./金剛石結構和閃鋅礦結構的異同：閃鋅礦結構除去由兩類不同原子占據著晶格的交替位置外,與金剛石結構是完全相同的。兩種不同原子之間的化學鍵主要是共價鍵,同時又具有離子鍵成分即混合鍵。因此閃鋅礦結構在半導體特性及電學、光學性質上除與金剛石結構有許多相同處外又有許多不同之處。能帶結構：1帶隙結構;直接帶隙：導帶底和價帶頂位于k空間同一點。間接帶隙：導帶底和價帶頂位于k空間不同點。2>導帶結構半導體材料的導帶結構是比較復雜的,對材料的性能和應用有明顯的影響,下面以Si、Ge、GaAs為例作簡單介紹：a>實驗發現GaAs的導帶底附近等能面形狀為球面,Ge、Si的等能面為旋轉橢球面。因此GaAs的許多性質<如電阻率、磁阻效應等>呈各向同性,可用標量表示,Ge、Si的許多性質呈各向異性。b>如果導帶極值不在k空間原點,按對稱性的要求,必然存在若干個等價的能谷,人們把具有數個能谷的半導體稱為多能谷半導體,如Ge和Si是典型的多能谷半導體。相反,如果導帶極值在k空間原點處,只有單個極值,人們把此種半導體稱為單能谷半導體,如GaAs為單能谷半導體。c>多能谷半導體可用來制作壓阻器件。如Si的導帶底處在〔100>方向,距原點約5/6處,因此它有6個對稱的等價能谷,且每個等能面為旋轉橢球面,電子的縱向有效質量大于橫向有效質量,因而沿橢球主軸方向的縱向遷移率小于垂直于主軸方向的橫向遷移率。當從x軸對N型硅施加壓力時,導帶結構發生變化,y軸和z軸上能谷的電子轉移到x軸上的能谷,由于有效質量變化,使x軸方向電導率減少,因此硅是制作壓阻器件的一種材料。d>存在多種能量極值的半導體材料,由于不同極值處導帶的曲率不同,而且其曲率與該處電子的有效質量成反比,則發生轉移電子效應。如GaAs的導帶在位于<100>方向的極值<可稱為子能谷>比位于k空間原點的極值<可稱為主能谷>高約0.36eV,而且前者電子的有效質量較大,遷移率較低,因此在強電場作用下,電子從原點極值轉移到<100>方向極值處時,利用此特性GaAs可以制作轉移電子器件。根據實驗表明InP是制作轉移器件的更好的材料。壓阻效應：即施加壓力而引起電阻值變化。因此具有明顯壓阻效應的材料可作壓力傳感器轉移電子效應：導電的電子從高遷移率的能谷轉移到低遷移率但有較高能量的亞能谷。載流子濃度：對于摻雜的非簡并半導體,可得導帶底的電子濃度為：n=N-exp[-<Ec-EF>/kBT]價帶頂的空穴濃度為：p=N+exp[-<EF-Ev>/kBTnp=N-N+exp[-<Ec-Ev>/kBT]=N-N+exp[-Eg/kBT]遷移率的物理含義：令在兩次碰撞之間電子作自由運動時,電場ε給電子的沖量等于該期間電子獲得的動量,即可得到電子的漂移速度,所以：即電子的漂移速度與外電場ε成正比,比例常數與馳豫時間及有效質量有關,該比例常數稱為電子遷移率μ。載流子的遷移率,即單位電場下載流子漂移的速度。它描述了外加電場對電子運動的影響程度晶格散射的影響：電離雜質的影響：當同時有幾種散射作用時,總的遷移率與各種遷移率關系為：1/=1/1+1/2+1/3+……一般只考慮晶格振動散射和電離雜質散射。載流子遷移率與摻雜濃度有關在一定溫度下,晶體中雜質較少時,電離雜質散射影響小,載流子遷移率數值平穩。摻雜濃度增加,電離雜質散射作用增強,載流子遷移率顯著下降。非平衡載流子：在外界作用下,材料中的電子濃度和空穴濃度都是偏離平衡值的,多出來的這部分載流子叫做非平衡載流子<過剩載流子>,通常用光注入或電注入方法產生非平衡載流子。p-n結的特性p-n結伏安特性指通過p-n結的電流與外加電壓的關系。正向偏壓下,電流隨偏壓指數上升,可達幾十安／厘米2-幾千安／厘米2；反向偏壓下,電流很小,且很快趨向飽和,即反向飽和電流僅幾微安／厘米2；當反向偏壓升到某電壓值時,反向電流急劇增大,稱為擊穿,其電壓為擊穿電壓。此伏安持性具有單向導電的整流性質擊穿特性是p-n結的一個重要特性,以擊穿電壓VB作為檢測器件是否合格的重要參數,同時也利用擊穿規律制作穩壓二極管、微波振蕩二極管等。擊穿特性是p-n結的一個重要特性,以擊穿電壓VB作為檢測器件是否合格的重要參數,同時也利用擊穿規律制作穩壓二極管、微波振蕩二極管等。雪崩擊穿的機理：當p-n結反向偏壓很大時,勢壘區電場增強,越過勢壘區的電子和空穴受到強電場作用,動能增大,若載流子在勢壘區獲得的動能大到足以引起碰撞電離的程度,就可以和原子碰撞,產生新的電子-空穴對,新的電子-空穴對再從電場中獲得動能,進一步產生電子-空穴對,這種連鎖過程稱為雪崩倍增,能夠迅速增大了反向電流,導致雪崩擊穿。在p-n結上外加反向強電場時,價電子能從價帶躍遷到導帶,電子這種穿過禁帶的過程叫隧道效應。隧道效應引起的擊穿現象稱為隧道擊穿。3電容效應在正向偏壓下,隨著外加電壓的增加,勢壘區的電場減弱,寬度變窄,空間電荷數量減少,而在反向偏壓下,隨著外加電壓的增加,勢壘區的電場加強,寬度變厚,空間電荷數量增加,類似于邊界在充、放電。這種由于勢壘區的空間電荷數量隨外加電壓的變化,所產生的電容效應,稱為p-n結的勢壘電容。通過減小結面積、減小高阻區的雜質濃度、加大反向電壓的方法能夠減小突變結勢壘電容。超晶格：將兩種不同組分或不同摻雜的半導體超薄層A和B交替疊合生長在襯底上,使在外延生長方向形成附加的晶格周期性。當取垂直襯底表面方向<垂直方向>為Z軸,超晶格中的電子沿z方向運動將受到超晶格附加的周期勢場的影響,而其xy平面的運動不受影響。超晶格能帶結構來源于兩種材料禁帶的變化,存在界面。異質結：不同能隙材料形成的結,如Ⅲ-Ⅴ族,Ⅱ-Ⅵ族,Ⅳ-Ⅳ族等兩種晶格結構相同,晶格常數相近,但帶隙寬度不同的半導體材料長在一起形成結則稱為異質結。主要特點：能隙寬度,介電常數及電子親和勢均不同不僅是超晶格的基本組成部份,其材料與結構的不同也為器件設計帶來許多自由度及獨特的性質半導體材料中的雜質：雜質的種類:1>按雜質原子在半導體材料中存在的方式,可以分為兩類,一類是單個原子,另一類是它們與其它雜質缺陷的復合體。2>以單個原子存在的位置又可以分為兩類,一類是替代式,另一類是間隙式。3>按雜質原子對半導體材料電學性質的影響,又可以分為五類：受主雜質、施主雜質、兩性雜質、中性雜質和深能級雜質。雜質對半導體材料電學性能的影響雜質對半導體材料導電類型的影響雜質對半導體材料電阻率的影響雜質對非平衡載流子壽命的影響。半導體中深能級雜質,對材料的平衡態電學性能影響較小,對非平衡態的電學性能影響較大,在禁帶中有多重能級,對電子和空穴的復合起中間站作用,稱為復合中心或陷阱中心,大大縮短了非平衡載流子的壽命,因此一般在制備材料時要嚴防重金屬污染,它們對光電器件特別有害。而對一些特殊器件還可以人為注入微量重金屬來降低非平衡載流子壽命。超導材料超導材料的臨界參數的定義和意義：臨界溫度:電阻突然消失的溫度被稱為超導體的臨界溫度Tc。超導臨界溫度與樣品純度無關,但是越均勻純凈的樣品超導轉變時的電阻陡降越尖銳。B>臨界磁場:超導電性可以被外加磁場所破壞,對于溫度為T<T<Tc>的超導體,當外磁場超過某一數值Hc<T>的時候,超導電性就被破壞了,Hc<T>稱為臨界磁場。在臨界溫度Tc,臨界磁場為零。Hc<T>隨溫度的變化一般可以近似地表示為拋物線關系:其中Hc0是絕對零度時的臨界磁場。>臨界電流:在不加磁場的情況下,超導體過足夠強的電流也會破壞超導電性,導致破壞超導電性所需要的電流稱作臨界電流Ic<T>。在臨界溫度Tc,臨界電流為0。臨界電流隨溫度變化的關系有：其中Ic0是絕對零度時的臨界電流。三個唯象理論：二流體模型;早期為了解釋超導體的熱力學性質,1934年戈特和卡西米爾提出超導電性的二流體模型,它包含以下三個假設：<1>金屬處于超導態時,自由電子分為兩部分：一部分叫正常電子,另一部分叫超流電子,正常電子在晶格中有阻地流動,超流電子在晶格中無阻地流動,兩部分電子占據同一體積,在空間上相互滲透,彼此獨立地運動,兩種電子相對的數目是溫度的函數。<2>正常電子的性質與正常金屬自由電子氣體相同,受到振動晶格的散射而產生電阻,對熵有貢獻。<3>超流電子處在一種凝聚狀態,即某一低能態,所以超導態是比正常態更加有序的狀態。超導態的電子不受晶格散射,所以超流電子對熵沒有貢獻。從這個模型出發可以解釋許多超導實驗現象,如超導轉變時電子比熱的"λ"型躍變等。倫敦正是在這個模型的基礎上建立了超導體的電磁理論。Ginzberg-Landau理論考慮到超導電子密度〔ns不僅是T的函數,而且是空間位置r和磁場B的函數,從而可以解釋更多的實驗現象。Ginzberg-Landau理論給出了決定ns<r>的方程,這使得Ginzberg-Landau理論比倫敦理論更進一步。唯象的Ginzberg-Landau方程和微觀的薛定諤方程形式上一樣,預示了超導體具有類似微觀現象中的量子化現象,即,宏觀量子現象。磁通量量子化就是宏觀量子現象中的一個重要例子。Ginzberg-Landau理論建立在相變點附近,它的結論定性上適用于更低的溫度,但定量上是不能用于比Tc低很多的溫度。Ginzberg-Landau理論是不含時間的,只能處理有序度參量不隨時間改變的現象。BCS理論的建立基礎：同位素效應、超導能隙和庫帕電子對轉變溫度Tc依賴于同位素質量M的現象就是同位素效應,同位素效應指出：電子-聲子的相互作用與超導電性有密切關系。材料處于超導態時,在費米能附近出現了一個半寬度為的能量間隔,在這個能量沒有電子態,叫做超導能隙〔~10-3-10-4超導能隙的出現反映了電子結構在從正常態向超導態轉變過程中發生了深刻變化。這種變化就是倫敦指出的"電子平均動量分布的固化或凝聚"。電子形成費米球的分布。在超導態時,在費米球部的電子仍與正常態中的一樣。但在費米面附近的電子,在交換虛聲子所引起的吸引力作用下,按相反的動量和自旋兩兩地結合成電子對,這種電子對被稱為庫帕對。BCS理論預測臨界溫度：U是電子-聲子相互作用能第II類超導體根據是否存在磁通釘扎中心而分為：理想第II類超導體非理想第II類超導體理想第II類超導體的晶體結構比較完整,不存在磁通釘扎中心,并且當磁通線均勻排列時,在磁通線周圍的渦旋電流將彼此抵消,其體無電流通過,從而不具有高臨界電流密度。非理想第II類超導體的晶體結構存在缺陷,并且存在磁通釘扎中心,其體的磁通線排列不均勻,體各處的渦旋電流不能完全抵消,出現體電流,從而具有高臨界電流密度,適合于實際應用。單粒子隧道效應金屬-絕緣體-金屬<MIM>結：考慮被絕緣體隔開的兩個金屬,絕緣體通常對于從一種金屬流向另一種金屬的傳導電子起阻擋層的作用。如果阻擋層足夠薄,則由于隧道效應,電子具有相當大的幾率穿越絕緣層。當兩個金屬都處于正常態,隧道結的電流正比于電壓。正常金屬-絕緣體-超導體<NIS>結：Giaever發現如果金屬中的一個變為超導體時,電流-電壓的特性曲線發生變化,可以用超導能隙來解釋正常金屬-絕緣體-超導體<NIS>結。約瑟夫森<Josephson>效應電子對能夠以隧道效應穿過絕緣層,在勢壘兩邊電壓為零的情況下,將產生直流超導電流。而在勢壘兩邊有一定電壓時,還會產生特定頻率的交流超導電流。磁性材料抗磁性<diamagnetism>當物質受到外加磁場的作用時,如果產生與外磁場方向相反的磁化,即磁化率為負值,則稱此種性質為抗磁性。順磁性<paramagnetism>順磁性是指材料在外磁場的作用下表現出與外磁場方向相同但數值很小的磁化率。鐵磁、亞鐵磁材料的單疇微粒呈現出的順磁性。當這些微粒的體積減少到一定程度時,微粒的熱運動能將超過難磁化和易磁化之間的磁晶各向異性能的位壘,于是微粒的磁矩就不再固定在易磁化方向,而是隨時間作無規則的變化,而微粒的表觀磁化強度就變為零。在外磁場作用下,這些微粒傾向于沿外磁場方向排列,從而呈現出順磁性,這種順磁性叫做超順磁性。鐵磁性<ferromagnetism>低于居里溫度時,這些材料在磁場中顯示出強磁性,磁化強度可達105A/m,其磁化曲線呈復雜的形式。原因：這些物質的部存在著一種強的相互作用,使鄰近原子的磁矩近似地排在同一方向,形成了自發磁化。由物質部的交換作用引起的磁矩有序排列,稱為自發磁化。由外加磁場引起的磁矩有序排列,稱為技術磁化。鐵磁性的基本特點是在外磁場中的磁化過程的不可逆性。鐵磁性成因最早對鐵磁性的成因進行解釋的是Weiss,他在1907年提出了兩個假設,都得到了實驗證明：1、分子場假設在鐵磁體的部存在著強大的分子場<約103T>,即使不加外磁場,其部也產生自發磁化?！?928年,Heisenberg用量子理論證明了：所謂的分子場,實際是電子自旋之間的交換作用,是電子遵循Pauli原理的必然結果。2.磁疇假說鐵磁部的自發磁化被分為若干稱為磁疇的區域,在每一區域自發磁化到飽和,但各個區域的磁化強度方向是混亂的,因而當不加磁場時,不表現出宏觀磁性對于Eex=-2Aijcos的討論當A＞0時,為使交換能最小,相鄰原子3d電子的自旋磁矩夾角為零,即彼此同向平行排列,稱為鐵磁性耦合,即自發磁化,出現鐵磁性磁有序。當A＜0時,為使交換能最小,相鄰原子3d電子自旋磁矩夾角為180度,即相鄰原子3d電子自旋磁矩反向平行排列,稱為反鐵磁性磁有序。當A=0時,相鄰原子3d電子自旋磁矩彼此不存在交換作用或者說交換作用十分微弱。在這種情況,由于熱運動的影響,原子自旋磁矩混亂取向,變成磁無序,這是順磁性。3d金屬中的自發磁化3d金屬〔如鐵、鈷、鎳,當3d電子云重疊時,相鄰原子的3d電子存在交換作用,它們每秒鐘以108的頻率交換位置。其交換作用能Eex與兩個電子自旋磁矩的取向有關,表示為：Eex=-2Aijcos,其中為電子自旋角動量,是相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角,A為交換積分常數。在平衡態,相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角應遵循能量最小原理。4f金屬〔稀土金屬中的自發磁化部分稀土元素在低溫下呈現出鐵磁性。原因：〔非直接交換作用稀土金屬中對磁性有貢獻的是4f電子,其半徑僅約0.06-0.08nm。相鄰的電子云不可能重疊,外層還有5s和5p電子層對4f電子起屏蔽作用,它們不可能象3d金屬那樣存在直接交換作用。Ruderman、Kittel、Kasuya、Yosida等人先后提出,并逐漸完善了間接交換作用理論,稱為RKKY理論。這一理論可以很好地解釋稀土金屬和稀土與金屬間化合物的自發磁化。RKKY理論的中心思想是,在稀土金屬中f電子是局域化的,6s電子是巡游電子,f電子和s電子先發生交換作用,使6s電子極化。而極化了的6s電子自旋使4f電子自旋與相鄰原子的4f電子自旋間接地耦合起來,從而產生自發磁化,并使稀土金屬原子磁矩排列出現多種螺磁性。永磁材料——硬磁材料,是指施加外磁場磁化以后能長期保留其磁性的材料。"硬"：長期保留磁性的能力高軟磁材料：矯頑力低、磁導率高的磁性材料磁致電阻效應是指在一定磁場下電阻改變的現象。磁性金屬和合金一般都有磁電阻現象。巨磁阻就是指在一定的磁場下電阻急劇減小,一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數值約高10余倍。磁致冷：1是給材料加磁場,使磁矩按磁場方向整齊排列〔能量低2撤去磁場,使磁矩的方向變得雜亂〔能量高3過程2材料從周圍吸收熱量,通過熱交換使周圍環境的溫度降低,達到致冷的目的。單自旋金屬材料的特性在于自旋向上與自旋向下的電子具有不同的導電特性。只有自旋向上的電子能帶是部分填滿的,而自旋向下的電子能帶則完全填滿,并且與更高的能帶間存在一個能隙<bandgap>.自旋閥結構于1991年由計算機業巨擘IBM提出后,引起廣的研究與討論。典型的自旋閥結構主要是由二鐵磁層中間夾入非鐵磁層之治結構所構成,光纖原理和基本結構：光纖中光的傳送就是利用光的全反射原理。這時,光將在光纖的芯子中沿鋸齒狀路徑曲折前進,不會穿出包層,完全避免了光在傳輸過程中的折射損耗。基本結構:光纖由纖芯、包層和護層組成。光纖的材料：高二氧化硅玻璃光纖、多組分玻璃光纖、塑料光纖。纖芯材料的主體是二氧化硅或塑料,摻入極微量的其他材料如二氧化鍺或五氧化二磷等,以便提高的折射率。包層可以是單層或多層結構,總直徑控制在100～200μm圍。包層材料一般為SiO2,有的摻入極微量的三氧化二硼或四氧化硅目的是為了降低其對光的折射率。光纖的應用：光纖圖像傳感器：靠光纖束來實現圖像傳輸的。光纖束由光纖按陣列排列而成,一束一般由數萬到幾十萬條直徑為l0～20μm的光纖組成,每條光纖傳送一個像素信息。用傳像束可以對圖像進行傳遞、分解、合成和修正。光纖通信：能同時傳送100億路和1千萬套電視節目。它比普通金屬導線傳輸線路的容量高出10億倍。同軸電纜通信,每1.5km就要設一個中繼站,而目前光纖通信的中繼站距離已超過10km,而且光纜具有抗電磁波干擾的本領,所以通信質量高,性好。工業用窺鏡：需要檢查某些大型機器的部結構,但這些系統不能打開或靠近觀察,可將探頭事先放入系統部,通過光纖傳像束的傳輸可以在系統外部觀察。該傳感器主要由物鏡、傳像束、傳光束、目鏡或圖像顯示器組成。光源發出的光通過傳光束照射到待觀測物體上,再由物鏡對待觀測物體成像,經傳像束把待觀測物體的各個像素傳送到目鏡或圖像顯示設備上,觀察者便可對該圖像進行分析處理。醫用窺鏡：由末端的物鏡、傳像束、頂端的目鏡和控制手柄組成。照明光通過傳像束外層光纖照射到被觀察物體上,反射光通過傳像束輸出。由于光纖柔軟,自由度大、末端通過手柄控制能偏轉,傳輸圖像失真小,因此,它是檢查和診斷人體各部位疾病的重要儀器。光子晶體：光子晶體是一種人工晶體,它是由介電材料的周期排列而構成的,適合用于小體積的集成塊在光子晶體中,介電常數在空間上的周期性將會形成光子帶隙結構,出現"光子禁帶"。"光子禁帶"是指一定的頻率圍,該圍的電磁波不能在結構中任何方向的傳播。光子禁帶是光子晶體最重要的特征。激光材料中的基質和激活劑工作物質的各種物理化學性質主要由基質材料所決定；工作物質的光譜性質主要由激活離子所決定。激活離子：又稱激活劑,決定工作物質的光譜特性。固體激光工作物質中使用的激活劑有過渡金屬離子、稀土金屬離子和錒系離子三類?；|材料：簡單氟化物晶體、復合氟化物晶體、簡單氧化物晶體、復合氧化物晶體和其他晶體五類。〔簡單氧化物晶體：使用最早、數量最多、應用最廣,其中具有實用價值的有紅寶石、摻釹釔鋁榴石、摻釹鋁酸釔、摻鉻鋁酸鈹等。它們具有很好的物理化學性能,都能在室溫下實現激光振蕩紅外材料：紅外透鏡、紅外窗口、紅外棱鏡、紅外濾光片、紅外頭罩,等等,真正具有實用價值的紅外光學材料并不多。紅外光學晶體：堿鹵化合物晶體、堿土-鹵族化合物晶體、氧化物晶體、無機鹽晶體以及半導體晶體,其中經常使用的約有二三十種。紅外光學玻璃：各向同性、價格低、且易制成較大尺寸的均勻的紅外透射元件,是目前最常用的一種紅外光學材料。紅外光學玻璃按其基本組成,可分為氧化物玻璃、硫系玻璃、重金屬氟化物玻璃等。紅外塑料：價格低廉、不溶于水、耐酸堿腐蝕有機玻璃：透可見光與近紅外,用作保護膜、窗口聚乙烯：在遠紅外有很高的透過率,是一種很有希望的遠紅外光學材料高密度聚丙烯塑料：在中紅外波段有一定的透過率且質里比較堅硬,可用作窗口,既能保持系統真空,也能在系統充氣時承受較大壓力而不變形聚四氟乙烯：在遠紅外波段有很高的透過率,在材料很薄時,在近紅外和中紅外也有相當好的透過率,廣泛地用作保護膜材料和遠紅外光學材料聚烯烴塑料：機械強度、硬度、耐腐蝕性、抗熱沖擊性都比較好,是一種有前途的遠紅外光學材料,用作窗口和透鏡〔紅外線按波長可分為三個光譜區：近紅外：0.7-15m中紅外:15-50m遠紅外：50-1000m功能轉化材料壓電效應：某些物質沿其一定的方向施加壓力或拉力時,隨著形變的產生,會在其某兩個相對的表面產生符號相反的電荷〔表面電荷的極性與拉、壓有關,當外力去掉形變消失后,又重新回到不帶電的狀態,這種現象稱為"正壓電效應"：機械能轉變為電能；反之,在極化方向上〔產生電荷的兩個表面施加電場,它又會產生機械形變,這種現象稱為"逆壓電效應"：電能轉變為機械能。具有壓電效應的物質稱為壓電材料。根據幾何結晶學,在32種點群中,只有20種不具有對稱中心的晶族,有可能具有壓電性。壓電材料：壓電晶體〔-石英絕大多數人工水晶是右旋晶體。應用最廣泛的壓電瓷是鈦酸鋇系和鋯鈦酸鉛系<PZT>瓷。熱釋電效應：熱釋電晶體是壓電晶體中的一種,具有非中心對稱的晶體結構。自然狀態下,在某個軸向方向上正負電荷中心不重合,從而晶體表面存在著一定量的極化電荷,稱為自發極化,該軸稱為極化軸。溫度恒定時,因晶體表面吸附有來自于周圍空氣中的異性電荷,而觀察不到它的自發極化現象。溫度變化時,引起晶體的正負電荷中心發生位移,晶體表面的極化電荷則隨之變化,而吸附電荷卻跟不上它的變化,即顯現出晶體的自發極化現象。這一過程的平均作用時間為τ＝ε/σ,ε為介電系數,σ為電導率。晶體中存在熱釋電效應的前題是具有自發極化,即在晶體結構的某些方向存在固有電矩。熱釋電材料：電氣石、鈦酸鉛<PbTiO3聲光效應：1超聲波<彈性波>使介質的折射率周期性地變化,形成折射率光柵,光柵常數即為超聲波的波長,2光通過形成超聲光柵的介質時將會產生折射和衍射,產生聲光交互作用?！灿蓱υ斐烧凵渎首兓菑椆庑?。聲光材料：大多數聲光器件為可見光波段的器件,所用晶體主要是氧化物晶體,其中最重要的是鉬酸鉛<PbMoO4>和二氧化碲<TeO2>等晶體。熱電效應：賽貝克〔Seebeck效應兩種不同金屬的連線,若將連線的一結點置于高溫狀態T2〔熱端,而另一端處于開路且處于低溫狀態T1冷端,則在冷端存在開路電壓ΔV,此種現象被稱為塞貝爾效應,Seebeck電壓ΔV與熱冷兩端的溫度差ΔT成正比,即由兩種不同的金屬構成的能產生溫差熱電勢的裝置稱為熱電偶。合金熱電材料：碲化鉍<Bi2Te3>、硒化鉍<Bi2Se3>和碲化銻<Sb2Te3>固體材料中的缺陷和擴散二維缺陷的類型和特點：固體材料的二維缺陷有：表面、晶界、亞晶界、相界等。外表面：晶體表面結構與晶體部不同,由于表面是原子排列的終止面,另一側無固體中原子的鍵合,其配位數少于晶體部,導致表面原子偏離正常位置,并影響了鄰近的幾層原子,造成點陣畸變,使其能量高于體。由于表面能來源于形成表面時,破壞的結合鍵,不同的晶面為外表面時,所破壞的結合鍵數目不等,故表面能具有各向異性。一般外表面通常是表面能低的密排面。外表面會吸附外來雜質:晶界：晶粒之間的交界面稱為晶粒間界,可以看作是一種晶體缺陷,晶粒間界只有極少幾層原子排列是比較錯亂的,它的兩旁還有若干層原子是按照晶格排列的,只不過是有較大的畸變而已。相鄰兩晶粒的取向差小于10°稱為小角晶界。晶界的特點：1晶界是原子排列異常的狹窄區域,一般僅幾個原子間距。2晶界處,原子排列紊亂,使能量增高,產生晶界能,使晶界性質有別于晶。3晶界處某些原子過于密集的區域為壓應力區,原子過于松散的區域為拉應力區。4與小角度晶界相比,大角度晶界能較高,大致在0.5J/m2〔某些特殊取向的大角度晶界的界面能很低,這些特殊取向滿足大角度晶界的重合位置點陣模型。孿晶界：相鄰兩晶粒沿一個公共晶面<孿晶界>構成鏡面對稱的位向關系。相界：材料中兩相之間的分界。相界結構有三種：共格界面、半共格界面和非共格界面。失配度<0.05為完全共格。為半共格界面,當失配度>0.25,完全失去匹配能力,成為非共格界面。失配度共格界面界面能最低,非共格界面界面能最高,半共格界面界面能居中。一維缺陷：位錯位錯正是滑移區的邊界刃型位錯的特點1滑移的過程是滑移區域不斷擴展的過程。2位錯正是滑移區的邊界。3滑移的過程就是位錯在滑移面上的運動。4刃位錯從滑移面的一邊運動到另一邊就完成了滑移過程。5位錯移動一步,只有位錯附近的原子做了比較微小的移動,位錯附近的原子處在相對不穩定的狀況,所以在很小的切應力下就可以使位錯移動。具體的理論計算表明,所需要的切應力大小和實際產生滑移的切應力基本上一致。螺型位錯的特點在原子平面上環繞螺位錯走一周,就會從一個晶面轉到下一個晶面<或上一個晶面>上。原子已不再構成一些平行的原子平面。而形成了以螺位錯為軸的螺旋面,螺位錯的名稱正是從這個特點而來的。螺位錯可以在任意的通過它的面移動。螺位錯的運動可以使滑移區擴展。螺位錯線以外四周的原子雖然基本上保持著晶格排列,但是從原來的平行晶面變為螺旋面顯然是受到一定扭曲的,所以環繞螺位錯也存在著一定的彈性應力場。螺位錯在晶體表面提供了一個天然的生長臺階,而且,隨著原子沿臺階的集合生長,并不會消滅臺階,而只是使臺階向前移動。位錯的描述方式——柏氏矢量<Burgersvector>從實際晶體中任一原子M出發,避開位錯附近的嚴重畸變區作一閉合回路MNOPQ,回路每一步連接相鄰原子。按同樣方法在完整晶體中做同樣回路,步數、方向與上述回路一致,這時終點Q和起點M不重合,由終點Q到起點M引一矢量QM即為柏氏矢量b。柏氏矢量與起點的選擇無關,也與路徑無關。柏氏矢量是位錯所獨有的性質。利用柏氏矢量b與位錯線t的關系,可判定位錯類型。若b//t為螺型位錯,bt則為刃型位錯。點缺陷的類型,與點缺陷有關的物理現象在結晶過程中,在高溫下或由于輻照等,晶體中就會產生點缺陷。其特點是三維方向上尺寸都很小,僅引起幾個原子圍的點陣結構的不完整。點缺陷的種類：1>肖脫基空位:離位原子跑到晶體表面或晶界后形成的,對于離子晶體,為維持相等的電荷,正離子與負離子必須同時從點陣中消失。2>弗侖克爾空位:離位原子跳到晶體間隙中形成的,與此同時還形成了相同數目的間隙原子。3>置換原子的半徑與原材料不同時也將擾亂周圍原子的完整排列,也可看成是點缺陷。點缺陷引起材料性質的變化：1．點缺陷引起晶格振動頻譜的改變：在缺陷附近,原子間的彈性恢復力系數發生改變,晶格振動的頻譜分布也發生改變,形成一種局限于缺陷附近的振動模式,稱為局域模。2．空位引起晶體線度的變化：當晶格產生較多空位時,晶體的線度隨之改變。線度的相對改變量L／L與由熱膨脹引起的晶格常數的相對改變量a／a<可由X射線衍射測定,空位對衍射的影響可忽賂不計>之差,可用于測定空位的濃度。3．空位的出現引起晶體密度的變化:弗倫克爾缺陷不會引起晶體密度的變化,肖脫基缺陷,特別是離子晶體的肖脫基缺陷將引起密度變化。4.缺陷將改變晶格的自由能:自由能F＝U-TS。點缺陷將從兩個方面影響自由能：1>產生缺陷需要能量。當缺陷濃度為n時,系統的能增加U；2>由于缺陷的出現使原子排列較無序,因此系統的位形熵也增加S。因而自由能改變F=U-TS。當兩種因素相互制約,使F為最小時,缺陷數目n達到穩定值。5．缺陷引起晶體比熱容變化：含有點缺陷的晶體,其能變化U,即U=U0+U,晶體的比熱容通過測定測定比熱容的變化,可以測量出點缺陷的濃度小角晶界可以看成是由一系列刃位錯排列而成。在從高溫熔融狀態凝固的材料中的位錯正是起源于空位凝結過程。擴散的宏觀實驗規律:原子借助于無規熱漲落在晶格中的輸運過程費克第一定律：j=-Dn對費克第一定律取散度,并代入連續性方程此方程稱為費克第二定律。費克第二定律加上適當的初始條件和邊界條件,即可對任意時刻擴散物質的濃度分布n<x,t>作出推斷。一個常常用到的解是：擴散的微觀機制：空位和間隙原子的運動。離子晶體的導電和固體中的各種擴散現象正是通過空位和間隙原子的運動來實現的。原子的布朗運動。對于間隙式原子的情況：原子可以依靠熱漲落在間隙之間跳躍,并且得到跳躍率為：對于代位式原子的情況：代位式原子和間隙原子擴散系數的主要差別在于,激活能除去原子跳躍勢壘外還包括了形成空位的能量w。納米材料納米材料的兩個重要的結構上的特征：納米材料的兩個重要特征：納米晶粒和高濃度晶界。納米晶粒中的原子排列已不能看作長程有序。高濃度晶界及晶界原子的特殊結構導致材料的力學性能、磁性、介電性、超導性、光學乃至熱力學性能的改變。界面原子占極大比例,從而構成與晶態、非晶態均不同的一種新的結構狀態。久保<Kubo>理論〔針對金屬超微顆粒費米面附近電子能級狀態分布而提出來的把金屬納米粒子靠近費米面附近的電子狀態看作是受尺寸限制的簡并電子態,進一步假設它們的能級為準粒子態的不連續能級,認為相鄰電子能級間距δ和金屬納米粒子的直徑d的關系為：N為金屬納米粒子的總導電電子數,EF為費米能級。隨著納米粒子的直徑減小,能級間隔增大。能隙變寬到一定的程度,金屬導體將變為絕緣體?。?！納米材料的表面效應：由于納米粒子表面原子數增多,表面原子配位數不足和高的表面能,使這些原子易與其它原子相結合而穩定下來,故具有很高的化學活性。納米材料的小尺寸效應：當超細粒子的尺寸與光波波長、德布羅意波長、超導態的相干長度或與磁場穿透深度相當或更小時,晶體周期性邊界條件被破壞,導致聲、光、電、磁、熱力學等特性呈現新的小尺寸效應。納米材料的量子尺寸效應：當納米粒子的尺寸下降到某一值時,金屬粒子費米面附近電子能級由準連續變為離散能級；納米半導體微粒存在不連續的最高被占據的分子軌道能級和最低未被占據的分子軌道能級,能隙變寬現象等均被量子尺寸效應。對納米微粒,所包含原子數N值很小,導致能級間距有一定值。當能級間距大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導體的凝聚能時,會導致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導電性與宏觀特性有著明顯的不同。納米材料的常用制備方法：規模制備中的質量控制--均勻化、分散化、穩定化格萊特首次采用金屬蒸發凝聚-原位冷壓成型法制備納米晶以來,隨后發展了各種物理、化學制備方法,如機械球磨法、非晶晶化法、水熱法、溶膠-凝膠法等等。理論上任何能制造出精細晶粒多晶體的方法都可用來制造納米材料。納米瓷的優點：可以克服瓷材料的脆性,使瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。具有高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統瓷無法相比的優點。納米材料的晶粒結構與完整晶格有何不同：納米尺寸的晶粒結構與完整晶格有很大差異。納米晶粒由于尺寸超細,在一定程度上表現出晶格畸變效應。納米尺寸晶粒的點陣常數偏離了平衡值。納米材料的晶界結構的特點：觀點一：納米晶界面具有較為開放的結構,原子排列具有隨機性,原子間距較大,原子密度較低。晶界結構既非晶態的長程有序,也不是非晶態的短程有序,是一種類似于氣態的更無序的結構觀點二：納米材料的界面結構與普通多晶材料在本