1、第2章 超導材料一.超導電性：當溫度下降到某一值(Tc)時，材料的電阻突然消失。 超導體：在某一溫度下能呈現出超導電性的材料。 二.超導體的分類 按磁化特性不同分為： 1.第一類超導體（除V、Nb以外的金屬） 第一類超導體又稱軟超導體。只存在一個臨界磁場Hc，當外磁場H<Hc時，呈現完全抗磁性，體內磁感應強度為零。 2.第二類超導體（V、Nb及合金、化合物、高溫超導體等）第二類超導體也稱硬超導體，具有兩個臨界磁場，分別用Hc1（下臨界磁場）和Hc2（上臨界磁場）表示。當外磁場H< Hc1時，具有完全抗磁性，體內磁感應強度處處為零。外磁場強度滿足Hc1 H< Hc2時，超導態和

2、正常態同時并存，磁力線通過體內正常態區域，稱為混合態或渦旋態。外磁場H增加時，超導態區域縮小，正常態區域擴大，H> Hc2時，超導體全部變為正常態。3. 超導材料的基本性質與理論基礎 材料具有超導性能的必要條件：邁斯納效應和零電阻效應。1. 零電阻超導體處于超導態時（臨界溫度以下）電阻完全消失。若用它組成閉合回路，一旦回路中形成電流，則電路中沒有能量損耗，不需要任何電源補充能量，電流可以持續下去。2. 邁斯納效應（完全抗磁性） 超導體處于超導態時，不管有無外磁場存在，超導體內磁感應強度總是等于零。在外磁場中，處于超導態的超導體內磁感應強度為零的特性稱為超導體的完全抗磁性，這種現象被稱為超

3、導體的邁斯納效應。四超導體超導的三個條件；超導材料只有同時滿足三個條件才能處于超導態： T < Tc ：溫度小于臨界溫度； H < Hc：磁場小于臨界磁場； I < Ic ：電流小于臨界電流；五 BCS理論(1) BCS理論表述：超導電性源于固體中電子的配對，而電子配對的相互吸引作用源于電子和晶格振動間相互作用，即交換虛聲子； 配對發生在自旋相反動量和為零的兩個電子間，即動量凝聚。(2) 兩點結論：進入超導態的電子發生了深刻變化；晶格起重要作用，電-聲決定性。第3章 半導體材料1 根據物質的導電性質，將它們分為導體，絕緣體，以及介于這兩者之間的半導體三大類。二半導體的分類（按

4、雜質類型分，按導電類型分）；1.按是否含有雜質：本征半導體和雜質半導體完全純凈、結構完整的半導體晶體稱為本征半導體。存在電子和空穴兩種載流子。但電子數目n和空穴數目p一一對應，數量相等，np。雜質以替位的形式存在于鍺、硅晶體中，由此而形成的半導體稱為雜質半導體。如果對純凈半導體摻入適當的雜質，也能提供載流子。把提供導帶電子的雜質稱為施主；而將提供價帶空穴（即接收價帶電子）的雜質稱為受主。2. 按導電類型：N型半導體和P型半導體在摻施主的半導體中，由于施主電離，使p<n，電子導電占優勢，因而稱之為N型半導體。施主雜質亦稱N型雜質。 在摻受主的半導體中，由于受主電離，使p>n，空穴導電

5、占優勢，因而稱之為P型半導體。受主雜質亦稱P型雜質。當半導體中既有施主雜質，又有受主雜質時，半導體的導電類型就主要取決于摻雜濃度高的雜質。當施主數量超過受主時，半導體就是N型的；反之，受主數量超過施主則為P型的。三半導體的電學特性 1.負電阻溫度系數：即隨著溫度的升高，電阻值下降。 2.整流效應：在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導通，這就是半導體的整流效應。 3.光電導效應：光電導是指由光照引起半導體電導率增加的現象。 4.光生伏特效應：發現晶體硒和金屬接觸在光照射下產生了電動勢，這就是半導體光生伏特效應。 5.霍爾效應：通有電流的導體在磁場中受力，發現在垂直于

6、磁場和電流的方向上產生了電動勢，這個電磁效應稱為“霍爾效應”。四硅和鍺的制備方法1.物理提純：不改變材料的化學組成進行提純。（1）區熔提純：利用分凝現象將物料局部熔化形成狹窄的熔區，并令其沿錠長從一端緩慢地移動到另一端，重復多次使雜質盡量被集中在尾部或頭部，進而達到使中部材料被提純的技術。 影響區熔提純的三個因素：熔區長度、熔區移動速度、區熔次數的選擇（2）拉單晶法：是生長半導體單晶的主要方法。在直拉單晶爐內，向盛有熔硅（鍺）坩堝內，引入籽晶作為非均勻晶核，然后控制熱場，將籽晶旋轉并緩慢向上提拉，單晶便在籽晶下按籽晶的方向長大。在工藝流程中，最為關鍵的是拉晶過程，它又分為潤晶、縮頸、放肩、等徑

7、生長、拉光等步驟。2.化學提純：把元素先變成化合物進行提純，再將提純后的化合物還原成元素。 萃取提純法：利用混合液在某溶劑中的溶解度的差異，萃取分離。 精餾提純法：利用混合液中各組分的沸點不同來達到分離各組分的目的。第4章 電介質材料一.電介質1.電介質：是指以感應方式而不是以傳導的方式來傳遞電信號的物質。 2.電介質極化：電介質在電場作用下產生感應電荷，也稱束縛電荷的現象稱為電介質的極化。3.極化過程：在外電場作用下，電介質會發生極化、電導、介質損耗和擊穿等物理過程。4.電介質跟絕緣體、導體的區別：絕緣體是指能夠承受較強電場的電介質材料，而電介質除了絕緣特性而外，主要是指在較弱電場下具有極化

8、能力，并能在其中長期存在電場的一種物質。與金屬不同，材料內部沒有電子的共有化，從而不存在自由電子，只存在束縛電荷，即通過極化過程來傳遞和記錄電子信息。與此同時伴隨著各種特征的能量損耗過程。因此，電介質能夠以感應而并非傳導的方式來傳遞電磁場信息。 二.介電損耗 電介質的極化速度有限，當電介質上加交變電場時，電位雖也以同樣的角頻率振動，但其相位落后于所加電場的相位，導致出現相位差角（稱為電介質損耗角），即存在一定的弛豫時間。由上述原因所造成的能量損耗叫介電損耗（亦稱介質色散）。介電損耗影響因素：交流電頻率、串聯等效電阻、電容量損耗大在低頻下使用，損耗小在高頻下使用。3. 電介質極化的基本類型按微觀

9、機制，歸納為以下幾種基本形式，即電子位移極化、離子位移極化、偶極子取向極化、空間電荷極化及自發極化等。1. 電子位移極化 電介質中原子、分子和離子等任何粒子，在電場作用下都能感生一個沿電場方向的感應偶極矩。這是由于在電場的作用下，粒子中的電子云相對于原子核發生位移而引起的。 該極化存在于一切介質中。 電子位移極化建立的時間很短，約在10-1410-16s范圍。表明，若所加電場為交變電場，其頻率即使高達光頻(100-1000THz)，電子位移極化也來得及響應。2. 離子位移極化 在離子晶體和玻璃等無機介質中，正負離子處于平衡狀態，其偶極矩的矢量和為零，但在電場作用下，這些離子除產生電子位移外，離

10、子本身還將發生可逆的彈性位移。正離子沿電場方向移動，負離子沿反電場方向移動，形成感應偶極矩，這就是離子位移極化。 離子位移極化對外電場的響應時間也較短，比電子位移極化慢2-3個數量級，與離子在平衡位置的固有振動頻率相當。3. 偶極子取向極化 非晶態極性有機電介質的分子或分子鏈節具有一定的固有偶極矩，可把它們看成是偶極子。在電場作用下，偶極分子或鏈節受到電場轉矩的作用，驅使它們沿電場方向取向。但熱運動卻使分子作混亂排布，起解除取向作用。分子間相互作用也阻礙極性分子在電場方向的取向。一定溫度和電場作用下，達到一個新的統計平衡狀態。在新平衡狀態下，偶極子在空間各方向的幾率不再相同，沿電場方向取向的大

11、于其他方向，在電場方向形成宏觀偶極矩。若組成介質的分子是極性的，其本身就存在固有偶極矩。雖在無外電場作用時，熱運動 使偶極分子混亂取向，介質在各個方向上的分子偶極矩矢量和為零，但在外電場作用下，偶極分子將沿電場方向偏轉定向，這時電介質內部分子偶極矩的矢量和就不再是零，整個電介質對外感生出宏觀偶極矩。4. 空間電荷極化 離子型結構電介質中存在一些弱束縛離子，如外來摻雜離子或處于晶格缺陷位置上的離子。位能稍高，不穩定，易受熱而激活。 在外電場作用下，除了部分構成電導外，另一部分可能不足以越過所有阻隔它們運動的勢壘，只能在一個不大區域內越過一些較低的勢壘，從一個平衡位置遷移到另一個平衡位置。 熱離子

12、位移極化建立的時間較慢，約為10-2S。 當外加電場頻率較高時，極化的改變就滯后于電場的改變。這種現象稱為“極化馳豫”。5. 自發極化 當介質中存在少量自由電荷載流子（正負離子和電子）時，在外電場作用下，載流子將遷移而使介質有微小的漏導電流。實際介質往往結構不均勻，各相間的介電性能也不完全相同，因而載流子可能被阻止在這些相界面上，形成空間電荷的局部積累，使介質中電荷分布不均勻，產生電矩，發生極化。建立的時間很長，從幾分之一秒到幾個小時，一般在直流和低頻下出現，極化時將消耗能量。某些晶體具有特殊的結構，其晶胞本身的正負電荷重心不相重合，即晶胞具有極性。由于晶體構造的周期性和重復性，當某一晶胞在某

13、一方向出現偶極矩時，將逐漸影響到與之相鄰的其他晶胞，使之也在同一方向出現偶極矩。這種極化狀態是在外電場為零時自發建立起來的，因而稱為自發極化。具有相同極化方向的自發極化區域稱為電疇。每個電疇都有一定的固有電矩（電偶極矩的簡稱，是電荷系統的極性的一種衡量），在一般情況下，各個電疇的電矩方向是各不相同的，各電疇的電矩相互抵消，介質對外不顯極性。當外加電場后，各電疇將沿電場方向轉向，從而顯示出強烈的極化效應。由自發極化產生的介電常數非常高，電疇隨電場轉向的時間也很長，且消耗電場能量。與理想介質不同，實際電介質中總是或多或少地存在著一定量的能夠自由遷移的帶電粒子，在無外電場時，它們作紊亂的熱運動，因此

14、不形成電流。當加上不高的外電場后，這些載流子受到電場力的作用，便在不規則的熱運動上疊加了沿電場力方向的定向遷移，從而形成電流，不過這種電流很小，故稱為漏導電流或漏導。4. 電介質的擊穿 當電場強度超過某一臨界時，介質由介電狀態變為導電狀態。這種現象稱為介電強度的破壞，或叫介質的擊穿。主要擊穿類型有電擊穿和熱擊穿。五.電容器的介質材料 1.絕緣材料：如紙、玻璃、陶瓷、云母、有機薄膜等。2.介電氧化膜：由鋁、鉭、鈮等閥金屬表面生成。六.鐵電材料鐵電材料，在外加電場不存在時具有自發極化，且自發極化的方向可以被外加電場所改變。材料的極化強度和電場之間存在像鐵磁體那樣的B-H磁滯回線，稱為“電滯回線”。

15、介電常數特別高，也稱為“強介材料”或“強介體”。 最具代表性的鐵電材料是BaTiO3和以其為基的材料，它同時也是壓電材料。七.鐵電、熱釋電、壓電、介電晶體之間的關系 在壓電晶體中，有一部分存在自發極化，可能具有熱釋電性，為熱釋電晶體。 在熱釋電晶體中，有些晶體其自發極化方向能隨外電場方向反向而反向，這類晶體為鐵電體。 具有鐵電性的晶體，必具有熱釋電性和壓電性。具有熱釋電性的晶體，必具有壓電性，卻不一定具有鐵電性。 壓電晶體、熱釋電晶體、鐵電晶體均屬電介質晶體。八.壓電效應 正壓電效應：當在某一特定方向對晶體施加應力時，在與應力垂直方向兩端表面能出現數量相等、符號相反的束縛電荷，這一現象被稱為“

16、正壓電效應”。 逆壓電效應：當一塊具有壓電效應的晶體置于外電場中，由于晶體的電極化造成的正負電荷中心位移，導致晶體形變，形變量與電場強度成正比。第5章 磁性材料1. 電子磁矩 1.電子磁矩：由電子運動所產生的磁矩稱為電子磁矩。由電子軌道磁矩和電子自旋磁矩（主要）兩部分組成。 2.磁性的來源：電子磁矩就是物質磁性的主要來源。2. 材料的磁性1.順磁性：有些材料在受到外加磁場H的作用后，其感生的磁化強度M跟的方向相同，即 >。呈弱磁性。順磁性物質的原子或分子都具有未填滿的電子殼層，故都具有未被抵消的電子磁矩，從而有一個固有的總磁矩。但這些物質的原子或分子磁矩之間相互作用十分微弱，熱運動很易使

17、原子或分子磁矩的方向雜亂無章，對外作用相互抵消，物體在宏觀上不表現磁性。然而，在外磁場作用下，原子或分子磁矩便微弱地轉向外磁場方向排列，由此而對外顯示出微弱的磁性。2.鐵磁性： 有一類材料在一定溫度以下，只要很小的外加磁場作用就能被磁化到飽和， > 0。呈強磁性。鐵磁性材料的主要特征有如下幾個：（1） 很易磁化，在不強的磁場下就可磁化到飽和狀態，且相應的飽和磁化強度很高。（2） 鐵磁性物質的磁化強度和外磁場不呈線性關系，當反復磁化時，磁化強度與磁場強度的關系是一閉合曲線，稱為磁滯回線。（3） 鐵磁性物質的磁性與溫度有關。當溫度增加時，磁化強度逐漸減小。存在一轉變溫度Tp ，當T> Tp 時，鐵磁性消失，轉變為順磁性。3.鐵磁性與順磁性的根本區別在于： 鐵磁性材料內存在自發磁化，而順磁性材料內則無此現象。三.磁滯回線 磁滯回線形成的根本原因在于磁性材料的不可逆磁化。 一般磁性材料都有相應的磁滯回線，但由于磁特性的不同，其磁滯回線的形狀也有很大的差異。常用的軟磁材料與硬磁材料的磁滯回線比較圖。4. 軟磁材料 磁滯回線窄而長，起始磁導率高，矯頑力小。在較低的外磁場下就能夠產生高