材料科學與技術第一章材料科學概述第一節材料科學的發展背景什麼是材料和材料科學？是人類賴依生存和發展的物質基礎，是國民經濟的物質基礎。（人的衣、食、住、行、通訊等）材料：廣義的材料包括人們的思想意識之外的所有物質(substance)，材料無處不在，無處不有。以材料的性能、結構及相關應用為研究對象，介於基礎科學與應用科學之間的基礎應用科學。集物理學、化學和冶金學等於一體的一門的綜合性或交叉性學科。材料科學：生命科學（生物科學）也已滲入並將更為深刻地滲入以材料的發展劃分人類歷史:舊石器時代:（B.C.10～1萬年）以天然石塊鑿成棱邊鋒利的新石器時代:（B.C.6000～4000年）出現磨光的工具。工具或武器。

石器時代：

石斧、鑿、刀、鏟、箭頭、紡輪、缽等（西安半坡遺址）

石斧人類文明史與材料的發展階段密切相關的陶瓷時代：（B.C.6000～4000年）出現了燒爐。青銅器時代：（B.C.8000～1500年）B.C.8000年，純銅的發現和加工；B.C.2000～1500年銅礦石的開採和冶煉。鐵器時代：（B.C.1400～1200年）B.C.1000年之後歐洲進入“鐵器時代”。湖南長沙砂子塘戰國凹形鐵鋤中國古代鐵器的金相組織理論上：量子理論、統計物理、固體電子論、晶體結構近代物理使材料科學進入一個嶄新的階段：實驗上：勞厄X射線法窺探晶體結構。可在超高真空、等理論的建立和發展使深入、正確地描述晶體內微觀粒子運動成為可能。超低溫或超高壓下借助各類電子顯微鏡觀察、甚至操縱、安排原子分子的排列。近代：玻璃、瓷器、及鋁工業；現代：高分子聚合物材料、超導材料、納米材料等第二節材料科學的任務及材料的分類按狀態：氣態、液態、固態 材料科學的任務：以物理學、化學、冶金學等為理論基礎，應用各種測試和實驗手段從微觀上來研究材料的各種性能及其在製造和應用中的行為，以提高材料的性能、探索和開發新型材料。材料科學研究的對象甚多，世界上已註冊的材料有幾十萬種。材料分類方法：有多種金屬材料（MetallicMaterials)：鋼鐵、鋁、銅、鈦合金陶瓷材料（Ceramics）：Al2O3、SiC、Si3N4、SiO2、TiN如，電工電子陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等高分子材料（HighPolymers)：聚乙烯、聚丙烯、纖維、

蛋白質等複合材料（Composites)：Matel-MatrixorPolymer-Matrix按特性：金屬、無機非金屬（如陶瓷）、有機高分子材料和複合材料

兩種或兩種以上的材料按一定的比例通過特殊方法結合起來而構成按作用:

結構材料和功能材料按使用領域：建築、電子、醫用、儀錶及能源材料等結構材料：是機械製造、建築工程、交通運輸、能源利用工程等的物質基礎。具有抵抗外力作用、保持自身形狀和結構不變的力學特性及對外界環境良好的適應性。高強的機械性能、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、耐輻照。新型結構材料：新型陶瓷結構材料、複合材料及高分子材料的開發利用正在受到重視。功能材料：具有優良的電、磁、聲、熱、光、力、化學、用途：可用於研製具有傳遞、存儲或記憶資訊、轉化或變換能量的功能性元件。包括：金屬、半導體、有機高分子、複合材料等。有多種分類，按性能可分為：或生物學等性能的材料。力學、聲學、電學、磁學、光學、化學、生物醫學、核功能材料。第二節材料科學的重要性材料科學發展對國民經濟、國防建設具有重要意義先進材料與製造技術是未來國民經濟與國防力量發展的基礎,是各種高、新技術成果轉化為實用產品與商品的關鍵。當前各種新材料市場規模已超過4000億美元材料與製造技術是新時代企業的物質基礎。各種高新技術(如電子資訊、能源、製造業以及航空、航太、海洋、軍事技術等)將都對材料及工藝提出更新、更高的要求美國曾在“國家關鍵技術報告”認為:材料領域的進展可以顯著改進國民經濟所有部門的產品性能,提高它們的競爭能力;材料被列為六大關鍵技術的首位3、現代的高科技兵器戰爭時代：按武器裝備的演變、戰爭分為三個時代：1、經典的冷兵器戰爭時代：2、近代的熱兵器戰爭時代：以大刀、長矛、弓箭等借士兵體能為其基本特徵。陸、水兩維戰爭。以飛機、槍、炮、彈藥、原子彈等的鋼鐵、炸藥的較量。陸、海、空三維戰爭。以精密制導、電子戰、航太、鐳射、隱形、人工智慧武器為其特徵。高科技密集形戰爭。國防科技及武器裝備的發展在很大程度上也要依賴新材料和先進製造工藝第三節21世紀材料科學的發展前景21世紀將是在方方面面，發生重大變革的時期，是一個各學科交織發展，以至逐步消失它們之間的明確界線的時期。新材料與材料科學將無疑有著持續、高速發展的勢頭。各類新技術的誕生與發展無一不需要新材料，要求材料能與之同步或領先發展資訊技術方面已從電子技術到光電子技術，進而將到光子技術是自然的發展趨勢新材料必然需要相應地發展以適應這種趨勢如、與光子技術相應的傳輸、調製、存儲等材料需要深入、有效的研究與開發，巨大的產業前景提高熱機效率方面氮化物及碳化物以及它們的複合材料受到廣泛的重視需要能夠承受更高溫度的材料以提高熱機效率、減少燃料消耗、改善環境污染當前熱機材料能承受的溫度：1050～1100℃，希望提高到1400℃、1600℃或更高能源方面燃料電池、特別是固體燃料電池：能量轉換效率高已達到80％以上，大型電池組預計可達到65％相應的材料研究包括電解質、陽極、陰極以及相關材料最核心的問題仍然是材料，如何能夠得到高效、大面積、低成本的相應材料太陽能：取之不盡的低密度能源納米技術：具有廣泛應用前景，預期21世紀將是其開花、結果的時代納米材料與納米技術納米材料：在光、電、磁、熱、力等方面的新現象、新性能，許多現象尚是未知數或尚無妥善的解釋生物材料牙齒的基本組成－羥基磷灰石，具有納米結構、定向性很好、具有較好的韌性為什麼人體能夠在十分溫和的環境下合成這類牙齒或骨胳？十分有興趣的新領域——仿生合成（BiomimeticSynthesis）富勒球（C60）、富勒管（Fullerene-tubes）新發現常常是人們所未估計到的，需要善於抓住科學上的偶然性如：類鈣鈦礦結構的高溫超導陶瓷、第二章原子結構與鍵合原子、原子排列、微觀結構和宏觀組織。材料的結構層次：原子：材料的基本單元。原子結構：直接影響材料中原子的結合方式形成不同的結合鍵及不同性質的材料：金屬、半導體、絕緣體（高分子聚合物）第一節原子結構盧瑟福粒子散射實驗：原子的核式結構模型原子：原子核、電子原子核：質子和中子核內質子數:等於核外電子數質子電量：等於電子電量原子半徑：原子核半徑：原子量（M）定義：？原子量有兩個單位：1個原子的品質：1個C12原子的品質：（原子品質單位）1原子品質單位原子量的另一單位:原子品質單位碳同位素中的C12原子的原子量：1個原子的品質：（原子品質單位）1mol原子的品質原子量的單位:第二節原子的電子殼層結構一、量子數元素的性能決定於原子中電子所處的狀態描述電子狀態的四個量子數：1、主量子數n取值：1、2、3、4、……是決定電子能量的主要參數，表徵電子所處的殼層及電子運動軌道的大小234KLMN主量子數名稱

1殼層…………2、軌道角動量量子數取值：是決定電子能量的另一個參數,表徵軌道的形狀和軌道角動量的大小。S軌道P軌道12spd

軌道名稱

0…………3f軌道代表電子自旋的取向和自旋角動量在特殊方向的分量3、軌道方向量子數取值：表徵軌道角動量在特殊方向（如磁場方向）上的可能分量或軌道在空間的可能取向。如時，3個可能的取向4、自旋方向量子數取值：泡利不相容原理：原子中不可能有兩個電子處於同一狀態不可能有兩個電子具有完全相同的上述四個量子數原子次殼層和殼層中可容納的電子數：殼層：次殼層：次殼層有個，每一個有兩個殼層n中包含n個次殼層

二、原子的電子結構基態：原子最低能態；電子從最低能級填充原子能級。決定電子能量的量子數：主量子數、次量子數越大、電子能量越大。

決定電子能量的主要量子數、實際上通常：電子填滿各能級次序通常為:5f7s6s5s4s3s2s1s7p6p5p4p3p2p4f6d5d4d3d但不能保證：

過渡族金屬的電子結構而不是三、原子價及原子的電負性原子依靠外層電子與其它原子化合原子外層電子決定其化學活性外殼層8電子結構是穩定結構，原子在結合時傾向於或填滿外層s,p能級，或使s,p能級完全空著非金屬元素傾向於接受電子成為8電子結構，具有電負性。金屬元素傾向於失去價電子成為8電子結構，顯正價。氯的電子結構：強電負性鋁的電子結構：顯正3價鈉的電子結構：更易失去1個價電子，正電性更強。第三節原子的鍵合四種基本的原子鍵：金屬鍵、共價鍵、離子鍵和範德瓦爾鍵一、金屬鍵金屬鍵本質：離子、電子間的庫倫相互作用價電子是sp電子的低價金屬（Na,Ca,Al等）－金屬鍵金屬原子失去價電子成為正離子、價電子成為自由電子，離子骨架浸泡在電子的海洋。金屬特性：（1）延展性；（2）良好的導電性。金屬鍵特性：無方向性、不易被破壞。金屬是良導體二、共價鍵不易失去價電子的原子傾向於與鄰近原子共有價電子、成為8電子穩定結構。共價鍵：拉手結合IV元素半導體（C,Si,Ge）是共價鍵。一個原子與周圍4個原子形成電子對——共價鍵共價鍵之間的夾角：109oSi正四面體結構：共價鍵具有方向性價電子位於共價鍵附近的幾率高於其他處（2）性脆，延展性很差。原子具有相近的電負性、價電子數之和為8共價鍵形成的條件：III-V及II－VI化合物半導體也主要是共價鍵III-V半導體：InSb,GaAs等銻(ti)化銦共價鍵材料特性：（1）高硬度、高熔點、導電性差、低膨脹係數；（共價鍵是強化合鍵）陶瓷和聚合物：或完全、或部分是共價鍵（共價鍵的方向性）SiO2

主要是共價鍵SiO第三節原子的鍵合四種基本的原子鍵：金屬鍵、共價鍵、離子鍵和範德瓦爾鍵一、金屬鍵二、共價鍵三、離子鍵三、離子鍵離子鍵材料由兩種以上的電負性相差很大的原子組成離子鍵：以正負離子間的相互作用力形成的結合離子晶體的特性：（1）離子晶體是最密堆積的面心立方或六方密填結構；（離子鍵的各向同性）（2）對可見光透明、吸收紅外波長。結構特徵離子振動能級吸收（3）低溫下導電性差、高溫下離子導電；（結構上緻密性、離子對電子約束緊密）（4）高價離子的氧化物堅硬、熔點高。原子電子結構、電負性差異決定材料的結合機制Sp價電子金屬原子間：只存在金屬鍵過渡金屬：金屬鍵和共價鍵（d電子受原子核束縛強烈、只能與鄰近d電子形成不飽和共價鍵）電負性差異很大的原子：只存在離子鍵(氧化釔)電負性差異不大的原子：既存在離子鍵又存在共價鍵多元素化合物材料一般是離子鍵和共價鍵結合：................離子結合主要是共價結合四、範德瓦爾鍵分子或原子團間的一種弱靜電鍵合存在於高分子材料的分子間及一些陶瓷材料的分子層間，這類分子必有顯正電的部分和顯負電的部分（2）處在一定距離範圍的任意分子間，存在微弱的吸引力產生的根源：（1）一個分子的正電部分和另一分子的負電部分間有微弱靜電吸引力；（核外電子運動相當波動電偶極子）分子間是範德瓦爾鍵，分子內的原子間是強有力的共價鍵等水分子間：範德瓦爾鍵水易成水蒸氣氫氧間不易斷裂共價鍵雲母：層間:

範德瓦爾鍵層內：離子鍵和共價鍵；層間易剝離範德瓦爾鍵易斷裂ClCH聚氯乙烯（PVC塑膠）剪切力剪切力高分子鏈內：共價鍵聚氯乙烯：性脆、可產生很大變形第四節結合能及原子間距四種化學鍵的共同特徵：結合力包括吸引和排斥兩部分rOEP0Fmr0rmFEP排斥力和吸引力的合力兩原子間距離大於r0:吸引力大於排斥力、原子間呈現相吸引兩原子間距離小於r0:排斥力急劇增加、大於吸引力，原子間呈現排斥兩原子間作用力隨距離的變化：rArBAB原子兩原子間距離為r0:平衡位置吸引力等於排斥力、合力為零範德瓦爾鍵最小rOEP0Fmr0rmFEP勢能兩原子間勢能隨距離的變化：r1最小原子間或晶體的結合能結合鍵不同、結合能不同：離子鍵最大共價鍵金屬鍵第三章材料的物性第一節材料的電性質物性：電性、磁性、熱性、光學性質和力學性質材料按電性能分類：導體、半導體、絕緣體導體：絕緣體：金屬：一、歐姆定律反映材料導電性的參數：電阻率或電導率兩者關係：半導體：試樣電阻：歐姆定律宏觀形式：電阻率：試樣長度，試樣截面積金屬的導電性：幾乎不隨電壓變化恒定半導體的導電性：隨電壓明顯變化伏安特性曲線為直線伏安特性曲線為曲線歐姆定律的微分形式：電流密度材料中的場強電流密度定義：電流密度向量：歐姆定律的微分形式反映材料中電流與電場的逐點對應關係載流子在單位電場作用下的遷移速率遷移率：電子：空穴：Si單晶電導率的微觀運算式：二、固體電子能帶結構能量能帶能帶禁帶平衡間距原子間距能級能級孤立原子的能級考察N個相同原子組成的固體：原子距離很大（無相互作用、孤立原子）時：每個原子的能級構造相同；系統的能級相當於N度簡並的孤立原子能級。原子相互靠近結合成晶體（原子間有相互作用）：電子除受自身原子的作用外，還受周圍原子勢場的作用，系統的電子能態結構：N度簡並的能級N個彼此相距很近的能級，展寬為能帶固體電子能帶的形成能級分裂的原因：電子波函數疊合、相互作用的結果能級分裂：從價電子到內層電子。能量能帶能帶禁帶平衡間距原子間距能級能級孤立原子的能級內層能級只有原子非常接近時才發生分裂，即使分成能帶、能帶也很窄固體電子能帶結構：原子間處於平衡間距時的能帶結構固體在0K時的能帶結構電子填充能帶的原則：2、首先填充能量最小的狀態1、泡利不相容原理：不能有兩個電子處於完全相同的量子態孤立原子的能量較高的空能級，原子結合成晶體、形成的能帶後仍是空著的電子能帶結構因材料不同而異（一）金屬的電子能帶結構Na金屬電子能帶3s3p鈉原子的電子結構：滿電子能級鈉晶體的與之相應能帶也是全滿帶與之相應能帶是半滿帶Mg金屬電子能帶3s3p鎂原子的電子結構：滿電子能級鎂晶體的與之相應能帶也是全滿帶與之相應能帶是空帶Mg金屬電子能帶3s3p鎂晶體的3s與3p能帶存在交疊鋁原子的電子結構：滿電子能級與之相應能帶僅部分填充Al金屬電子能帶3p3s鋁晶體的與之相應能帶也是全滿帶

能帶與能帶存在交疊金屬的能帶結構特徵：存在未滿的價帶或存在價帶和其上的空帶交疊被價電子佔據的最高能級上存在許多空能級最高能級：費米能級(Fermilevel),Ef極小的能量即可激發費米能級附近的價電子成為自由電子金屬是良導體

並非說有價電子都能參與導電、只有被激發到費米能級以上的電子（自由電子）才能導電金屬中自由電子的數密度：（二）半導體和絕緣體的能帶結構禁帶禁帶導帶價帶價帶導帶ECEVEg絕緣體半導體能帶結構特徵：被電子填滿的價帶與未被電子填充的空帶（導帶）間沒有交疊，價帶和導帶間被禁帶隔開禁帶寬度：絕緣體的禁帶寬度：常溫下價電子幾乎不能被激發到導帶價帶電子必須獲得，才能從價帶被激發到導帶、參與導電激發前激發後絕緣體不導電半導體的禁帶寬度：常溫下具有一定的導帶性導帶中電子數密度晶體能帶與原子能級不一定有一一對應關係Si單晶：雜化分裂成兩個各包含2N個能級的能帶：價帶導帶4N個價電子恰好填滿價帶，導帶全空三、金屬的電阻電子在理想晶體運動時不受晶格散射，電場的作用下自由電子作勻加速運動、電流不斷增大量子理論：實際晶體：理想晶體：施加一定的電場於導體後，電流迅速達到平衡值。原因:

實際晶體中存在缺陷缺陷:

晶體中的雜質原子、空位、間隙原子、位錯以及原子熱振動等所有與理想晶體的偏離。缺陷使電子運動受到散射，電場作用下金屬中電子的運動軌跡為複雜的曲折線電場遷移（如同容器中氣體分子的運動）電阻率：反映載流子在導體中運動時所受散射或阻力的大小金屬電阻率的構成：熱振動雜質(替位、間隙)形變分別起因於：熱振動越劇烈、電阻率溫度係數，除過渡族金屬外、所有純金屬：雜質(替位、間隙)越多，越大；形變越大、位錯越多，越大遷移率：反映晶體缺陷對載流子運動的散射程度載流子受晶體缺陷散射的頻率、強度越高，遷移率越低、電阻率越高導電材料：應有良好的導電性、力學及熱學性能Ag：導電性最好，但力學性能差、價格貴Cu：導電性好，應用最廣泛Al：導電性較好、價格低廉，常用的導電材料固溶體合金：導電性較差、機械強度高加熱元件材料：應有較高的電阻率、高熔點及耐高溫氧化特性多採用合金材料，如Ni-Cr四、半導體半導體:本征半導體和非本征半導體（參雜半導體）四族元素半導體和化合物半導體（一）本征半導體本征半導體：沒有雜質和缺陷、理想半導體禁帶價帶導帶ECEV本征半導體能帶特徵：價帶全滿、導帶全空、禁帶中無能級分類：四族元素半導體：化合物半導體：IV-IV族：III-V族：（銻化銦）II-VI族：（硫化鎘），（碲化鋅）寬禁帶、大功率半導體材料

物性3C-SiC4H-SiC6H-SiCSi

熔點2839270028001420

禁帶寬2.22.93.21.1

擊穿場強熱導率4.94.95.01.5SiC與Si的物性比較把一對Si原子和C原子看作一個小球若把第一層作為A層，

第2層有B和C兩種可能，B上的層有C和A兩種可能，C上的層有A和B兩種可能，3C-SiC

の積層順序4H-SiCの積層順序6H-SiCの積層順序本征Si原子鍵合與導電機制：電場Si每當一個電子從價帶被激發到導帶，便在價帶中留下一個電子空位，空穴導帶電子和價帶空穴成對出現:導帶電子:準自由電子、可在電場的作用下定向運動、形成電流導帶電子價帶空穴:電場Si等效載流子其導電過程實質上是電場的作用下價電子向空穴的跳躍過程等效於帶正電的空穴沿與價電子相反方向的運動空穴帶正電量：本征半導體導電：導帶電子和價帶空穴的共同貢獻電導率：導帶電子和價帶空穴的數密度。導帶電子導帶電子和價帶空穴的遷移率。通常：本征半導體:材料SiGeGaPGaAsInSbCdSZnTe本征半導體基本參數一、歐姆定律三、金屬的電阻第三章材料的物性第一節材料的電性質二、固體電子能帶結構四、半導體（一）本征半導體（二）非本征半導體—雜質半導體（二）非本征半導體—雜質半導體實際使用的半導體都是雜質半導體雜質半導體：對本征半導體摻雜、實現改變其電性或獲得某種功能雜質半導體分類：N型半導體和P型半導體（摻雜種類不同）1、N型半導體5價P原子束縛電子5價原子以替位式參入本征Si或Ge中摻雜原子：P,As,Sb未鍵合電子受雜質原子的束縛很弱結合能：Si單晶SbPAsN型半導體能帶結構5價雜質原子摻入相當在導帶底引入施主雜質能級雜質能級上的束縛電子很易被（熱和電）激發到導帶5價雜質原子嚮導帶提供電子5價雜質原子：施主雜質室溫下施主激發產生的電子數遠大於本征激發的電子或空穴數N型半導體：電子是多數載流子；空穴是少數載流子2、P型半導體3價原子以替位式參入本征Si或Ge中摻雜原子：Al,B,Ga3價原子的周圍共價鍵缺一個電子、周圍價電子很容易被激發到這個電子空缺上結合能：3價B原子空位缺電子的位置可看作與雜質原子結合微弱的空位。價電子向空位跳躍的過程等效於空位向價帶的運動3價雜質原子：受主雜質接受來自價帶的電子P型半導體能帶結構3價雜質原子摻入相當在價帶頂引入受主雜質能級價帶電子很易被（熱和電）激發到受主能級上Si單晶BAlGa室溫下受主激發在價帶中產生的空穴數遠大於本征激發的電子或空穴數P型半導體：電子使少數載流子；空穴是多數載流子等效於空位被激發到價帶中、成為空穴3、半導體摻雜工藝摻雜：將微量的施主或受主雜質加入本征半導體中、使之成為N或P型半導體的過程摻雜物：被摻入的物質摻雜工藝方法：擴散法和離子注入法（1）擴散法：氣相法和預沉積、高溫熱處理法

a、氣相法：置矽片於1000—1100oC的擴散爐中，擴散爐中充滿摻雜原子氣體。控制雜質濃度和摻雜深度的工藝參數：溫度、時間、氣相中摻雜原子濃度（2）離子注入法：b、預沉積、高溫熱處理法：Si基板預沉積雜質層熱處理Si基板擴散層比氣相法更易精確控制摻雜控制雜質濃度和摻雜深度的工藝參數：摻雜濃度和深度由溫度和時間決定50~100kV電壓加速雜質離子轟擊Si基板轟擊深度：取決於雜質原子的品質、基板的晶格損傷可在適當的溫度下退火處理消除可在室溫下進行、能精確控制摻雜濃度和深度、適於積體電路製作加速電壓、及基板的表面狀態雜質量由預沉積層厚度決定五、絕緣體禁帶寬度大、常溫下價電子不能被激發到導帶、電導率低絕緣材料的主要性能指標：電阻率、介電係數、介質損失和介電強度（一）體電阻率和麵電阻率體電阻率：表徵載流子在材料體內輸運時的能耗特徵面電阻率：表徵載流子在材料表面或介面輸運時的能耗特徵測量方法：歐姆定律1、體電阻率A電極試樣試樣厚度電極面積電極被蒸鍍在試樣上2、面電阻率A電極試樣（1）平行電極電極間距，電極長度（2）對環狀電極A芯電極環電極試樣芯電極直徑環電極內徑絕緣材料：陶瓷、高分子聚合物製作或合成過程引入的雜質會降低材料電阻率影響聚合物電阻率的因素：未反應的單體、殘留的引發劑、輔助劑及吸附的水分等潮濕空氣中吸附的表面水分會使表面電阻率大幅度降低（二）電介質隔斷或減弱電場的性質介電性：金屬能完全隔斷電場、金屬的介電性最強：絕緣體只能減弱體內的電場：電介質：用於把帶電體隔離、並能長期經受強電場作用的絕緣材料電介質介電性的起因：電介質在外電場中的極化電介質極化機制：（1）、分子的極化；（3)、空間電荷極化。（2）、弛豫極化（電子、離子弛豫極化）；1、電介質極化(1)、分子的極化電介質由分子組成、在外電場的作用下分子中電荷分佈發生變化，—極化分子極化包括：電子位移極化、離子位移極化，及有極分子（具有電偶極矩）的取向極化。A、電子位移極化外電場的作用下、原子中的電子相對原子核發生位移：||電子軌道位移原子正、負電中心不再重合電子軌道位移：原子中的所有電子都發生、但價電子顯著、內層電子不顯著電子品質小、對電場反應快電子位移極化建立時間：可以跟隨光頻變化電場原子玻爾模型電子平均極化率：原子或離子半徑B、離子位移極化離子在外電場的作用下偏離平衡位置、相當於一感生偶極矩結合鍵被拉長據經典彈性振動理論離子位移極化率：晶格常數；電子層斥力指數離子晶體C、有極分子的取向極化離子品質遠大於電子品質，離子極化建立時間比電子的長離子極化建立時間：有極分子電介質在電場的作用下除電子、離子的位移極化外，有極分子將沿電場方向有序化。取向極化：有極分子電介質主要極化方式+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-無電場無電場時有極分子的取向雜亂無章，宏觀上電介質對外不顯電性+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-E0有電場有外電場時在外電場力矩作用下，偶極子（有極分子）轉向電場的方向，場強越強偶極子的取向與電場越一致。分子的熱運動會破壞分子排列有序化溫度不太高、外電場不太強時，平衡狀態下有極分子的取向極化率：分子的固有偶極矩，Boltzman常數取向極化的建立時間：較長D、分子極化總結非（無）極性分子（可能存在對稱的離子性結構）極化率：極化率：（誘導）偶極矩：有極分子（可能存在對稱的離子性結構）偶極矩：（二）電介質電介質極化機制：（1）、分子的極化；（3)、空間電荷極化。（2）、弛豫極化（電子、離子弛豫極化）；1、電介質極化（2）、弛豫極化（電子、離子弛豫極化）；(2)、（電子、離子）弛豫極化弛豫極化

—鬆弛極化弛豫

—鬆弛：需要時間的過程所有極化都需要時間、都是弛豫的。電子、離子的弛豫極化：極化建立時間較長、不同於電子、離子位移極化的一種極化材料中弱聯繫（受束縛較弱）的電子、離子在電場和熱運動的共同作用下建立的一種極化狀態弱聯繫的電子、離子運動距離可與分子尺寸相比、甚至更大電子、離子弛豫極化的建立需克服一定的勢壘極化建立時間比位移極化大得多。弛豫極化往往是不可逆的弱束縛電子A、電子弛豫極化晶格缺陷處的原子、雜質原子中的弱束縛電子晶格缺陷處的原子或雜質原子在禁帶中引入的局域能級或雜質能級上的電子吸收較小的能量可由較低的局域或雜質能級激發到較高的局域或雜質能級、甚至導帶沿電場的方向可做短距離運動、過程不可逆具有電子弛豫極化的材料通常具有一定的電子電導常出現於鈮、鉍、鈦氧化物陶瓷中電子弛豫極化建立時間：交變電場的頻率高於時，這種極化不存在弛豫極化電子：B、離子弛豫極化缺陷區弱聯繫離子勢能強聯繫離子:完整離子晶體中處於正常節點、能量最低、最穩定極化時只能在平衡位置附近產生彈性位移弱聯繫離子:離子自身能量較高，易於活化、遷移晶體中的雜質、缺陷區域的離子或玻璃態物質中結構鬆散的離子極化時可從一個平衡位置移到另一個平衡位置平衡位置正常區強聯繫離子勢能電場撤去後離子不能回到原位置過程非可逆性遷移距離可達離子晶格的數量級離子運動勢壘位移極化離子弛豫極化率：離子電荷離子在電場作用下的位移熱力學溫度離子運動阻力大離子弛豫極化建立時間：交變電場的頻率高於時，這種極化不存在跟不上電場的變化離子弛豫極化率比位移極化率大一個數量級(3)、空間電荷極化材料中不僅包含完整晶體部分、缺陷部分，還可能有從外部注入的空間電荷混亂分佈的空間電荷在外電場作用下趨於有序化：正、負空間電荷分別順、逆電場的方向運動積聚在材料中的晶界、晶格缺陷等處形成與外場方向相反的很強的電場空間電荷極化空間電荷熱運動、擴散加劇，極化減弱空間電荷極化建立時間：很長、幾秒至幾十分或更長空間電荷極化僅在直流電場或低頻電場下存在2、介電常數（電容率）真空真空平行板電容器電容的定義：與幾何尺寸的關係：極板面積；極板間距容電本領極板間的場強：電位移向量大小：極板電荷面密度：介質平行板電容器介質極化在表面產生的束縛電荷極板上的電荷（極板間的電壓不變）電容：電介質的介電係數介質的極化強度介質的極化強度：介質單位體積內電偶極矩的向量和極化率:相對介電係數是介質極化的宏觀量度；越大、介質極化程度越高介質極化是弛豫的、需要時間的

是弛豫的、是電場頻率的函數頻率，Hz取向極化離子位移極化電子位移極化未考慮電子離子的弛豫極化頻率，Hz取向極化離子位移極化電子位移極化未考慮電子離子的弛豫極化交變電場頻率：時：電子、離子的位移極化，有極分子的偶極取向極化都能跟上電場的變化介電係數與直流電場時相同時：偶極取向極化逐漸跟不上電場的變化，時：偶極取向極化不能實現電子位移極化離子位移極化反常色散區：介電係數跌落的頻率範圍取向極化：離子位移極化：電子位移極化：倒數為鬆弛時間交變電場作用下介電係數隨溫度的變化：極性分子取向極化率：成立前提：分子在介質中能轉動溫度低時：分子不能轉動、小分子轉動可能溫度過高時：破壞分子沿電場的取向降低極化介質時合適的溫度至關重要極性分子電介質：分子的取向極化是主要極化機制電場中的取向不能實現五、絕緣體（二）電介質1、電介質極化2、介電常數（電容率）3、介電損耗3、介電損耗~真空電容器介質電容器加交變電壓：極板電荷：電路中的電流：電流的相位超前電壓理想電介質：絕對的絕緣、不存在電傳導，且極化與電容電流電流的相位仍超前電壓電場的強度和頻率無關，即極化（）不變平行板：真實電介質：極化時存在的漏電－傳導電流，且極化與電場的強度和頻率有關總電流：理想電介質電容充放電電流；介質極化建立電流；電介質漏電電流與電壓同位相電介質電導率（等效）複數電導率：複數介電常數：複電容：用描述總電流：與電壓同位相、能量損失與電壓的位相差為90度、無能量損失介質損耗因數：損耗角電工學參數——電介質品質因數：希望值高

討論：（1）介電損耗的根源a、介質漏電（介質電導）；b、介質極化的馳豫（2）影響介電損耗的因素除與材料有關外，還與電場頻率和強度及溫度有關a、電場頻率的影響頻率在色散區外：各種極化機制或能夠、或完全不能夠跟上電場的變化、極化能量損耗小頻率在色散區：頻率，Hz介電損耗處於色散區的極化機制不能完全跟上電場的變化，減小、該極化機制的極化阻力大、極化能量損耗大b、溫度的影響溫度較低：有極分子被凍結、取向不能實現、能量損耗小有極分子逐步被解凍、損耗增加隨溫度升高：溫度高：有極分子易動、損耗減小溫度極高：介質電導急劇增加、損耗劇增4、介電擊穿強度——電介質能承受的最大電場強度介電擊穿強度：介質材料在擊穿強度以下是絕緣的，場強超過該值時介質瞬間導通、電流劇增，甚至融化、燒焦（以有極分子的取向極化為例）介電擊穿強度臨界場強：介質抵抗絕緣性破壞的能力電子元件、電氣設備安全使用的重要指標規律：弱電場時：一定，電阻率一定、與無關較強電場時：場至激發可使雜質能級上的電子進入導帶、使雜質離子（弱聯繫離子）受激參與導電電場足夠強：受激發的電子和離子數劇增、運動速度增大，並通過碰撞使更多價帶電子進入到導帶雪崩式連鎖導電、介質擊穿影響規律：介質擊穿強度受許多因素影響、變化很大應用：影響因素：內因：材料成份、缺陷、雜質、加工工藝、厚度、表面狀態；外因：電場頻率和波形、環境條件及測試條件等介電擊穿強度不是材料的本征物理量，測量值對同種材料僅具有參考意義所有電介質材料：希望小、擊穿強度高減小能耗、避免發熱、提高元件的使用壽命電容器介質：要大雷達天線透波材料、電纜絕緣材料：要小（減小空間電荷效應）泡沫或蜂窩狀的非極性聚合物是好的選材高頻注塑技術:要求極性高分子的介電損耗大極性高分子可在高頻電場作用下在極短的時間內加熱到流動溫度如電磁感應爐、熱是從材料內部均勻產生第一節材料的電性質六、材料的其他電性質六、材料的其他電性質（一）超導性1、概述處於正常態的材料具有電阻超導態：材料失去電阻的狀態超導性：在某一溫度下材料突然失去電阻的性質臨界溫度1908：荷蘭的Onnes獲得液氦（1K）；1911：Onnes發現水銀在4.2K附近電阻突然降到無法檢測的程度~1960：鈮鈦、鈮錫、鈮鍺等20多種金屬、合金、化合物也具有超導性它們的超導臨界溫度：太低、難以實際應用電阻率超導材料普通金屬材料溫度，K超導理論的發展：1957：J.Bardecen,L.N.CooperandJ.R.Schriefler提出BSC理論具有相同能量、但自旋方向相反的電子組成的電子對，不受原子點陣、缺陷和熱擾動的影響庫伯電子對理論：預言金屬和金屬間化合物的超導臨界溫度不超過30K1960~：在氧化物中尋找高溫超導材料1979：超導體1986：J.G.BedorzandK.A.Miller發現Ba-La-Cu多元氧化物超導體，1987：趙忠賢發現了臨界溫度在液氮以上的超導體：材料中具有氧空位首次實現了液氮溫度（77K)以上的超導轉變1987~:釔1987：趙忠賢發現了臨界溫度在液氮以上的超導體：材料中具有氧空位首次實現了液氮溫度（77K)以上的超導轉變1987~:釔2、超導態特性和超導體的性能指標（1）超導態特性a、完全導電性進入超導態的超導體中一旦激發電流，長久存在、永不衰減等勢體：體內場強：b、完全抗磁性體內磁感應強度為零正常態超導態內邁斯納效應Meissnereffect處於超導態的超導體是完全抗磁體、具有遮罩磁場、排除磁通的功能。（2）超導材料的三個性能指標a、超導體的臨界轉變溫度越接近室溫越好，金屬氧化物高溫超導體：b、臨界磁感應強度1234567施加外磁場超導性破壞、超導體從超導態回到正常態臨界磁感應強度隨溫度變化、近似為拋物線關係溫度為絕對零度時的臨界磁感應強度超導體的臨界轉變溫度是不加磁場時的值處於超導態的超導體c、臨界電流密度除外磁場影響超導態的轉變外、超導體中的電流也會影響超導態的形成超導體中的電流在空間激發磁場、其磁場達到時，超導態被自身磁場破壞原因：臨界電流密度：超導態被破壞時的電流密度隨溫度的變化關係：溫度為絕對零度時的臨界電流密度與臨界磁感應強度完全類似

：受外磁場的影響；

：受體內電流的影響相互影響3、超導體的應用研究的目的：應用不僅能製造塊狀超導材料、利用物理或化學沉積已能製造薄膜超導材料對超導器件的製造非常重要系金屬化合物液氮中等工業規模開發、具有應用前景超導體的應用：核磁共振（NMR）成像系統，磁懸浮列車，粒子加速器，核聚變，磁流體，電能儲存系統等高靈敏度、高速電子器件，電能輸送（能耗極低），電腦、紅外成像等鈮（二）鐵電性（ferroelectricity）某些離子晶體具有自發極化的性質自發極化：並無外電場作用、但體內有較強的電極化強度。具有自發極化、且自發極化的方向可被外電場改變的晶體鐵電體：如同鐵磁體、鐵電體並不一定含有鐵鐵電體的關係與鐵磁體的類似存在類似於磁滯現象的電滯現象電滯回線鐵電體鐵電性的起源：如同鐵磁性的起源：鐵電體中存在電疇電疇：含有永久電偶極矩的社區，社區中各晶胞的電偶極矩方向相同電疇具有強電偶極矩實際鐵電體的各電疇的電偶極矩方向一般不同；鐵電晶體通常宏觀上對外不顯電性有許多晶粒組成的鐵電陶瓷更是如此鐵電體的極化：適當的高溫下、強直流電場的作用，使各電疇的電矩沿外電場的方向取向，維持外場下緩慢冷卻材料到室溫適當的高溫：電疇的取向可實現、又不會顯著破壞已取向的電疇維持外場、冷卻到室溫：凍結已取向的偶極子鐵電體居裏溫度：鐵電體在某一溫度以上、失去鐵電性居裏溫度：臨界溫度典型的鐵電材料：側視圖立體圖立方相：正負離子中心重合，晶胞無電偶極矩、無鐵電性四方相：

離子和周圍離子略向相反方向移動、產生方向向上的永久電偶極矩。第一節材料的電性質六、材料的其他電性質（一）超導性（二）鐵電性（ferroelectricity）（三）壓電性（三）壓電性1880：Piere.CurieandJacques.Curie

首先發現壓電效應：對石英單晶在一些特定方向上加力、在與力垂直方向的平面上出現正、負束縛電荷壓電體已有超千種、可以是單晶、陶瓷（多晶）、聚合物、生物體壓電效應分為正、負壓電效應：受機械力作用的晶體，在一定方向的表面上產生束縛電荷，電荷面密度與所受的應力大小成正比正壓電效應：與力平行或垂直機械能轉換為電能的過程晶體在外電場激勵下，晶體的某些方向上產生形變（諧振）的現象負壓電效應：石英單晶正壓電效應：135246未受力時：正負電中心重合受力時：（1）晶片受沿y方向的壓縮力縱向壓電效應1352461,4離子向中心；6,5,2,3離子向外移動表面A出現負電荷；表面B呈正電荷橫向壓電效應（2）晶片受沿x方向的壓縮力246351135246未受力6,5,2,3離子向內移動同樣數值；1,4離子向外移動C和D面不出現電荷；表面A和B呈現電荷（3）晶片受沿z方向的壓縮或拉伸力正、負電荷中心始終重合，不出現束縛電荷135246未受力正壓電效應本質：外力改變了晶體中的離子原來的相對位置、在特定的方向上產生束縛電荷、出現淨電偶極矩中心對稱的晶體受力時不會改變其中心對稱性、無壓電效應鐵電體必具有強壓電性，但壓電體不一定是鐵電體壓電晶體：結構上必須是無對稱中心；組成上必須是離子、或離子性原子、或含離子基團的分子分子晶體無壓電效應第二節材料的磁性質磁性與物質的微結構密切相關，不僅取決於原子結構、還與原子鍵合、晶體結構一、磁學基本量的回顧平面載流線圈（圓電流）的磁矩：電流，線圈所圍的面積的方向與電流方向構成右手螺旋非平面載流線圈的磁矩：線圈的磁矩載流線圈所受的磁力矩載流線圈在磁場中將受磁場的作用磁場中的小平面載流線圈或勻強磁場中的平面載流線圈：合磁場力：合磁力矩：與方向一致時磁能最低磁感應強度與磁場強度的關係真空中：磁介中：真空磁導率磁介質相對磁導率磁化與磁化強度磁化：物質在磁場中或強或弱要顯示磁性磁化強度：描述物質磁化強弱的物理量定義：單位體積內分子磁矩的向量和分子磁介質中的關係與的宏觀或實驗關係二、物質磁性的分類五類磁介質的磁化曲線抗磁反鐵磁順磁亞鐵磁鐵磁據磁化率或相對磁導率，物質的磁性可分為：1、抗磁體在外磁場中顯示與外場方向相反的、微弱的磁性金屬中約一半是抗磁：等2、順磁體在外磁場中顯示與外場方向相同的、微弱的磁性。Pt,Pd(鈀)，奧氏體不銹鋼，稀土金屬：Li,Na,K,Rb(銣)3、鐵磁體五類磁介質的磁化曲線抗磁反鐵磁順磁亞鐵磁鐵磁很大、與外磁場成非線性關係變化較弱的磁場能產生很大的磁化強度。金屬：Fe,Co,Ni等鐵磁體在溫度高於某一臨界溫度（居裏溫度）變成順磁體4、亞鐵磁體比鐵磁體稍小、具有與鐵磁體類似的磁性如：磁鐵礦（Fe3O4）、鐵氧體等亞鐵磁體電阻率較大、適於製作電阻率大的磁性元件5、反鐵磁體五類磁介質的磁化曲線抗磁反鐵磁順磁亞鐵磁鐵磁很小的正數，溫度低於某溫度時，磁化率同磁場的方向有關，高於這一溫度時其行為同順磁體如：氧化鎳、氧化錳等三、原子磁矩、抗磁性和順磁性的起源1、原子磁矩電子軌道磁矩、電子自旋磁矩和原子核磁矩原子磁矩：原子核磁矩：電子磁矩的幾千分之一、可忽略通常所指的原子磁矩是原子中所有電子的軌道磁矩和自旋磁矩的向量和電子軌道磁矩電子繞原子核運動猶如一圓電流、具有磁矩電子軌道磁矩大小：軌道角動量軌道半徑，電子品質，軌道運動角速度電子自旋磁矩電子軌道磁矩在外磁場方向上的分量滿足量子化條件：磁量子數Z:外磁場方向玻爾磁子、電子磁矩的最小單元外磁場中的取向：兩種方向相反的取向外磁場方向和與外磁場相反的方向原子中填滿電子的殼層或次殼層形成一中心對稱的集體，電子軌道磁矩和自旋磁矩相互抵消原子磁矩是原子未成對電子的軌道和自旋磁矩的向量和惰性氣體，及等無固有磁矩具有滿殼層的原子或離子總磁矩為零2、抗磁性的起源原子組成上，抗磁物質由電子殼層或次殼層被填滿的原子或離子構成原子或離子無固有磁矩、無外場時不顯磁性抗磁物質處於外場中，電子產生附加的軌道運動、引起與外磁場方向相反的附加磁矩抗磁性抗磁物質：除金屬等，惰性氣體、離子固體、共價鍵的C,Si,Ge及大部分有機物質3、順磁性的起源順磁性物質的原子具有固有磁矩無外磁場時，熱運動引起原子磁矩取向雜亂無章，順磁體宏觀上不顯磁性外磁場不僅引起原子磁矩的擇有取向，同時引起與外磁場方向相反的附加磁矩但抗磁性被順磁性掩蓋順磁磁化率是抗磁磁化率的：倍順磁性物質：稀土金屬：Li,Na,K,Rb(銣)，居裏溫度以上的Fe,Co,Ni等大多數物質有外磁場時，原子磁矩在磁場中擇優取向，順磁體呈現與外磁場方向相同的磁性四、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性的機制1、鐵磁性的機制鐵磁質：以鐵為代表的在外磁場中能產生很強磁性的物質鐵磁性起源於電子的自旋磁矩，是否具有鐵磁性不僅決定於原子是否具有淨自旋磁矩、還與原子在晶格中的排列方式有關原子3d電子4s電子淨自旋磁矩FeCoNi2224323d未成對電子數過渡族元素有鐵磁性原子具有未成對d電子或f電子只是具有鐵磁性的必要條件有未成對d電子（5個），但無鐵磁性原子接近、電子雲相互疊加量子理論鐵磁性形成的條件：計算結果表明：相鄰原子的電子交換積分為正時，相鄰原子的電子自旋磁矩同向平行排列、形成磁性很強的自發磁化區——磁疇結果還表明：原子間距與參與交換作用的電子軌道直徑之比大於3時，交換積分才可能為正滿足自發磁化條件不滿足自發磁化條件鐵磁非鐵磁稀土金屬鐵磁性起源於未成對的4f電子的自旋磁矩2、反鐵磁性的機制反鐵磁性物質相鄰原子的電子交換積分為負，相鄰原子磁矩大小相等、方向相反原子磁矩相互抵消、自發磁化為零如：許多金屬氧化物：3、亞鐵磁性的機制絕大部分是金屬氧化物—鐵氧體，電性屬半導體，常作為高頻磁介質使用由自旋磁矩大小不同的兩種原子或離子組成，相同原子的磁矩同向平行排列，不同原子的磁矩方向相反兩種原子的磁矩：方向相反、大小不等，不能完全抵消、對外呈現宏觀磁性亞鐵磁性物質：由具有淨自旋磁矩的原子組成鐵磁、反鐵磁、亞鐵磁，磁矩的有序排列鐵磁性反鐵磁性亞鐵磁性五、溫度對磁性的影響所有原子的磁矩完全沿相同方向排列，磁化強度最大、為單個原子磁矩與原子數密度的乘積磁介質的飽和磁化強度：實際值小於這一嚴格意義的飽和值嚴格意義上-2002000.56008001.01.52.0溫度，純FeFe3O4飽和磁化強度溫度升高：自發磁性、磁疇消失。這一特徵溫度稱為居裏溫度原子熱運動加劇、原子磁矩取向混亂，磁疇磁矩、飽和磁化強度降低溫度升高到某一值：鐵磁變成順磁的居裏溫度：五、磁化和退磁化1、磁疇和磁疇壁未經磁化的鐵磁體各磁疇的取向無序、磁矩向量和為零，對外不顯磁性磁疇壁：相鄰磁疇間的界限、一個有一定厚度的過渡層磁疇壁磁疇壁兩種磁疇壁過渡層（磁壁）中原子磁矩的方向:逐漸從一個磁疇方向向另一個磁疇方向改變2、磁化曲線或非線性未曾磁化過的鐵磁質：緩慢增加，迅速增加，緩慢增加，飽和飽和磁感應(磁化）強度變化鐵磁體的磁化曲線：3、磁化過程的本質磁化過程：磁疇結構的變化過程磁矩方向與磁場方向接近的磁疇長大；磁矩方向與磁場方向相背的磁疇變小磁疇轉向外場的方向、飽和狀態4、退磁化曲線及磁滯回線退磁化過程，退磁化曲線不按原路返回剩磁矯頑力磁滯現象：B始終滯後於H磁滯回線：磁滯現象的本質：磁疇在變化過程中受到阻力一個週期內的磁滯損失：（磁滯回線所圍的面積）磁滯損失與交變磁場的振幅及頻率有關七、磁性材料1、軟磁材料按矯頑力磁性材料分為兩類：硬磁軟磁特點：低矯頑力、高磁導率、低磁滯損耗磁滯回線：細窄、陡峭軟磁材料主要應用於：導磁體——變壓器、繼電器的鐵心；馬達的定子、轉子；開關元件材料中的析出相、雜質會導致矯頑力增加、磁導率下降、磁滯損失增加優良軟磁材料應是質勻、純度高易磁化、易退磁2、硬磁材料硬磁軟磁交變磁場中材料不僅存在磁滯損失還有渦流損失用於鐵芯等的材料不僅要軟磁特性好、電阻率也要高常用軟磁材料：固溶體合金（Fe-Si,Fe-Ni）、鐵氧體特點：剩餘磁感應強度大、矯頑力大磁滯曲線寬、高磁化後具有強的剩磁、用於永磁材料三個高的磁性指標：最大磁能積最大磁能積：退磁曲線上B,H乘積的最大值越大、在空間產生的磁場越強材料中的析出顆粒能有效阻礙磁疇壁的運動、提高HC如：合金中碳化物沉澱顆粒硬磁材料有：鐵氧體、鋁鎳鈷、稀土鈷及稀土鐵類合金應用於：揚聲器、電錶、磁力舉重設備、磁力選礦設備第三節材料的熱性能材料熱性能包括：熱容、熱膨脹、熱傳導等材料熱性質是工程設計、選材的重要參數、是熱分析的基礎一、材料的熱容基本概念：熱容、比熱、定容（定壓）摩爾熱容固體吸收的熱能主要用於增加原子振動能量和自由電子動能自由電子熱容（即使金屬）遠小於原子振動熱容：固體熱容熱容本質及熱容隨溫度變化的認識歷程：經典熱容理論愛因斯坦量子熱容理論德拜量子熱容理論1、經典熱容理論氣體分子熱容理論在固體中的推廣能量按自由度均分原理在平衡態下，物質分子的每一個自由度都具有相同的平均動能物質：氣體、液體或固體19世紀，Dulong–petit認為：晶體中每個原子具有個三振動自由度；每個振動自由度又包括振動動能和振動勢能原子每個振動自由度平均擁有的能量：每個原子平均擁有的振動能量：N個原子組成的晶體的總振動能量：晶體定容摩爾熱容：與溫度無關的常量結果的局限性：僅適用於處於較高溫度的部分金屬2、愛因斯坦熱容模型愛因斯坦晶格振動量子化理論假定：晶格中的每個原子做獨立振動、振動頻率為；原子振動能量是量子化的每個振子的振動能量：Plank常數，聲子量子數

(0,1,2,3,….)零點能能量為En

的振子數：(Boltzmann幾率分佈)溫度T、振動頻率為的振子的平均能量：1mol晶體的平均振動能量：晶體定容摩爾熱容：愛因斯坦函數愛因斯坦溫度（2）晶體溫度很低：討論：（1）晶體溫度較高:與經典理論一致實驗結果：比實驗結果更快地趨於零低溫時愛因斯坦熱容模型與實驗不一致振動頻率也不完全相同每個原子振動不獨立、存在聯繫；3、德拜熱容模型理論認為：晶體可看作連續介質，晶體中原子間存在彈性原子的振動整體振動晶格振動晶格波、彈性波原子具有寬的振動頻譜：頻率在間振子數：頻率分佈函數,斥力和引力，原子的振動相互牽連、相互制約晶體中的原子數原因：頻率分佈函數:(可由晶格振動的彈性波理論推得)晶體中的縱、橫波傳播速度溫度T、振動頻率為的振子的平均能量：(遵循Boltzmann幾率分佈)晶體熱振動能量：德拜溫度：德拜函數：晶體定容摩爾熱容：（2）晶體溫度很低：討論：（1）晶體溫度較高:與經典結果一致與實驗結果符合德拜3次方定律很好地描述了晶體熱容溫度，K定容摩爾熱容CV,m3R0二、材料的熱膨脹1、熱膨脹係數所有材料都有熱脹冷縮性平均線熱膨脹係數：熱膨脹係數溫度T1

時的試樣長度；溫度T2

時的試樣長度平均體熱膨脹係數：溫度T1

時的試樣體積；溫度T2

時的試樣體積熱膨脹係數一般是溫度的函數線熱膨脹係數和體熱膨脹係數2、熱膨脹的起因溫度T時的線熱膨脹係數：溫度T時的體熱膨脹係數：熱膨脹係數是工程上重要的物理參數之一：許多材料的線熱膨脹係數是各相異性各向同性材料（立方系）：材料間的封接，真空系統中要求材料的熱膨脹係數相近、否則易漏氣；多晶、多相的複雜結構的材料中，各相、各方向膨脹係數的不同會引起熱應力熱膨脹的本質：原子平均距離隨溫度的增大起因於：原子間作用力隨距離非線性變化、原子的振動是非簡諧振動距離力引力斥力合力平衡位置(合力為零)的兩側合力曲線的斜率不等0原子相互作用勢能曲線勢能曲線關於處的虛線不對稱原子間作用力作用力和勢能曲線的斜率較大；作用力和勢能曲線的斜率較小；03、影響熱膨脹因素0原子振動時的平均距離：溫度越高、振幅越大，原子在平衡位置兩側受力的不對稱越顯著，新平衡位置右移越多、越大，晶體膨脹越大。溫度T、平均位置原子振動能量原子平均間距隨溫度的變化：熱膨脹與結構有關：非晶材料屬液相結構，材料的熱膨脹除起因於原子間距的增大外、還與材料中的自由體積（未被原子佔據的空位）的膨脹有關材料的結構和化學鍵熱膨脹與原子結合鍵有關：結合鍵強、熱膨脹小離子鍵、共價鍵結合的材料：熱膨脹小；以共價鍵和範德瓦爾斯結合的聚合物：熱膨脹係數最大金屬鍵：具有中等的熱膨脹係數；

材料陶瓷金屬聚合物三、材料的導熱性1、傅裏葉導熱定律材料溫度不均勻時，或兩溫度不同的物體相接觸時，熱量自動從高溫區向低溫區傳遞熱傳導：均勻金屬棒的兩端分別與兩恒溫熱源接觸熱平衡時各處的溫度不隨時間變化穩態熱流密度：單位時間內通過與熱傳導方向垂直的單位面積的熱能通過金屬棒的熱流密度：負號：熱能從高溫向低溫傳遞熱導率，單位：熱導率反映材料的導熱能力、不同材料的導熱能力差異很大絕緣材料：金屬：合金：非金屬：2、熱傳導機理（微觀機制）固體的組成質點只能在平衡位置附近作微小振動，不能像氣體依靠分子碰撞傳遞熱量固體導熱機制：聲子（晶格振動的晶格波）和自由電子固體熱導率：聲子熱導率電子熱導率非金屬和絕緣材料：以聲子導熱為主純金屬：以電子導熱為主合金：電子和聲子共同起作用a、金屬的熱導率金屬主要熱載流子

—自由電子（電載流子）熱導率和電導率間的聯繫：不太低的溫度下（Wiedemann–Franz首先發現）金屬熱導率與電導率之比正比於溫度洛侖茲係數(Lorentznumber)理論值：b、合金的熱導率如同合金的電導率比純金屬的電導率，合金金屬原因：合金中的自由電子受合金晶格、雜質、非均勻相的散射強烈10203040組成，熱導率Cu–Zn合金熱導率隨Zn含量的變化Zn含量增加、熱導率下降c、非金屬（陶瓷）、聚合物的熱導率傳遞熱量的熱載流子主要是聲子陶瓷的組成和結構遠比金屬複雜：除晶相、還包括玻璃相及一定的空隙聲子在傳播時受原子排列高度無序的不均勻相的強烈地散射熱的不良導體、熱導率遠小於金屬陶瓷中的空隙對熱導率影響最大，空隙率高、導熱率低多孔陶瓷、多孔聚合物絕熱材料四、材料的熱應力材料熱脹或冷縮引起的內應力熱應力：引起材料塑性變形、特性變化、甚至斷裂熱應力主要來源下列三個方面：1、熱脹冷縮受到限制產生的熱應力均質、各向同性的棒，受到均勻加熱或冷卻、棒內不存在溫度梯度若棒兩端未被夾持：棒能自由膨脹或收縮、內部無熱應力若棒兩端被剛性固定：溫度：熱應力：彈性模量；應變、線性相對變化量加熱時棒受壓縮應力作用；冷卻時棒受拉伸應力作用2、溫度梯度產生的熱應力材料受熱或冷卻時，內部溫度分佈與其形狀、大小及熱導率，和溫度變化率有關3、多相複合材料中各相膨脹係數不同引起的熱應力材料中若有溫度梯度，引起熱應力例：材料被從外部迅速加熱或冷卻：加熱：表面比內部溫度高、表面膨脹比內部大，相鄰的內部限制表面的自由膨脹，冷卻：表面受拉應力、相鄰內部受壓應力與情況2類似不是機械力的約束、而是各相間膨脹、收縮的相互制約引起表面受到壓應力、相鄰內部受到拉應力第四節材料的光學性質光在高科技的地位不斷提高，電子器件和光子器件融合

－

光集成器件是重要的研究方向一、光的屬性、光與物質的作用1、光的屬性回顧光的波動性與粒子性有些情況波動性占主導地位；有些情況粒子性占主導地位波動性與粒子性的聯繫方程：光子能量通常意義的光—可見光：電磁破光（電磁）波—橫波，兩個振動向量：電場強度傳播方向磁場強度電磁波在真空中傳播速度：電磁波在介質中傳播速度：介質的相對介電常數和相對磁導率2、光與物質的作用從一種介質（空氣）入射另一種介質的光成為四部分：反射、透射、散射、吸收部分入射光束強度，反射強度，透射強度，散射強度，吸收強度反射率、透射率、散射率、吸收率金屬對可見光不透明入射光反射吸收b、電子能態轉變光與物質間作用的實質光子與物質中的原子、離子、電子間的相互作用兩種主要作用：電子極化和電子能態變化a、電子極化光波中電場分量對物質的作用遠大於磁場分量的作用光波的交變電場引起的電子位移極化電子極化:電子極化吸收部分光能、引起光速減小、導致光的折射光子的吸收或散射一般涉及電子能態的轉變光子因被吸收或被散射而消失或改變方向和能量；電子因吸收光子的能量而被激發到高能態孤立原子吸收光子的情況：頻率為的入射光子能量E2

能級上的電子只有吸收能量為的光子，才能到達E4

能級孤立原子能級是分立能級，電子對吸收光子的能量有嚴格的要求電子能級晶體吸收光子的情況：晶體中、原來孤立原子的分立能級被準連續的能帶所取代孤立原子晶體易於實現躍遷條件躍遷輻射：激發的逆過程電子在激發態停留時間很短，由激發態回到基態、產生電磁輻射，過程可是直接、也可是間接二、金屬的光學特性入射光子能量費米能級滿態空態金屬的光學性質與金屬的能帶密切有關費米能級以上為準連續的空能級；以下為充滿電子的準連續的能級（絕對零度下）除高頻電磁輻射—射線、射線外，幾乎所有的低頻輻射光子（無線電波—紫外），都能被吸收

金屬對可見光不透明：入射光反射吸收第四節材料的光學性質一、光的屬性、光與物質的作用任意光子總能找到一個空能級E、滿足躍遷條件：以下的佔有電子能級金屬不透明，厚的金箔幾乎可吸收全部入射光子滿態空態發射光子反射光：光激發的電子的躍遷輻射光大多數金屬的反射係數：入射光中僅一小部分在金屬表面層內以熱的形式損耗掉金屬的顏色：不是由吸收光的波長決定、而是由反射光的波長決定日光照射下大多金屬呈現銀灰色有色金屬：反射光中該顏色波長的可見光成分多三、非金屬的光學性質1、折射對可見光可能透明或不透明；存在反射、折射、吸收、散射折射：光從一種介質進入另一種介質時方向改變的現象折射率：光在介質中的傳播速度與光波波長有關：棱鏡的色散介質中的光速度：組成原子或離子越大，電子極化愈高、折射率越大大多數非金屬測折射率相對介電常數：光電場（高頻）下:介質極化由電子位移極化決定，離子極化、偶極取向極化幾乎不起作用介質的介電性、光速在介質中的減小主要由電子位移極化引起介質折射率與組成原子或離子的大小有關：普通玻璃：摻Ba或Pb離子玻璃:材料結構的各相異性導致光學性質的各相異性，立方晶體各向同性反射率：反射強度與入射強度之比2、反射光從一種介質入射到折射率不同的另一種介質時，兩介質的介面上產生反射反射定律、能量守恆定律垂直入射、反射率真空或空氣：反射率與波長有關折射率與波長有關3、吸收（1）電子位移極化對所有材料都存在、只有在色散區非金屬材料光吸收三種機理：才有顯著的吸收—共振吸收（2）本征吸收價帶電子吸收光子越過禁帶直接到導帶本征吸收本征吸收的實現條件：光子能量：可見光可激發的最大禁帶寬度：禁帶寬度大於3.1eV的非金屬不可能以這種機理吸收光子的高純度材料應無色透明的材料：對可見光不透明可見光能量最小的光子：紅光子禁帶寬度小於1.8eV的材料可吸收各種可見光子的材料：部分吸收可見光、帶色透明非金屬材料的不透明波長：紅線金剛石：紅線雜質能級（3）雜質吸收（禁帶中的吸收）價電子吸收光子進入禁帶中的雜質或缺陷能級；雜質或缺陷能級上的電子吸收光子到導帶雜質或缺陷能級起到從價帶嚮導帶轉移電子的中轉站

禁帶中雜質或缺陷能級的存在使價電子能吸收更小能量的光子禁帶中的吸收只有當材料中含有較多雜質時才顯著導帶電子可直接躍遷到價帶與空穴複合、也可經雜質能級再到價帶，產生能量不同的光子4、絕緣體的半透明和不透明性絕緣單晶體：大、光透明實際陶瓷材料：不僅不是單晶體、而且是多相體晶相、非晶相、氣相（氣孔）組成上：除基本成分外、還有添加劑、填料、雜質多晶材料(即使僅晶相)：也可能是半透、甚至不透明多相材料：不僅存在晶界上的散射，晶相、非晶相、氣相多相體：原因：各微晶取向不同，晶界上的反射和折射引起光線的散射(晶體折射率各向異性)間的介面上存在更強的散射（折射率差異更大)透光性較多晶材料差高分子聚合物純非晶、均相：透明（折射率各處相同）結晶性聚合物：半透、甚至不透明晶相組成：晶區和非晶區折射率差異大、介面散射強1、發光現象四、其他光學現象光可見光發光：產生的電磁輻射光子為可見光子的過程可見光子的能量：如：聚乙烯、全同立構聚丙烯、聚四氟乙烯、尼龍等提供發光體能量—電能、熱能、電磁輻射能、化學能等實現持續發光的條件：物質發的光為兩種：熱光和冷光冷光則非溫度升高所致，另有發光機理熱光由溫度升高所致如：燈泡發光物質因受外來光線、電子和高能粒子的照射或衝擊等光致發光自然界中的許多生物發光：細菌、真菌、蠕蟲、軟體動物、甲殼動物、昆蟲和魚類等。動物發光不是溫度升高所致，－“冷光”

冷光發光分為二類：螢光和磷光螢光的延遲時間：磷光的延遲時間：發光延遲時間螢光發光過程：導帶中的電子直接躍遷到價帶、與空穴複合的過程磷光發光過程：磷光體中的雜質、在禁帶中產生雜質能級冷光源是新型高效光源螢光與磷光的區別：電子由激發態回到基態所經過的途徑不同，從激發至發光的時間間隔不同光源切斷後還能看到的光－磷光，而螢光則會很快消失導帶電子雜質能級、被捕獲價帶、與空穴複合逸出捕獲阱發光的延遲時間長螢光發光螢光燈水銀和惰性氣體的混合氣體輝光放電紫外線激發螢光劑螢光劑的發光弛豫時間越小越好螢光劑的基質：鹵代磷酸鈣，螢光劑的活化劑：銻、錳磷光發光電視機螢光屏螢光屏的磷光劑的弛豫時間要適當過短或過長缺影或重影2、光電性光電性：光照到材料上引起材料的電導率的變化光電材料半導體材料光半導體價電子激發或產生電流的現象導帶電子、價帶空穴增加電導率增大一定範圍內：（光強）光電導：光電流：太陽能電池工作原理常用磷光劑基質：

（Ca,Sr,Ba,Zn,Cd等）金屬硫化物活化劑：金屬Ag,Cu,Mn,Al等PN結內電場太陽能電池工作原理太陽光照射PN結P區和N區產生電子和空穴PN結內電場的形成