電子材料期末總結(jié)

1、電子材料期末總結(jié)固體物理學(xué)部分固體物理學(xué)是電子材料物理的理論基礎(chǔ)1、電子材料的結(jié)晶狀態(tài)分類：晶體：長(zhǎng)程有序 有固定熔點(diǎn)非晶體：短程有序 沒(méi)有固定熔點(diǎn)準(zhǔn)晶體：有準(zhǔn)周期性 無(wú)長(zhǎng)程有序性2、電子材料的學(xué)科領(lǐng)域：1）、半導(dǎo)體材料2）、電介質(zhì)材料3）、磁性材料4）、金屬材料5）、超導(dǎo)材料其中半導(dǎo)體材料又包括光電材料、溫差電阻材料、集成電路材料、太陽(yáng)能電池；磁性材料包括：軟磁材料、硬磁材料、磁記錄材料。第一章 晶體結(jié)構(gòu)1、七大晶系：三斜、單斜、立方、四方、正交、三角、六角。十四種布拉伐格子，32種點(diǎn)群，230種空間群。2、晶列和晶面指數(shù)晶列：通過(guò)一格點(diǎn)可以有無(wú)限 多個(gè)晶列，其中每一晶列都有一族平行的晶列與

2、之對(duì)應(yīng)，在一平面中，同族的相鄰晶列之間的距離相等。晶面指數(shù)：晶體內(nèi)三個(gè)非共線結(jié)點(diǎn)組成的平面，同族晶面中，相鄰兩晶面的距離。通常用彌勒指數(shù)表示。3、倒格子 倒格子并非物理上的格子，只是一種數(shù)學(xué)處理方法，它在分析與晶體周期性有關(guān)的各種問(wèn)題中起著重要作用。倒格子基矢與正格子基矢的關(guān)系：計(jì)算表明fcc的倒格子是bcc，bcc的倒格子是fcc。4、倒格矢的性質(zhì)： 是密勒指數(shù)為 所對(duì)應(yīng)的晶面族的法線。其中：5、倒易點(diǎn)陣和布里淵區(qū)在倒易點(diǎn)陣中，以某一格點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，做所有倒格矢的垂直平分面，道義空間被這些平面分成許多包圍原點(diǎn)的多面體區(qū)域，這些區(qū)域稱做布里淵區(qū)，其中最靠近原點(diǎn)的平面所圍成的區(qū)域稱做第一布里淵區(qū)

3、。倒易點(diǎn)陣和14種晶體點(diǎn)陣是一一對(duì)應(yīng)的，因此，只有14種類型的倒易點(diǎn)陣和14中不同形狀的第一布里淵區(qū)。第一布里淵區(qū)的形狀只與晶體的布拉伐點(diǎn)陣的幾何性質(zhì)有關(guān)，與晶體的化學(xué)成分、晶胞中的原子數(shù)目無(wú)關(guān)。6、布拉格定律：7、布拉格定律的應(yīng)用：1）、用已知波長(zhǎng)的X射線去照射晶體，通過(guò)衍射角的測(cè)量求得晶體中各晶面的晶面間距d，這就是結(jié)構(gòu)分析X射線衍射學(xué)；2）、用一種已知面間距的晶體來(lái)反射從試樣發(fā)射出來(lái)的X射線，通過(guò)衍射角的測(cè)量求得X射線的波長(zhǎng)，這就是X射線光譜學(xué)。該法除可進(jìn)行光譜結(jié)構(gòu)的研究外，從X射線的波長(zhǎng)還可確定試樣的組成元素。8、系統(tǒng)消光（或結(jié)構(gòu)振幅）定義結(jié)構(gòu)振幅為F：各種晶胞的結(jié)構(gòu)振幅：Bcc結(jié)構(gòu)：

4、a. 當(dāng)H+K+L=奇數(shù)時(shí)，F(xiàn)=0 b當(dāng)H+K+L=偶數(shù)時(shí)，F(xiàn)=4ffcc結(jié)構(gòu)：h+k=2n，k+l=2n，l+h=2n，F(xiàn)=4f簡(jiǎn)單立方：該種點(diǎn)陣其結(jié)構(gòu)因數(shù)與HKL無(wú)關(guān)，即HKL為任意整數(shù)時(shí)均能產(chǎn)生衍射。9、晶體結(jié)構(gòu)金屬晶體：金屬鍵；無(wú)方向性；原子呈圓球狀密堆積 共價(jià)晶體的晶體結(jié)構(gòu)：共價(jià)鍵方向性、飽和性， 配位數(shù)和方向受限制（配位須成鍵）分子晶體的晶體結(jié)構(gòu)：組元為分子范氏力和氫鍵。離子晶體的晶體結(jié)構(gòu)：離子鍵，無(wú)方向性。其他幾種材料結(jié)構(gòu)：非晶體、準(zhǔn)晶體、液晶體。10、典型晶體結(jié)構(gòu)：配位數(shù)：指晶體結(jié)構(gòu)中與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù),表征晶體中原子排列的緊密程度。（離子的配位數(shù)越高，離子半徑越

5、大。）密堆度(APF)：是晶胞中原子所占的體積分?jǐn)?shù) APFnv/V式中n為晶胞中的原子數(shù)，v單個(gè)原子的體積，V晶胞的體積。原子個(gè)數(shù)配位數(shù)密堆度Bcc280.68Fcc4120.74Hcp2120.7411、晶體中的固溶現(xiàn)象定義：凡溶質(zhì)原子完全溶于固態(tài)溶劑中，并能保持溶劑元素的晶格類型所形成的物質(zhì)相稱為固溶體。固溶體的分類：1）、 根據(jù)外來(lái)組元在主晶相中所處位置 ，可分為置換固溶體和間隙固溶體。2）、按外來(lái)組元在主晶相中的固溶度，可分為連續(xù)型(無(wú)限型)固溶體和有限型固溶體。影響因素：1）、原子或離子尺寸的影響 2）、晶體結(jié)構(gòu)類型的影響 3）、離子類型和鍵性的影響 4）、電價(jià)因素影響12、晶體中原

6、子的兩種堆垛方式六方密堆：(0001)面沿0001方向逐層堆垛而成，其剛球模型原子按ABABAB排列。立方密堆: 第一層與第二層與密排六方完全相同，第三層不與第一層重合，而是占據(jù)第一層的另三個(gè)三角形間隙，形成ABCABC順序堆垛。第二章 金屬電子論2.1 Sommerfeld的自由電子論1、自由電子模型1）、電子在一有限深度的方勢(shì)阱中運(yùn)動(dòng)，電子間的相互作用可忽略不計(jì)； 2）、電子按能量的分布遵從FermiDirac統(tǒng)計(jì)； 3）、電子的填充滿足Pauli不相容原理；4）、電子在運(yùn)動(dòng)中存在一定的散射機(jī)制。2、在k空間中，電子態(tài)的分布是均勻的，只與金屬的體積有關(guān)；在k空間中，電子的能態(tài)密度并不是均勻

7、分布的，電子能量越高，能態(tài)密度就越大。3、FermiDirac統(tǒng)計(jì)由于電子的填充必須遵從Pauli原理，所以，當(dāng)T=0 K時(shí)，在 k空間中，電子從能量最低的原點(diǎn)開(kāi)始填起，能量由低到 高逐層向外填充，其等能面為球面，一直到所有電子都填完為止。由于等能面為球面，所以，在k空間中，電子填充的部分為球體，稱為Fermi球。將Fermi球的表面稱為Fermi面，F(xiàn)ermi面所對(duì)應(yīng)的能量稱為Fermi能EF0。費(fèi)米能：費(fèi)米半徑：費(fèi)米動(dòng)量：費(fèi)米速度：FermiDirac分布函數(shù)：系統(tǒng)的自由電子總數(shù)為：其中N(E)為能態(tài)密度：，結(jié)論與討論：1）、常溫下可以不必考慮電子熱容量的貢獻(xiàn)。2）、對(duì)電子Pauli順磁有

8、貢獻(xiàn)的并不是金屬所有的自由電子，而只是在費(fèi)米面附近的一小部分電子。2.2 Sommerfeld展開(kāi)式及其應(yīng)用在定量計(jì)算金屬性質(zhì)時(shí)，常會(huì)遇到以下形式的積分：和，這里，f(E)為FD分布函數(shù)，這種積分不能用精確的解析表達(dá)式積出，因而給定量計(jì)算金屬的性質(zhì)帶來(lái)困難。因此，我們對(duì)上述積分進(jìn)行近似處理。2.3 功函數(shù)和接觸電勢(shì)1、實(shí)驗(yàn)表明，熱電子發(fā)射的電流密度為：上式稱為RichardsonDushman公式，其中，A為常數(shù)，W為功函數(shù)（或脫出功），即電子逸出金屬所需克服的勢(shì)壘。2、不同的金屬有不同的功函數(shù)，由于熱膨脹，W是溫度的函數(shù)。2.4 Hall效應(yīng)1、定義：將一通電的導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，若磁場(chǎng)方向與電

9、流方向垂直，那么，在第三個(gè)方向上會(huì)產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象稱為Hall效應(yīng)。2、由Hall系數(shù)的測(cè)量不僅可以判斷載流子的種類（帶正電還是帶負(fù)電），而且還是測(cè)量載流子濃度的重要手段。載流子濃度越低，Hall系數(shù)就越大，Hall效應(yīng)就越明顯。2.5 自由電子模型的局限性1、根據(jù)自由電子論，金屬的電導(dǎo)率sµ 電子密度n，但為什么電子密度較大的二價(jià)金屬（如Be、Mg、Zn、Cd等）和三價(jià)金屬（如Al、In等）的電導(dǎo)率反而低于一價(jià)金屬（如Cu、Ag、Au等）；2、自由電子論無(wú)法解釋為什么有些金屬的Hall系數(shù)會(huì)大于0（如Al、In、Zn、Cd等）；3、 自由電子論不能解釋為什么電子的平均自由程l會(huì)

10、比相鄰原子間距大得多；4、自由電子論不能解釋為什么固體材料會(huì)分成導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體；5、自由電子論認(rèn)為金屬費(fèi)米面的形狀為球面，但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在通常情況下，金屬費(fèi)米面的形狀都不是球面。因此，為了解決這些困難，我們需要考慮電子與晶格之間的相互作用的更復(fù)雜的理論。第三章 能帶理論產(chǎn)生的背景：由于Sommerfeld自由電子近似在處理金屬問(wèn)題時(shí)遺留了許多問(wèn)題，這樣便需要一個(gè)更為先進(jìn)的理論來(lái)解決金屬中的問(wèn)題，所以能帶論就產(chǎn)生了，能帶論中的電子運(yùn)動(dòng)受到晶格勢(shì)的作用，不再只是在一個(gè)原則周圍運(yùn)動(dòng)，而是可以在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)基本假設(shè)：1）、BornOppenheimer絕熱近似：所有原子核都周期性地

11、靜止排列在其格點(diǎn)位置上，因而忽略了電子與聲子的碰撞。2）、HatreeFock平均場(chǎng)近似：即假設(shè)每個(gè)電子所處的勢(shì)場(chǎng)完全相同，電子的勢(shì)能只與該電子的位置有關(guān)，而與其他電子的位置無(wú)關(guān)。3.1 Bloch定理1、在周期性勢(shì)場(chǎng)中，電子波函數(shù)是布洛赫函數(shù)：，這里，uk(r) = uk(r+Rl) 是以格矢Rl為周期的周期函數(shù)。2、Bloch函數(shù)具有類似行進(jìn)平面波的形式。3.2 一維周期場(chǎng)中電子運(yùn)動(dòng)的近自由電子近似1、近自由電子近似：在周期場(chǎng)中，電子的運(yùn)動(dòng)幾乎是自由的，我們可以把自由電子看成是它的零級(jí)近似，而將周期場(chǎng)的影響看成小的微擾。3.3 緊束縛近似（TBA）1、背景：由于近自由電子近似只能處理金屬中

12、的價(jià)電子，對(duì)內(nèi)層電子無(wú)能為力，事實(shí)上內(nèi)層電子受到原子實(shí)強(qiáng)烈的束縛作用。2、定義： 當(dāng)晶體中原子的間距較大，因而原子實(shí)對(duì)電子有相當(dāng)強(qiáng)的束縛作用。因此，當(dāng)電子距某個(gè)原子實(shí)比較近時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)主要受該原子勢(shì)場(chǎng)的影響，這時(shí)電子的行為同孤立原子中電子的行為相似。這時(shí)，可將孤立原子看成零級(jí)近似，而將其他原子勢(shì)場(chǎng)的影響看成小的微擾。這種方法稱為緊束縛近似 (Tight Binding Approximation)。3、原子能級(jí)與能帶的對(duì)應(yīng)對(duì)于原子的內(nèi)層電子，形成的能帶較窄，原子能級(jí)與能帶之間有簡(jiǎn)單的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于原子外層電子，形成的能帶就較寬，原子能級(jí)與能帶之間就比較復(fù)雜，不一定有簡(jiǎn)單的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可

13、能會(huì)出現(xiàn)能帶的重疊。磁性材料部分1.磁性材料的物理基礎(chǔ) 物質(zhì)的磁性、磁性的基本物理量2.磁性材料的分類 軟磁材料、永磁材料、磁記錄材料 3.磁性材料的基本性能與應(yīng)用1、物質(zhì)的磁性：原子磁矩包括電子軌道磁矩和電子自旋磁矩Pl =，Ps =物質(zhì)磁矩等于所以原子磁矩的和。2、基本磁性參量磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度(M )、磁感應(yīng)強(qiáng)度(B )、磁導(dǎo)率和磁化率、3、物質(zhì)磁性分類：順磁性：起因于原子或分子磁矩，在外加磁場(chǎng)作用下趨于沿外場(chǎng)方向排列，使磁質(zhì)沿外場(chǎng)方向產(chǎn)生一定強(qiáng)度的附加磁場(chǎng)，順磁性是一種弱磁性?？勾判裕菏怯捎谕獯艌?chǎng)作用下，原子內(nèi)的電子軌道繞場(chǎng)向運(yùn)動(dòng)，獲得附加的角速度和微觀環(huán)形電流，從而產(chǎn)生與外磁場(chǎng)方向相

14、反的感生磁矩?？勾判裕菏怯捎谕獯艌?chǎng)作用下，原子內(nèi)的電子軌道繞場(chǎng)向運(yùn)動(dòng)，獲得附加的角速度和微觀環(huán)形電流，從而產(chǎn)生與外磁場(chǎng)方向相反的感生磁矩。亞鐵磁性：起因于原子或分子磁矩，在外加磁場(chǎng)作用下趨于沿外場(chǎng)方向排列，使磁質(zhì)沿外場(chǎng)方向產(chǎn)生較高強(qiáng)度的附加磁場(chǎng)。反鐵磁性：起因于原子或分子磁矩，在外加磁場(chǎng)作用下趨于沿外場(chǎng)方向排列，使磁質(zhì)沿外場(chǎng)方向產(chǎn)生一定強(qiáng)度的附加磁場(chǎng)。4、磁各向異性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。包括：磁晶各向異性，形狀各向異性，感生各向異性和應(yīng)力各向異性等。5、磁性材料磁化過(guò)程中發(fā)生沿磁化方向伸長(zhǎng)(或縮短)，在垂直磁化方向上縮短(或伸長(zhǎng))的現(xiàn)象，叫做磁致伸縮。6、每一個(gè)磁矩取向一

15、致的自發(fā)磁化區(qū)域就叫做一個(gè)磁疇。7、磁化過(guò)程：磁性材料在外磁場(chǎng)作用下由宏觀的無(wú)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛写艩顟B(tài)的過(guò)程。磁化是通過(guò)磁疇的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。8、磁性材料的穩(wěn)定性（1）溫度穩(wěn)定性：磁性能隨溫度的變化。（2）時(shí)間穩(wěn)定性：在某一特定工作環(huán)境下長(zhǎng)期工 作過(guò)程中磁性隨時(shí)間的變化。 （3）化學(xué)穩(wěn)定性：在腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中磁性隨時(shí) 間的變化。9、磁性材料分類:軟磁材料 Hc<100A/m(1.25 Oe)半硬磁材料 Hc :1001000A/m(1.2512.5Oe)硬（永）磁材料 Hc>1000A/m(12.5Oe)第一章 軟磁材料1、定義：能夠迅速響應(yīng)外磁場(chǎng)的變化，能低損耗地獲得高磁感應(yīng)強(qiáng)度，既容易

16、受外加磁場(chǎng)磁化和退磁的材料。2、用途：變壓器、電機(jī)、電感與繼電器的鐵(磁)心；磁頭與磁記錄介質(zhì)；計(jì)算機(jī)磁心等。3、對(duì)軟磁材料的基本要求有：a. 初始磁導(dǎo)率µi和最大磁導(dǎo)率µ max要高；b.飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Ms要高c. 矯頑力Hc小；d. 功率損耗P要低；e. 高的穩(wěn)定性4、提高起始磁導(dǎo)率的途徑: 必要條件：提高M(jìn)s并降低K1、s ：的值。充分條件：降低雜質(zhì)濃度，提高密度，增大晶粒尺寸，結(jié)構(gòu)均勻化，消除內(nèi)應(yīng)力和氣孔的影響。這都與配方的選擇和工藝條件密切相關(guān)。5、金屬軟磁材料包括：1）、電工純鐵 2）、硅鋼 3）、坡莫合金 4）、其他軟磁合金 6、鐵氧體的制備方法：鹽類分解法、

17、化學(xué)共沉淀法、熱壓法等。7、非晶態(tài)軟磁材料：高磁導(dǎo)率和低矯頑力，磁各向同性；渦流損耗??；強(qiáng)度較高且硬度較高；抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)。第二章 磁記錄材料1、用途：磁帶，磁盤(pán)等。2、要求：材料具有高的剩余磁化強(qiáng)度、陡的B-H曲線、大的B/H值、微細(xì)的粒子尺寸、粒子磁性的一致性及合適的矯頑力值。第三章 永磁材料1、用途：提供永磁場(chǎng)。2、主要性能要求：高的磁能積，高的轎頑力，高的居里點(diǎn)，高穩(wěn)定性，好的經(jīng)濟(jì)性。3、主要種類：鋁鎳鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、鐵鉻鈷系永磁合金、稀土永磁材料和復(fù)合粘結(jié)永磁材料。4、主要永磁材料1）、鋁鎳鈷系合金2）、永磁鐵氧體3）、鐵鉻鈷系合金5、永磁體的制備方法主要包括鑄造法、粉末

18、冶金(燒結(jié))法和粘結(jié)法。材料的介電性質(zhì)部分第一節(jié) 介質(zhì)的極化1、 極化的定義：介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)（原子、分子、離子）正負(fù)電荷重心的分離，從而轉(zhuǎn)變成偶極子的過(guò)程。2、 極化率:3、 極化強(qiáng)度P：4、 電介質(zhì)極化系數(shù)：P=0E5、 克勞修斯-莫索蒂方程：宏觀介電常數(shù)r與微觀極化率之間的關(guān)系。6、 介質(zhì)極化類型：電子極化、離子極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化、空間電荷極化和自發(fā)極化等。7、 極化基本形式：1）位移式極化 2）松弛極化 3）轉(zhuǎn)向極化 4）空間電荷極化 5）自發(fā)極化8、 介電常數(shù)的溫度系數(shù)：指隨溫度變化，介電常數(shù)的相對(duì)變化率。第二節(jié) 電介質(zhì)的損耗1、 定義：電場(chǎng)作用下的能量損耗，由電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪?，如熱能、光能等，統(tǒng)稱為介質(zhì)損耗。2、 介質(zhì)損耗的形式：1）電導(dǎo)損耗 2）極化損耗 3）游離損耗3、 復(fù)介電常數(shù)的意義是：電介質(zhì)在交變電場(chǎng)作用下，電位移D或極化強(qiáng)度P將比電場(chǎng)強(qiáng)度E落后相角，此時(shí)的介電常數(shù)用復(fù)介電常數(shù) * 表示。4、 介質(zhì)弛豫：在外電場(chǎng)施加或移去后，系統(tǒng)逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)的過(guò)程叫介質(zhì)弛豫。5、 直流電壓下，介質(zhì)損耗功率p，6、 介質(zhì)損耗受