温时，本征项起主要作用
高温时，杂质项起主要作用
离子导电：离子电导的微观机制为离子的扩散
影响因素：1）温度
2）晶体结构：Tm/结构紧密↑，晶体结合力↑，活化能↑，电导率↓
3）晶格缺陷：
热激活缺陷
不等价固溶缺陷
非化学计量比缺陷
在含有碱金属离子的玻璃中，基本上表现为离子电导
双碱效应：是指当玻璃中碱金属离子总浓度较大时（占玻璃组成25～30%），在碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。
当两种碱金属浓度比例适当时，电导率可以降到很低
压碱效应：是指含碱玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低。
相应的阳离子半径越大，这种效应越强
电子波的散射是金属中存在电阻的根本原因
导致散射原因：晶格振动，晶体缺陷
在一定的低温条件下材料突然失去电阻的现象称为超导电性
超导体两特性完全导电性
完全抗磁性
超导转变温度Tc：低于Tc时，超导体便出现完全导电和迈斯纳效应等基本特
三个性能指标临界磁场Bc：磁场高于Bc，磁力线穿入超导体，超导体被破坏，成为正常态临界电流密度Jc：Jc为保持超导状态的最大输入电流，输入电流密度JC所产生的磁场与外磁场之和超过BC，超导态遭到破坏
2.3.材料介电性能
电介质(或介电质)：电场作用下，能建立极化的一切物质（电绝缘物质）
电介质的极化：电介质在电场作用下产生感应电荷的现象
C=Sε/d εr大小反映了电介质极化的能力ε为介电常数
极化：介质内质点(原子、分子、离子)正负电荷中心的分离，转变成偶极子的现象极化的基本特征是介质内部感应出电偶极矩，介质表面出现宏观束缚电荷
电子位移极化
极化的种类有离子位移极化
固有电偶极子转向极化
D =ε
E =ε
0E + P P=ε
χ
e
E χ
e
=εr-1为介电磁化率
极化的基本形式可分为两种：
位移式极化：是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量，电子位移极化、离子位移极化属这种情况
松弛式极化：极化与热运动有关，完成这种极化需要一定的时间，而且是非弹性的，因而要消耗一定的能量，电子松弛极化、离子松弛极化属这种类型
1)电子位移极化：在外电场作用下，原子或离子外围的电子云相对于正电荷原子核发生位移形成的极化叫电子位移极化。
一切电介质中都存在，T↑εr↓表现为负温度系数
2)离子位移极化：由离子构成的电介质，在电场作用下，正负离子发生相对位移，产生感应
电偶极矩，即为离子位移极化
T↑εr↑，表现为正温度系数
3)材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱而无电偶极矩，在电场作用下，质点沿电场方向做不均匀分布而在一定的温度下形成电偶极矩，使介质发生极化。
这种极化具有统计性质，叫做热松弛极化
离子参加极化的几率远大于参加电导的几率
离子松弛极化率比电子位移极化率和离子位移极化率大一个数量级，因而导致较大的介电常数频率很高时，离子松弛极化来不及建立，只存在电子和离子位移极化。
因而介电常数随频率升高明显下降
外加电场力图使弱束缚电子的转移运动具有方向性，这就形成了极化状态。
这种极化与热运动有关，也是一个热松弛过程，所以叫电子松弛极化。
电子松弛极化的过程是不可逆的，必然有能量的损耗
弱束缚电子和自由电子也不同：不能自由运动，即不能远程迁移
4)转向极化主要发生在极性分子介质中，具有恒定偶极矩p0的分子称为极性分子
当极性分子受到外电场作用时，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致，介质整体出现宏观偶极矩，这种极化现象称为偶极子转向极化
转向极化一般需要较长时间，介电常数具有负温度系数
5)在电场作用下，不均匀介质内部的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起介质内各点离子密度变化，即出现电偶极矩，这种极化叫做空间电荷极化
空间电荷极化随温度升高而下降。
空间电荷的建立需要较长的时间
6)自发极化：每个晶胞里存在固有电偶极矩的晶体称为极性晶体
电介质损耗：Q越大，损耗越小
介质损耗的微观机理:
1）电导（漏导）损耗
电场频率w很小时，所有极化都能建立，ε最大
2）极化损耗w升高时，松弛极化减弱，ε会减弱
w很高时，ε趋于平衡
3）共振吸收损耗
当电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态，这种现象称介电强度的破坏，或叫介质的击穿，相应的临界电场强度称为介电强度，或称为击穿电场强度
电击穿：少数电导的电子在被加速，碰撞打出电子，或者说激发了价带中的击穿类型电子到导带上去了。
形成雪崩，产生电击穿
热击穿
局部放电击穿
2.4.材料铁电性能
机械作用使某些电介质晶体变形而发生极化，并导致介质两端表面出现符号相反的束缚电荷为压电效应
温度的变化也可使某些晶体产生极化，在其表面上产生数量相等符号相反的电荷为热释电效应铁电体：在一定温度范围内具有自发极化性质，并且自发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体
铁电性：铁电体所具有的自发极化性质
铁电晶体一定是极性晶体，但并非所有的极性晶体都具有这种自发极化可随外电场转动的性质铁电晶体可分为：有序－无序型铁电体和位移型铁电体
自发极化包括两部分：
1）直接由离子位移而产生，约占总极化的39％
2）由离子的电子云的形变而产生
出现自发极化的必要条件是：晶体结构不具有对称中心
不具有对称中心的晶体并非都有自发极化效应。
如CaTiO3
但在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向都相同，这个小区域称为铁电畴，两畴之间的界壁称为畴壁
铁电畴在外电场作用下，总是要趋向于与外电场方向一致，这形象地称作电畴的“转向”
人工极化：铁电畴在外电场作用下的“转向”，使得铁电材料具有宏观极化强度的工艺过程
剩余极化：当外加电场撤去后，有小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，大部分电畴则停留在新转向的极化方向上，使材料仍具有宏观剩余极化强度
PS：饱和极化强度或自发极化强度；Pr：剩余极化强度；EC：矫顽电场强度
还有一类物体在转变温度以下，邻近的晶胞彼此沿反平行方向自发极化，这类晶体叫反铁电体
当温度高于某一临界温度Tc，自发极化消失，我们称这一过程为铁电相到顺电相的转变，一般伴随结构相变。
这一临界温度Tc叫居里点或居里温度
这些能使居里温度改变的添加剂叫移峰剂
铁电体的极化强度和外加电压的关系是非线性的，即其介电常数不是一个常数，随外电场的增大而增大
铁电体的优点：介电常数可以很大。