現(xiàn)代功能材料分類和應(yīng)用ModernFunctionalMaterials

1、現(xiàn)代功能材料分類和應(yīng)用Modern Functional Materials重要提示一、關(guān)于課程1、本課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)主干課；2、本課程的先修課程是材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料物理；3、本課程理論教學(xué)52學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)（4次）8學(xué)時(shí)。二、關(guān)于紀(jì)律1、曠課3次及以上，取消考試資格；2、缺實(shí)驗(yàn)1次及以上，課程成績(jī)以0分計(jì)。三、關(guān)于成績(jī)?cè)u(píng)定1、課程成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和考試成績(jī)組成；2、平時(shí)成績(jī)（含出勤、實(shí)驗(yàn)報(bào)告），占20%，考試成績(jī)占80%。緒論Introduction主要內(nèi)容：功能材料的發(fā)展概況功能材料的定義功能材料的特點(diǎn)功能材料的分類一、功能材料的發(fā)展概況材料 材料按照性能特征和用途的分類：具有較高

2、力學(xué)性能并主要用來制造機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的材料具有特殊物理、化學(xué)等性能并主要用來制造具有特定功能的元、器件和產(chǎn)品的材料結(jié)構(gòu)材料Structural materials功能材料Functional materials“力能”“功能”緒論20世紀(jì)50年代，隨著微電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展半導(dǎo)體功能材料60年代，出現(xiàn)激光技術(shù)光學(xué)材料70年代，伴隨著光電子技術(shù)的誕生光電子材料80年代，人工智能、能源科學(xué)受到普遍重視智能材料、儲(chǔ)能材料新型能源材料（包括原子反應(yīng)堆材料、太陽(yáng)能材料、高效電池等）快速發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)材料迅速掘起形成了較為完善的功能材料體系 功能材料的發(fā)展歷史：緒論二、功能材料的定義 具有優(yōu)良的電、磁、聲、光

3、、熱、力學(xué)、化學(xué)和生物功能及其相互轉(zhuǎn)換的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的一類材料。三、功能材料的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)材料常以材料形式為最終產(chǎn)品，評(píng)價(jià)的是材料本身的性能。功能材料評(píng)價(jià)的元件形式的物理性能。材料元、器件一體化緒論四、功能材料的分類功能材料按功能體系的分類：功能材料磁學(xué)功能材料電學(xué)功能材料光學(xué)功能材料熱學(xué)功能材料聲學(xué)和振動(dòng)相關(guān)功能材料化學(xué)及能量功能材料放射性相關(guān)功能材料力學(xué)功能材料生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程材料緒論第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能Chapter 1 Electronic Structure and Physical Properties of Materials主要內(nèi)容：原子的電子排列 固體的

4、能帶理論與導(dǎo)電性 半導(dǎo)體材料的超導(dǎo)電性材料的介電性材料的磁性材料的光學(xué)性質(zhì)重要的關(guān)系：電子結(jié)構(gòu)物理性能舉例：電子結(jié)構(gòu)和電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與固體材料導(dǎo)電性的關(guān)系。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能金屬材料：導(dǎo)帶未被電子填滿，原子核對(duì)導(dǎo)帶電子的束縛弱，導(dǎo)帶電子容易成為自由電子，因此具有良好的導(dǎo)電性；絕緣體材料：導(dǎo)帶沒有填充電子，價(jià)帶與導(dǎo)帶之間存在很寬的禁帶，價(jià)帶電子很難被激發(fā)至導(dǎo)帶而成為自由電子，因此不具有導(dǎo)電性；半導(dǎo)體材料：導(dǎo)帶沒有填充電子，但價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的禁帶較窄，價(jià)帶電子一旦被激發(fā)至導(dǎo)帶則成為自由電子，因此具有一定的導(dǎo)電性。本章任務(wù)：研究電子結(jié)構(gòu)，加深對(duì)物理性能的理解，建立“電子結(jié)構(gòu)物理性能”的關(guān)系

5、。一、原子的微觀結(jié)構(gòu) 1.主量子數(shù) n (n =1、2、3、4) 主量子數(shù)確定核外電子離原子核的遠(yuǎn)近和能級(jí)的高低。 2.次量子數(shù) l (l = 0、1、2、3) 次量子數(shù)反映的是電子軌道的形狀。 在由主量子數(shù)n確定的同一主殼層上的電子的能量有差異，可分成若干個(gè)能量水平不同的亞殼層，其數(shù)目隨主量子數(shù)而定，習(xí)慣上以s、p、d、f 表示 。 3.磁量子數(shù)m (m = 0、1、2、3) 磁量子數(shù)表示電子云在空間的伸展方向，它確定軌道的空間取向。 4.自旋量子數(shù)ms (ms = +1/2、-1/2) 自旋量子數(shù)表示在每個(gè)狀態(tài)下可以存在自旋方向相反的兩個(gè)電子。第一節(jié)原子的電子排列 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物

6、理性能1.1 原子的電子排列 各電子殼層及亞殼層的電子狀態(tài)主量子數(shù)殼層序號(hào)次量子數(shù)亞殼層狀態(tài)量子數(shù)規(guī)定的狀態(tài)數(shù)目考慮自旋量子數(shù)后的狀態(tài)數(shù)目殼層總電子數(shù)(2n2)11s122（212）22s2p13268（222）33s3p3d135261018（232）44s4p4d4f135726101432（242）第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.1 原子的電子排列 二、原子核外電子的分布 三個(gè)基本原理： 泡利不相容原理 在一個(gè)原子中不可能存在四個(gè)量子數(shù)完全相同（即運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同）的兩個(gè)電子?；蛘?，在同一個(gè)原子中，最多只能有兩個(gè)電子處在同樣能量狀態(tài)的軌道中，而且這兩個(gè)電子的自旋方向必定相反。 最低能量

7、原理 電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)。 最多軌道規(guī)則（洪特規(guī)則） 相同能量的軌道（也稱等價(jià)軌道）上分布的電子將盡可能分占不同的軌道，而且自旋方向相同。 作為洪特規(guī)則的特例，對(duì)于角量子數(shù)相同的軌道，當(dāng)電子層結(jié)構(gòu)為全充滿、半充滿或全空的狀態(tài)是比較穩(wěn)定的。即： 全充滿: p 6或d 10或f 14 ；半充滿: p 3或d 5或f 7 ； 全空: p 0或d 0或f 0 。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.1 原子的電子排列 sspspdspdfspdfspdfspd能量主量子數(shù)n1234567電子能量水平隨主量子數(shù)和次量子數(shù)的變化情況第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.1 原子

8、的電子排列 第二節(jié)固體的能帶理論與導(dǎo)電性 一、能帶的形成 基本原理： 對(duì)于單個(gè)原子： 單個(gè)原子的電子處在不同的分立能級(jí)或軌道上。 例如，一個(gè)原子有一個(gè)2s 能級(jí)，3個(gè)2p 能級(jí)，5個(gè)3d 能級(jí)。 不同能級(jí)之間的電子能量各不相同。 電子的能量就是其所在能級(jí)的能量。 單個(gè)原子的電子只能占據(jù)特定的軌道或能級(jí)， 在每個(gè)能級(jí)上可容許有兩個(gè)自旋方向相反的電子。 各能級(jí)之間存在著能隙。 能隙是電子能量的“真空”地帶。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能固體的能帶理論與導(dǎo)電性3s2p2s1s2N電子6N電子2N電子2N電子能帶的形成1原子2原子N原子第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能固體的能帶理論與導(dǎo)電性 對(duì)于晶體（由

9、大量原子組成）： 各個(gè)原子的能級(jí)因電子云的重疊產(chǎn)生分裂現(xiàn)象。 在由N個(gè)原子組成的晶體中，每個(gè)原子的一個(gè)能級(jí)將分裂成N個(gè)，每個(gè)能級(jí)上的電子數(shù)不變。 能級(jí)分裂后，其最高和最低能級(jí)之間的能量差只有幾十個(gè)eV。 例如，當(dāng)實(shí)際晶體即使小到體積只有1mm3，所包含的原子數(shù)也有N=1019左右，當(dāng)分裂成的1019個(gè)能級(jí)只分布在幾十個(gè)eV的范圍內(nèi)時(shí)，每一能級(jí)的間隔就非常的小。 電子的能量或能級(jí)幾乎就是連續(xù)變化的，于是形成了能帶。 能帶之間也存在著一些無電子能級(jí)的能量區(qū)域，稱為禁帶或能隙。 禁帶也是電子能量的“真空”地帶。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能固體的能帶理論與導(dǎo)電性重要概念：滿帶：被電子填滿的能帶?？諑?/p>

10、：沒有被電子填充的能帶。價(jià)帶：被價(jià)電子占據(jù)的能量最高的能帶。導(dǎo)帶：價(jià)帶以上的空帶。金屬導(dǎo)電機(jī)理： 價(jià)帶上的電子躍遷到導(dǎo)帶上成為自由電子，自由電子在電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)形成電流。二、金屬的能帶結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性金屬的能帶結(jié)構(gòu)第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能固體的能帶理論與導(dǎo)電性各種金屬的能帶結(jié)構(gòu)3p02p63s22s21s2(b)堿土金屬M(fèi)g3s和3p能帶重疊，形成擴(kuò)展能帶4s23d63p63s22p62s21s2(c)過渡金屬Fe4s和3d能帶重疊，形成擴(kuò)展能帶3s12p62s21s2(a)堿金屬Na導(dǎo)帶價(jià)帶第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能固體的能帶理論與導(dǎo)電性 電荷載流子 定義：載帶電荷運(yùn)動(dòng)的粒子稱為

11、電荷載流子。 基本類型： 電子和陰離子負(fù)電荷載流子，也稱為負(fù)型載流子。 陽(yáng)離子正電荷載流子，也稱為正型載流子。如Pb2+。 空穴正電荷載流子。在半導(dǎo)體中尤為重要。 電導(dǎo)率和載流子： 載流子遷移率：在外加電場(chǎng)作用下，載流子在原子尺度的結(jié)構(gòu)中移動(dòng)的難易程度，即： 電導(dǎo)率：由載流子濃度n、每個(gè)載流子所帶電荷q、載流子遷移率 決定，即： 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能固體的能帶理論與導(dǎo)電性 金屬的電阻率與溫度的關(guān)系一般而言，金屬的電阻率與溫度的關(guān)系是線性的，且具有正的溫度系數(shù)，即隨著溫度上升，電阻率增加。 原理：由于晶體熱擾動(dòng)的強(qiáng)度隨溫度的上升而成比例地增加，減少了晶體的規(guī)則性而使電子的平均自由程減小

12、，從而減小了金屬中電子的遷移率，使電阻率增大。 電阻溫度系數(shù)yT與溫度T和電阻率的關(guān)系：第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能固體的能帶理論與導(dǎo)電性三、費(fèi)米能級(jí) 費(fèi)米分布函數(shù) f（E）f（E）的物理意義：代表在一定溫度下電子占有能量為E的狀態(tài)的幾率。Ef ：費(fèi)米能 費(fèi)米能的意義（1）Ef 以下基本上是被電子填滿的，Ef 以上的能級(jí)基本上是空的。（2）由于熱運(yùn)動(dòng)，電子可具有大于Ef 的能量而躍遷到導(dǎo)帶中，但只集中在導(dǎo)帶的底部。同樣理由，價(jià)帶中的空穴也多集中在價(jià)帶的頂部。（3）對(duì)于一般金屬，Ef 處于價(jià)帶和導(dǎo)帶的分界處。對(duì)于半導(dǎo)體，Ef 位于禁帶中央。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能固體的能帶理論與導(dǎo)電性金

13、剛石（C）、硅（Si）和鍺（Ge）的能帶結(jié)構(gòu)CSiGeEspr空的導(dǎo)帶滿的價(jià)帶四、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能固體的能帶理論與導(dǎo)電性導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)（ Ev代表價(jià)帶的最高能量， Ec代表導(dǎo)帶的最低能量，Ef是費(fèi)米能）價(jià)帶導(dǎo)帶EgEfEcEv價(jià)帶導(dǎo)帶EcEv價(jià)帶導(dǎo)帶Ev半導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體Eg第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能固體的能帶理論與導(dǎo)電性例：估計(jì)金剛石、硅、鍺、灰錫四種元素的電子在室溫（27C）下進(jìn)入導(dǎo)帶的幾率。 已知：C、Si、Ge、Sn的禁帶寬度分別為： 、1.1 eV、0.67 eV、0.08 eV，玻耳茲曼常數(shù)：k=1.380510-2

14、3J/K。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能固體的能帶理論與導(dǎo)電性第三節(jié)半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)電特性的兩個(gè)顯著的特點(diǎn)： 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率對(duì)材料的純度的依賴性極為敏感。 例如，百萬(wàn)分之一的硼含量就能使純硅的電導(dǎo)率成萬(wàn)倍增加。如果所含雜質(zhì)的類型不同，導(dǎo)電類型也不同（如電子電導(dǎo)或空穴電導(dǎo)）。 電阻率受外界條件（如熱、光等）的影響很大。溫度升高或受光照射時(shí)均可使電阻率迅速下降。一些特殊的半導(dǎo)體在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下，電阻率也會(huì)發(fā)生變化。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶Egh價(jià)帶電子受光輻射躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶上留下空穴一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是不含有任何雜質(zhì)的半導(dǎo)體，它表示半導(dǎo)體本身固有的特性。 本

15、征半導(dǎo)體的特點(diǎn)：電導(dǎo)是導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電和價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電共同作用的結(jié)果。導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的濃度相等。 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料的能隙與電子運(yùn)動(dòng)性材料能隙/eV電子運(yùn)動(dòng)速率孔運(yùn)動(dòng)速率/ cm2(Vs)-1/ cm2(Vs)-1C(金剛石)SiGeSn5.41.1070.670.081800190038002500140050018502400兩個(gè)規(guī)律： 沿周期表下移，即依C(金剛石)、Si、Ge、Sn的順序，能隙依次減??； 在給定的半導(dǎo)體中，電子遷移率大于同一半導(dǎo)體中空穴的遷移率。 第點(diǎn)在討論與p型半導(dǎo)體相對(duì)照的n型半導(dǎo)體時(shí)尤其重要。 本征半導(dǎo)體的電荷遷移率第一章

16、材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系 當(dāng)溫度升高，價(jià)帶中電子熱運(yùn)動(dòng)加劇，使電子能夠獲得更高的能量，從而使躍遷到導(dǎo)帶的電子數(shù)增加，電荷載流子數(shù)隨之增加，最終使電導(dǎo)率增大。本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率：結(jié)論： 本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率受溫度影響很大，隨溫度的升高呈指數(shù)增長(zhǎng)。 通過測(cè)定半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系可以求出其禁帶寬度Eg。 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 半導(dǎo)體例：有某種半導(dǎo)體，實(shí)驗(yàn)測(cè)出其在20C下的電導(dǎo)率為250-1m-1，100C時(shí)為1100 -1m-1，問能隙Eg有多大？已知：玻耳茲曼常數(shù)：k1.380510-23J/K，電子電荷：q1.602110-1

17、9C。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 半導(dǎo)體二、摻雜半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度而變，不易控制，難以做成器件使用。 在本征半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì)元素（如周期表中的VA、IIIA的元素），使其變成摻雜半導(dǎo)體，可以改變能帶中的電子濃度或空穴濃度。 摻雜半導(dǎo)體的特點(diǎn)： 導(dǎo)帶電子或價(jià)帶空穴可以獨(dú)立改變，即電子濃度和空穴濃度可以不相等。 摻雜后將導(dǎo)致導(dǎo)帶電子濃度增加或價(jià)帶空穴濃度增加，前者摻雜形成的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體，后者摻雜形成的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體。 隨著摻雜半導(dǎo)體中摻雜雜質(zhì)元素和數(shù)量的不同，費(fèi)米能級(jí)不再位于禁帶中央，或者向上方移動(dòng)（如n型），或者向下方移動(dòng)（如p型）。第一章材料的電子結(jié)

18、構(gòu)與物理性能1.3 半導(dǎo)體 n型半導(dǎo)體 基本定義： 當(dāng)在純凈的硅(或鍺)中摻雜施主雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體則主要依靠施主提供的電子導(dǎo)電，此即n型半導(dǎo)體。 特點(diǎn)： 施主雜質(zhì)提供的額外電子不能位于價(jià)帶中，而只能位于靠近禁帶的頂部（或靠近導(dǎo)帶的底部）。 額外電子與原子結(jié)合不夠緊密，能量較高，只需外界施以較小的能量就可以進(jìn)入導(dǎo)帶。 額外電子進(jìn)入導(dǎo)帶需要克服的能壘為Ed ，通常稱為施主能級(jí)。它比較接近導(dǎo)帶底的能量。 控制n型半導(dǎo)體電導(dǎo)率的是Ed 而非是Eg 。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶n型半導(dǎo)體中施主能級(jí)Ed的位置施主能級(jí)Ed禁帶第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 半導(dǎo)體 載流子的濃度

19、：式中：第一項(xiàng)為施主雜質(zhì)的電子濃度，第二項(xiàng)為無雜質(zhì)純半導(dǎo)體的電子和空穴濃度，n0d 和n0均大致為常數(shù)。 施主耗盡： 在n型半導(dǎo)體中，當(dāng)溫度升高時(shí)，有越來越多的施主雜質(zhì)電子能克服Ed進(jìn)入導(dǎo)帶，最后直到所有雜質(zhì)電子全部進(jìn)入導(dǎo)帶，即出現(xiàn)施主耗盡。 施主耗盡出現(xiàn)時(shí)，n型半導(dǎo)體的電導(dǎo)率將不再發(fā)生變化。n總ne（施主）ne（本征）nh（本征） n總 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 半導(dǎo)體電導(dǎo)率溫度 約為常數(shù)本征耗盡摻雜n型半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度的變化通常半導(dǎo)體材料選擇在施主耗盡即顯示平臺(tái)溫度范圍內(nèi)工作。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 半導(dǎo)體 p型半導(dǎo)體 基本定義： 當(dāng)在純凈的硅(或鍺)中摻雜受主

20、雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體則主要依靠受主提供的空穴導(dǎo)電，此即p型半導(dǎo)體。 特點(diǎn)： 受主雜質(zhì)提供的空穴不能位于價(jià)帶中，而只能是靠近禁帶底部（或靠近價(jià)帶的頂部）。 受主雜質(zhì)接受一個(gè)電子并產(chǎn)生空穴所需克服的勢(shì)壘只稍高于價(jià)帶，以受主能級(jí)Ea表示。 控制p型半導(dǎo)體電導(dǎo)率的是Ea 而非是Eg 。 載流子的濃度：第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶p型半導(dǎo)體中受主能級(jí)Ea的位置受主能級(jí)Ea禁帶第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.3 半導(dǎo)體第四節(jié)材料的超導(dǎo)電性 一、超導(dǎo)現(xiàn)象與超導(dǎo)電性在一定的溫度下，材料突然失去電阻的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。正常導(dǎo)體T(K)R（）Tc4.2Hg的電阻與溫度的關(guān)系第一章材料的電子結(jié)構(gòu)

21、與物理性能1.4 材料的超導(dǎo)電性 二、超導(dǎo)電性的基本特征 零電阻效應(yīng)（R0） 材料在某一溫度下突然失去電阻的現(xiàn)象，稱為零電阻效應(yīng)。 邁斯納效應(yīng)（B0） 處于超導(dǎo)態(tài)的物體完全排斥磁場(chǎng)，即磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，這一特征叫完全抗磁性或邁斯納效應(yīng)。邁斯納效應(yīng)（超導(dǎo)球排斥磁通）第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 材料的超導(dǎo)電性 三、超導(dǎo)體的臨界參數(shù) 臨界溫度Tc 臨界溫度即超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。 當(dāng)T Tc時(shí)：超導(dǎo)體呈正常態(tài)； 當(dāng)T Tc時(shí)，超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。 臨界磁場(chǎng)Hc 當(dāng)溫度低于Tc時(shí)，強(qiáng)磁場(chǎng)也會(huì)破壞超導(dǎo)態(tài)，即有磁力線穿入超導(dǎo)體內(nèi)，材料就從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。 將可以破壞超導(dǎo)態(tài)的最小磁場(chǎng)，

22、稱為臨界磁場(chǎng)。 臨界電流Ic（臨界電流密度Jc） 通過超導(dǎo)體的電流也會(huì)破壞超導(dǎo)態(tài)，當(dāng)電流超過某一臨界值時(shí)，超導(dǎo)體就出現(xiàn)電阻。 將產(chǎn)生臨界磁場(chǎng)的電流，即超導(dǎo)態(tài)允許流動(dòng)的最大電流，稱為臨界電流。 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 材料的超導(dǎo)電性 超導(dǎo)部分正常導(dǎo)體部分磁通磁場(chǎng)電流超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的混合狀態(tài)兩類超導(dǎo)體： 第一類超導(dǎo)體：當(dāng)H Hc時(shí)，呈超導(dǎo)性；當(dāng)H Hc時(shí)，呈正常態(tài)。 第二類超導(dǎo)體：有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)：下臨界磁場(chǎng)和上臨界磁場(chǎng)（分別用Hc1和Hc2表示）。T Tc時(shí)：當(dāng)H Hc1時(shí)，與第一類超導(dǎo)體相同，表現(xiàn)出完全抗磁性；當(dāng)Hc1H Hc2時(shí)，第二類超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的混合狀態(tài)；當(dāng)H H

23、c2時(shí)，超導(dǎo)部分消失，導(dǎo)體轉(zhuǎn)為正常態(tài)。通常，第二類超導(dǎo)體的Hc1較小，Hc2 則比Hc1高一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且，大部分第二類超導(dǎo)體的Hc2比第一類超導(dǎo)體的Hc要高得多。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 材料的超導(dǎo)電性 三個(gè)臨界參數(shù)的關(guān)系 超導(dǎo)體的三個(gè)臨界參數(shù)具有相互關(guān)聯(lián)性，要使超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)，必須使這三個(gè)臨界參數(shù)都滿足規(guī)定的條件，任何一個(gè)條件遭到破壞，超導(dǎo)狀態(tài)隨即消失。三者的關(guān)系可用右圖所示曲面來表示。在臨界面以下的狀態(tài)為超導(dǎo)態(tài)，其余均為正常態(tài)。 從實(shí)用性來看，希望三個(gè)臨界參數(shù)越大越好。JTHHcJcTcT-H-J臨界面超導(dǎo)體三個(gè)臨界參數(shù)之間的關(guān)系第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 材料

24、的超導(dǎo)電性 四、超導(dǎo)電性的微觀機(jī)制 電子-聲子相互作用 聲子：晶格振動(dòng)的能量子。在T0 K時(shí)，晶格點(diǎn)陣上的離子在其平衡位置附近振動(dòng)，并相互耦合在一起。任何局部的擾動(dòng)或激發(fā)，都會(huì)通過格波的傳遞，導(dǎo)致晶格點(diǎn)陣集體振動(dòng)。這種集體振動(dòng)，可以看成由若干個(gè)互相獨(dú)立、頻率各異的簡(jiǎn)正振動(dòng)疊加而成。每一個(gè)簡(jiǎn)正振動(dòng)的能量量子，稱為聲子。 聲子的行為：聲子也具有粒子的性質(zhì)，會(huì)與電子發(fā)生相互作用，這種作用，即電子與晶格點(diǎn)陣的相互作用稱為電子-聲子相互作用。當(dāng)一個(gè)電子通過相互作用，把能量、動(dòng)量轉(zhuǎn)移給晶格點(diǎn)陣，從而激起它的某個(gè)簡(jiǎn)正頻率的擾動(dòng)，叫做產(chǎn)生一個(gè)聲子。相反，通過相互作用，使振動(dòng)的晶格點(diǎn)陣獲得能量、動(dòng)量，同時(shí)又減弱

25、某個(gè)簡(jiǎn)正頻率的擾動(dòng)，叫做吸收一個(gè)聲子。電子-聲子相互作用可以直接改變電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 材料的超導(dǎo)電性 超導(dǎo)能隙 金屬處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)的電子能譜具有顯著的特點(diǎn)： 在費(fèi)米能級(jí)Ef 附近，存在一個(gè)能量間隔（2） ，稱作超導(dǎo)能隙。 當(dāng)T0 K時(shí)，能量處于能隙下邊緣以下的狀態(tài)全被占據(jù)，能隙上邊緣以上的狀態(tài)全部空著。能量在費(fèi)米能級(jí)附近的電子全部配成庫(kù)柏對(duì)，這將使超導(dǎo)態(tài)處于能量最低的狀態(tài)，即超導(dǎo)基態(tài)。超導(dǎo)基態(tài)相應(yīng)的系統(tǒng)能量小于系統(tǒng)處于正常態(tài)時(shí)的能量。2正常態(tài)0K下的正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)電子能譜超導(dǎo)態(tài)空態(tài)滿態(tài)Ef第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 材料的超導(dǎo)電性 庫(kù)柏電子對(duì) 當(dāng)兩個(gè)

26、電子間存在凈的吸引作用時(shí)，在費(fèi)米面附近就存在一個(gè)動(dòng)量大小相等、方向相反且自旋相反的兩電子束縛態(tài)，它的能量比兩個(gè)獨(dú)立的電子總能量低，這種束縛態(tài)電子對(duì)稱為庫(kù)柏對(duì)。q1q2電子與正離子相互作用形成庫(kù)柏電子對(duì) 庫(kù)柏電子對(duì)的形成過程： 處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體內(nèi)，若某一個(gè)自由電子q1在正離子附近運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)吸引正離子而使這個(gè)區(qū)域的局部正電荷密度增加，當(dāng)另一個(gè)電子q2在這個(gè)正電荷密度增加了的場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)受到這個(gè)場(chǎng)的吸引作用，這個(gè)作用相當(dāng)于q1對(duì)q2產(chǎn)生吸引力，即電子q1吸引電子q2。若這個(gè)吸引力大于q1和q2之間的庫(kù)侖斥力，這兩個(gè)電子就可以結(jié)合成為一個(gè)電子對(duì)。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 材料的超導(dǎo)電

27、性 BCS超導(dǎo)微觀理論 BCS理論的核心點(diǎn)： 庫(kù)柏電子對(duì)導(dǎo)致能隙的存在； 元素或合金的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與費(fèi)米面附近電子能態(tài)密度與電子-聲子相互作用能有關(guān)。 一種金屬如果在室溫下具有較高的電阻率，冷卻時(shí)就有更大可能成為超導(dǎo)體。BCS理論對(duì)超導(dǎo)電性的解釋： 電子同晶格相互作用導(dǎo)致在常溫下形成電阻，但在低溫下，則是產(chǎn)生庫(kù)柏電子對(duì)的原因。溫度越低，所產(chǎn)生的庫(kù)柏電子對(duì)越多。 庫(kù)柏對(duì)不能互相獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)，只能以關(guān)聯(lián)的形式作集體運(yùn)動(dòng)。 在臨界溫度下，庫(kù)柏對(duì)具有與晶格相同的振動(dòng)頻率，因而導(dǎo)致庫(kù)柏對(duì)集體地同步穿過振動(dòng)的晶格，使電子對(duì)與晶格之間碰撞的時(shí)間間隔以及與之相關(guān)的電導(dǎo)率無限增大，從而呈現(xiàn)電阻消失現(xiàn)象。 第一章材

28、料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 材料的超導(dǎo)電性 五、超導(dǎo)隧道效應(yīng) （約瑟夫森效應(yīng)） 兩超導(dǎo)體中間的絕緣層能讓超導(dǎo)電流通過的現(xiàn)象，稱為超導(dǎo)隧道效應(yīng)。 延伸：兩塊超導(dǎo)體中間夾一層金屬可形成約瑟夫森結(jié)； 超導(dǎo)體中間為真空，兩者靠得很近可行形成約瑟夫森結(jié)； 兩塊超導(dǎo)體構(gòu)成點(diǎn)接觸可行形成約瑟夫森結(jié)； 兩塊超導(dǎo)體構(gòu)成微橋接觸可行形成約瑟夫森結(jié)。S1S2nm級(jí)厚度的介電勢(shì)壘I約瑟夫森結(jié)示意圖 構(gòu)成約瑟夫森結(jié)的關(guān)鍵： 兩塊超導(dǎo)體間呈弱連接。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 材料的超導(dǎo)電性 隧道結(jié)超導(dǎo)膜基片表面氧化的超導(dǎo)膜超導(dǎo)膜基片橋區(qū)具有尖端的超導(dǎo)細(xì)針超導(dǎo)體a)b)c)幾種常見的約瑟夫森結(jié)a) 隧道結(jié)b)

29、超導(dǎo)微橋c) 點(diǎn)接觸結(jié)第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.4 材料的超導(dǎo)電性 第五節(jié)材料的介電性 一、電介質(zhì)的極化 極化現(xiàn)象 材料按對(duì)外電場(chǎng)響應(yīng)方式的不同的分類：導(dǎo)電材料電荷以長(zhǎng)程遷移即傳導(dǎo)的方式對(duì)外電場(chǎng)作出響應(yīng)。電介質(zhì)(介電材料)電荷以感應(yīng)的方式對(duì)外電場(chǎng)作出響應(yīng)，即沿電場(chǎng)方向產(chǎn)生電偶極矩或電偶極矩的改變。極化第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 材料的介電性 非極性電介質(zhì)由非極性分子組成，在無外加電場(chǎng)時(shí)分子的正負(fù)電荷重心互相重合，不具有電偶極矩，只是在外加電場(chǎng)作用下正負(fù)電荷出現(xiàn)相對(duì)位移，才出現(xiàn)電偶極矩。極性電介質(zhì) 由極性分子組成，即使在無外電場(chǎng)時(shí)每個(gè)分子的正負(fù)電荷重心也不互相重合，具有固有電偶

30、極矩。電解質(zhì)的分類：第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 材料的介電性 極化機(jī)制 電介質(zhì)極化的三種主要基本過程：電子極化由材料中原子核外電子云畸變產(chǎn)生。離子極化由材料的分子中正、負(fù)離子相對(duì)位移造成。又稱原子極化。轉(zhuǎn)向極化由材料分子的固有電矩在外電場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)致。又稱分子極化、取向極化。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 材料的介電性 +-電子原子核E=0+-E0-+-E0-+-+正離子負(fù)離子E=0+-+-+-+-+-+-E=0偶極子+-+-+-+-+-+-E0c)b)a)固體中的極化機(jī)制 a）電子型電子云中心與正電荷中心不重合b）離子型正離子與負(fù)離子相對(duì)位置發(fā)生移動(dòng)c）分子型永久性的偶極

31、子沿外電場(chǎng)進(jìn)行取向 極化強(qiáng)度 電介質(zhì)中一個(gè)中性分子的電偶極矩： q 分子中正電荷的總量； 正負(fù)電荷重心之間的位矢，由負(fù)電荷重心指向正電荷重心。電介質(zhì)的極化強(qiáng)度：極化強(qiáng)度的物理意義：電介質(zhì)單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和。 (C/m2)第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 材料的介電性 二、介電常數(shù)與電容 介電常數(shù) 現(xiàn)象： 由于極化的結(jié)果，電介質(zhì)的表面形成了符號(hào)相反的感應(yīng)電荷，它將一個(gè)與外電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)，使外電場(chǎng)受到削弱。顯然，介質(zhì)的極化能力越強(qiáng)，其形成的反向電場(chǎng)越大。 介電常數(shù)：反映電介質(zhì)極化能力的物理量。 電介質(zhì)的介電常數(shù)；D 介質(zhì)中的電位移。D值的大小與極板上自由電荷的密度有關(guān)；E 介質(zhì)中的

32、電場(chǎng)強(qiáng)度。為外加電場(chǎng)與束縛電荷形成的合電場(chǎng)。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 材料的介電性 電容 最簡(jiǎn)單的電容器的構(gòu)造： +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+VQQP間隙中的介電材料（被極化）l+-+VQQ極板面積A間隙中電介質(zhì)為空氣或真空平板電容器的構(gòu)造a）電介質(zhì)為空氣或真空b）電介質(zhì)為比空氣或真空易于極化的材料a)b)第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 材料的介電性 電容器的電容值： 儲(chǔ)存于一塊極板上的電量Q 正比于所加的電壓V，即：Q = C V。 比例常數(shù)C 定義為電容，其單位是法拉第，F(xiàn)。 電容C與所加電壓的大小無關(guān)，而決定于電容器的幾何尺寸。如果每個(gè)極板的面積為A(

33、m2)，而兩極板間的距離為l（m），則有：C = A / l 介電常數(shù) 兩極板之間為真空，則稱真空介電常數(shù)0。 r 相對(duì)介電常數(shù)r = / 0（無因次） r表征了電介質(zhì)貯存電能能力的大小。 介電常數(shù) 與極化強(qiáng)度P之間的關(guān)系： = 0 + P / E 第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 材料的介電性 材料的相對(duì)介電常數(shù)材料 r材料 r空氣（或真空）1.0鎂橄欖石（2 MgOSiO2）6.2水80.4堇青石（2 MgO2Al2O35SiO2）4.55.4陶瓷聚合物金剛石5.56.6酚醛樹脂5.0Al2O3（多晶體）9.0硅橡膠2.8SiO23.73.8環(huán)氧樹脂3.5 MgO9.6尼龍6, 64.

34、0 NaCl5.9聚碳酸酯3.0 BaTiO33000聚苯乙烯2.5 云母5.48.7高密度聚乙烯2.3派熱克斯玻璃4.06.0聚四氟乙烯2.0滑石（2SiO2MgO）5.57.5聚氯乙烯3.2第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 材料的介電性 三、介電損耗 電介質(zhì)在交變電場(chǎng)作用下，以發(fā)熱的形式而耗散能量的現(xiàn)象稱為介電損耗。產(chǎn)生介電損耗的原因： 電介質(zhì)中微量雜質(zhì)而引起的漏導(dǎo)電流； 極化取向與外加電場(chǎng)由于相位差而產(chǎn)生的極化電流損耗。 是主要原因。影響介電損耗的因素： 介電損耗與所加電場(chǎng)的頻率f、電場(chǎng)強(qiáng)度E、材料的介電常數(shù) 和損耗因子tan 等有關(guān)。因此，電介質(zhì)單位體積的功率損耗W：W = f E

35、2tan（W/m2） 式中的tan為損失角正切，即損耗因子，反映電介質(zhì)中分子磨擦的強(qiáng)度一個(gè)量，用以表征電介質(zhì)介電損耗的大小。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 材料的介電性 部分材料的介電損耗材料tan材料tan陶瓷聚合物 Al2O30.00020.01 酚醛樹脂（電木）0.060.10 SiO20.00038 硅橡膠0.0010.025 BaTiO30.00010.02 環(huán)氧樹脂0.0020.010 云母0.0016 尼龍6, 60.01 派熱克斯玻璃0.0060.025 聚碳酸酯0.0009 滑石（2SiO2MgO）0.00020.004 聚苯乙烯0.00010.0006 鎂橄欖石（2

36、MgOSiO2）0.0004 高密度聚乙烯0.0001 堇青石（2 MgO2Al2O35SiO2）0.0040.012 聚四氟乙烯0.0002 聚氯乙烯0.0070.020第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 材料的介電性 四、介電強(qiáng)度與擊穿 在強(qiáng)電場(chǎng)中，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，電介質(zhì)就喪失其絕緣性能，這種現(xiàn)象稱為介電擊穿。 介電強(qiáng)度是一種介電材料在不發(fā)生介電擊穿或者放電的情況下所能承受的最大電場(chǎng)： E max = （V / d）max 式中的E max為介電強(qiáng)度或擊穿強(qiáng)度（MVm-1），下標(biāo)max代表發(fā)生擊穿的起始值。 電介質(zhì)的介電擊穿大約可分為特征擊穿、熱擊穿、電機(jī)械擊穿和放電擊穿等幾

37、類。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 材料的介電性 部分材料的介電強(qiáng)度材料介電強(qiáng)度/106V/cm材料介電強(qiáng)度/106V/cm陶瓷 派熱克斯玻璃 (0.003cm)5.8 Al2O3 (0.03m)7.0 派熱克斯玻璃 (0.0005cm)6.5 Al2O3 (0.6m)1.5 滑石 (SiO2+MgO+Al2O3，0.63 cm)0.1 Al2O3 (0.63cm)0.18 鎂橄欖石 (2 MgOSiO2，0.63 cm)0.15 SiO2 (石英，0.005cm)0.6聚合物 NaCl (0.002cm)2.0 酚醛樹脂 (電木)120160 NaCl (0.014cm)1.3 硅橡膠

38、220 BaTiO3 (0.02cm，單晶)0.04 環(huán)氧樹脂160200 BaTiO3 (0.02cm，多晶)0.12 尼龍6, 6240 PbZrO3 (單晶，空隙度0%，0.016cm)0.08 聚碳酸酯160 PbZrO3 (多晶，空隙度10%，0.16cm)0.03 聚苯乙烯200280 PbZrO3 (多晶，空隙度22%，0.16cm)0.02 高密度聚乙烯190200 云母 (0.002cm)10.1 聚四氟乙烯160200 云母 (0.006cm)9.7 聚氯乙烯16059第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.5 材料的介電性 第六節(jié)材料的磁性一、原子的磁矩 磁性的強(qiáng)弱是指物質(zhì)本身

39、固有的磁矩大小，與原子磁矩有關(guān)。 原子的磁矩由電子軌道磁矩和電子自旋磁矩兩部分組成。 電子軌道磁矩B ，稱為玻爾磁子，是計(jì)算磁矩的最小單位，其值為9.2710-24Am2；l為決定軌道角動(dòng)量的量子數(shù)；h為普朗克常數(shù)； “”表示軌道角動(dòng)量PL的方向與 L的方向相反。erlPL電子的軌道運(yùn)動(dòng)第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.6 材料的磁性 電子自旋磁矩 磁性物質(zhì)的電子自旋磁矩一般要比電子軌道磁矩大，因此，很多固態(tài)物質(zhì)的磁性，主要不是由電子軌道磁矩引起的，而是來源于電子的自旋磁矩。 由此可見，電子的自旋磁矩在一定條件下是物質(zhì)內(nèi)部建立起磁性的根源。電子的自旋運(yùn)動(dòng)PSS第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.

40、6 材料的磁性 固有磁矩 物質(zhì)是否呈現(xiàn)磁性與其是否存在固有磁矩有關(guān)。固有磁矩與電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系： 當(dāng)原子中某一電子層被電子填滿時(shí)，該層的電子軌道磁矩互相抵消，該層的電子自旋磁矩也相互抵消，即該層的電子磁矩對(duì)原子的磁矩沒有貢獻(xiàn)。如果原子中所有電子層全被電子填滿（如惰性元素），則凈磁矩為零。此時(shí)稱該元素不存在固有磁矩。 因此，能顯示固有磁矩的，必然是那些電子殼層未被填滿的元素。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.6 材料的磁性兩種情況的分析： 內(nèi)層全部填滿電子，外層未填滿電子，即有外層價(jià)電子 價(jià)電子雖有凈磁矩，但對(duì)多原子聚合體來說，各原子的凈磁矩將互相抵消，因此不顯示固有磁矩。 內(nèi)層和外層均未填滿電子

41、 各原子的凈磁矩將不能相互抵消，如過渡族元素鐵、鈷、鎳，稀土元素釓(Gd)，這些元素具有固有磁矩。特別提示： 電子殼層未被電子填滿，只是物質(zhì)是否顯示磁性的必要條件，而非充分條件。 舉例：銅、鉻、釩以及所有的鑭系元素都有未被填滿的電子層，但上述三個(gè)元素以及除釓和一些重稀土元素以外的所有鑭系元素，都不會(huì)顯示出磁性。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.6 材料的磁性二、磁化強(qiáng)度與磁化率 磁化強(qiáng)度 磁化強(qiáng)度是描述物質(zhì)磁性強(qiáng)弱和磁化狀態(tài)的物理量，它表示物質(zhì)固有磁矩的大小，其物理意義是物質(zhì)單位體積的原子磁矩的總和： 磁化率 物質(zhì)在磁場(chǎng)中磁化后，其磁化強(qiáng)度 與磁場(chǎng)強(qiáng)度 的關(guān)系是： 是磁化率，代表物質(zhì)磁化的難易

42、程度。 (A/m)第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.6 材料的磁性、 0、 r分別是材料的磁導(dǎo)率、真空磁導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率。相對(duì)磁導(dǎo)率取決于物質(zhì)的本性及磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，無量綱， 0410-7H/m。 磁化強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系 在磁場(chǎng)中，不同的物質(zhì)所引起的磁場(chǎng)的變化是由于它們的磁化強(qiáng)度不同而造成的。因此，的作用相當(dāng)于在物質(zhì)中產(chǎn)生的一個(gè)附加磁場(chǎng)。 磁化強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系： 地球的磁感應(yīng)強(qiáng)度為610-5T 典型棒狀磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1T。 (T)第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.6 材料的磁性三、磁性的分類 抗磁性物質(zhì) 特征： 0， 與 方向相同。 順磁物質(zhì)室溫下的 很小，為106103數(shù)量級(jí)，

43、使通過該物質(zhì)的磁力線略有增加，其磁化曲線也是一條直線。這類物質(zhì)的磁性稱順磁性。 典型順磁性物質(zhì)：空氣、奧氏體等。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.6 材料的磁性 鐵磁性物質(zhì) 特征：1，達(dá)104數(shù)量級(jí)，使通過該物質(zhì)的磁力線強(qiáng)烈增加。這類物質(zhì)的磁性稱鐵磁性。 典型鐵磁性物質(zhì)：鐵、鈷、鎳、釓等。 反鐵磁性物質(zhì) 特征： 0，r 1。 在105103之間，大小近乎于強(qiáng)順磁物質(zhì)，屬于弱磁性。 反鐵磁物質(zhì)存在磁性轉(zhuǎn)變溫度 TN，稱為奈爾溫度。 典型反鐵磁性物質(zhì)：部分金屬(Mn、Cr等)，部分鐵氧體(ZnFe2O4等)。 亞鐵磁性物質(zhì) 特征：0，r 1，磁性強(qiáng)于反鐵磁性而弱于鐵磁性。 亞鐵磁性和鐵磁性具有許多

44、相似的磁性特征。 典型亞鐵磁性物質(zhì)： 尖晶石型、石榴石型等幾種晶體結(jié)構(gòu)的鐵氧體；稀土鈷金屬間的化合物； 一些過渡金屬、非金屬的化合物。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.6 材料的磁性M，A/mH，A/m順磁體（ 0）抗磁體（ 1，數(shù)值很大，其 隨 的變化（MH 磁化曲線）已不是直線。 在 很?。ㄈ醮艌?chǎng)中）時(shí)即有很大的 值； 當(dāng) 達(dá)到某一值 時(shí)，MMs，稱為飽和磁化強(qiáng)度，以后H增大而M不增加，為一水平直線，即達(dá)到磁飽和； 在BH磁化曲線中，H Hs后，B也增加，且呈直線變化，稱HHs時(shí)的B值為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs。 磁滯現(xiàn)象與磁滯回線 磁滯現(xiàn)象是磁化的不可逆性的表現(xiàn)，是鐵磁體在磁化時(shí)，B 值的減小

45、滯后于H 值減小的現(xiàn)象。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.6 材料的磁性BHHc-HcBs-BsBr-BrOas-HsHs鐵磁體的磁化曲線與磁滯回線第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.6 材料的磁性Br和Hc的重要意義： Br剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，又稱剩磁或余磁，它表示了鐵磁體磁化到飽和后，去除磁場(chǎng)后的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 Hc矯頑力，代表鐵磁體達(dá)到磁飽和后，使其B0所需施加的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，表征了鐵磁體顯示磁性的頑強(qiáng)性。 居里點(diǎn)（Tc） 當(dāng)溫度上升時(shí)，高溫使磁化強(qiáng)度、剩磁和矯頑力都趨于減小，當(dāng)升高到某一溫度時(shí)，鐵磁性消失，鐵磁物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾盼镔|(zhì)，此溫度稱為居里點(diǎn)或居里溫度。 如鐵的居里點(diǎn)為770C，鈷的

46、居里點(diǎn)為1131C，鎳的居里點(diǎn)為358C。只有低于居里點(diǎn)時(shí)，鐵磁物質(zhì)才具有鐵磁性，鐵素體和奧氏體之間的磁性轉(zhuǎn)變就是典型代表。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.6 材料的磁性中等110易磁化001難磁化111中等110易磁化111難磁化100中等1120難磁化1010易磁化0001鐵、鎳、鈷單晶體的易磁化方向和難磁化方向 磁晶各向異性 鐵磁單晶體沿不同結(jié)晶方向磁化難易程度不同，即需要能量不同的現(xiàn)象稱為磁晶各向異性。 在鐵磁單晶體中，沿某些晶向，在最弱的磁場(chǎng)中即可達(dá)到磁飽和，即達(dá)到磁飽和時(shí)所需要的能量（磁場(chǎng)能）最小，這些方向稱為易磁化方向；而沿另一些晶向磁化到飽和最難，稱為難磁化方向。第一章材料的

47、電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.6 材料的磁性 磁疇結(jié)構(gòu) 自發(fā)磁化： 自發(fā)磁化是鐵磁性物質(zhì)的自旋磁矩在無外加磁場(chǎng)條件下自發(fā)地取向一致的行為。某些原子的核外電子的自旋磁矩不能抵消，從而產(chǎn)生剩余的磁矩。如果每個(gè)原子的磁矩排列混亂，則整個(gè)物質(zhì)不具有磁性。只有所有原子的磁矩沿著一個(gè)方向整齊地排列，就像很多小磁鐵首尾相接時(shí)，才能使物質(zhì)對(duì)外顯示磁性，成為磁性物質(zhì)。上述原子磁矩的整齊排列現(xiàn)象，就是自發(fā)磁化。問題： 既然磁性物質(zhì)內(nèi)部存在自發(fā)磁化，那么是不是物體中所有原子的磁矩都沿一個(gè)方向排列整齊了呢？ 不是。否則，凡是鋼鐵等就會(huì)永遠(yuǎn)帶有磁性。事實(shí)上，磁性物質(zhì)絕大多數(shù)都具有磁疇結(jié)構(gòu)，使得它們沒有磁化時(shí)不顯示磁性。第一章材

48、料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.6 材料的磁性磁疇結(jié)構(gòu) 磁疇： 海森堡（Heisenberg）和魏斯（Weiss）磁疇理論： 鐵磁性物質(zhì)由許多小磁疇組成的。磁疇尺寸大小不等，平均小于晶粒尺寸。每一磁疇含1091015原子。 在每一磁疇內(nèi)電子的自旋磁矩方向相同（即產(chǎn)生自發(fā)磁化），且通常沿著易磁化方向，從而使單個(gè)磁疇具有很高的磁飽和強(qiáng)度。 由于晶體中易磁化方向有多個(gè)，如鐵的易磁化方向有6個(gè)，鎳有8個(gè)，所以，鐵磁性物質(zhì)在宏觀上并不呈現(xiàn)磁性。 磁化曲線可用磁疇移動(dòng)給予解釋。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.6 材料的磁性MHabc磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)不可逆壁移可逆壁移OMH技術(shù)磁化曲線磁疇的運(yùn)動(dòng)，按磁化曲線可分為三個(gè)區(qū)

49、域： Oa點(diǎn)，即磁場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，磁疇壁的運(yùn)動(dòng)是可逆的，去磁時(shí)，磁化強(qiáng)度沿著原路線減小。 ab點(diǎn)，即磁場(chǎng)強(qiáng)度再增加時(shí)，磁疇壁的運(yùn)動(dòng)就不可逆了，這種不可逆的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定了去磁時(shí)必然有剩磁存在，即有一部分磁疇的磁矩仍沿著外磁場(chǎng)的方向。 bc點(diǎn)，即當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增加，由于有的磁疇長(zhǎng)大，有的磁疇縮小，大磁疇磁矩會(huì)逐漸轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)的方向，最后使磁化趨于飽和。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.6 材料的磁性 磁損耗 鐵磁性物質(zhì)在交變磁場(chǎng)中工作時(shí)要發(fā)生能量損耗，稱為鐵芯損耗，簡(jiǎn)稱鐵損或磁損。 鐵損一般包括三個(gè)部分，即渦流損耗Pe、磁滯損耗Ph和剩余損耗Pr：PPePhPr(W/kg) 渦流損耗 鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部在

50、交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生的渦流狀感應(yīng)電流所引起的損耗。 Pe2t2f 2Bm2/6 (W/kg) （f500Hz） f：交變磁場(chǎng)頻率；Bm：磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值；t：材料尺寸；：電阻率。 結(jié)論：材料的電阻率越大，厚度越薄，則渦流損耗越小。 磁滯損耗 鐵磁性物質(zhì)反復(fù)磁化一周，由于磁滯原因所造成的損耗。 PhKh f Bmn(W/kg) 剩余損耗 剩余損耗是指除渦流損耗和磁滯損耗以外的其他所有損耗。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.6 材料的磁性第七節(jié)材料的光學(xué)性質(zhì) 光具有波粒二象性，光子學(xué)說認(rèn)為： 光是由一些以光速c 傳播的物質(zhì)單元光子所組成。光的能量不是連續(xù)地分布在其傳播的空間，而是集中在一個(gè)個(gè)光子上，光子的

51、能量為： 式中，h為普朗克常數(shù)，6.6210-34J/s；為光的頻率；c為光速，3108ms-1；為波長(zhǎng)。 當(dāng)電子吸收光子時(shí)，每次總是吸收一個(gè)光子，而不能只吸收光子的一部分。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.7 材料的光學(xué)性質(zhì) 一、光的吸收與透射光的吸收與透射I0吸收反射束透射束If = I0I吸收I反射第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.7 材料的光學(xué)性質(zhì) 被照射物質(zhì)的電子與光子的交互作用結(jié)果：吸收電子從價(jià)帶被激發(fā)至導(dǎo)帶電子不能從價(jià)帶被激發(fā)至導(dǎo)帶不透明透射透明光的吸收與透射的物理本質(zhì)：價(jià)帶導(dǎo)帶EgEfEcEv價(jià)帶導(dǎo)帶EcEv價(jià)帶導(dǎo)帶Ev半導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體Eg第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.7

52、材料的光學(xué)性質(zhì) 例：求硅和鍺中能透過的最短波長(zhǎng)。已知普朗克常數(shù)h6.6210-34J/s，光速c3108ms-1，電子電荷q1.610-19C。 根據(jù)hc/Eg： 對(duì)于硅：hc/Eg(6.6210-34)(3108)/1.1(1.610-19) m 。（不可見光） 對(duì)于鍺：hc/Eg(6.6210-34)(3108)/0.67(1.610-19) m 。（不可見光）小提示：可見光的波長(zhǎng)范圍：300700nm 紅外光的波長(zhǎng)范圍：800100000nm第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.7 材料的光學(xué)性質(zhì) 二、材料的發(fā)光性能 發(fā)光： 指材料在吸收外界能量后，其中部分能量以頻率在可見光范圍的光子向外發(fā)

53、射的現(xiàn)象。 發(fā)光的特征 發(fā)光的第一個(gè)特征顏色： 材料發(fā)光光譜（又稱發(fā)射光譜）的三種類型： 寬帶：半寬度100nm，如CaWO4； 窄帶：半寬度50nm，如Sr2(PO4)Cl : Eu3+； 線譜：半寬度，如GdVO4 : Eu3+。一種材料的發(fā)光光譜屬于哪一類，既與基質(zhì)有關(guān)，又與雜質(zhì)有關(guān)。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.7 材料的光學(xué)性質(zhì) 發(fā)光的第二個(gè)特征強(qiáng)度： 表征材料的發(fā)光本領(lǐng)通常用發(fā)光效率。 發(fā)光效率的三種表示方法： 量子效率：指發(fā)光的量子數(shù)與激發(fā)源輸入的量子數(shù)的比值。 能量效率：指發(fā)光的能量與激發(fā)源輸入的能量的比值。 光度效率：指發(fā)射出來的光通量（又稱流明，單位：lm）與激發(fā)源輸入

54、的能量的比值(lm/W)，也稱為流明效率。 發(fā)光的第三個(gè)特征發(fā)光持續(xù)時(shí)間：根據(jù)發(fā)光持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，發(fā)光最初被分為熒光及磷光兩種。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.7 材料的光學(xué)性質(zhì) 發(fā)光的種類熒光： 材料價(jià)帶中的電子受外界激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，并在那里停留很短的時(shí)間(108s左右)，然后自發(fā)地返回到價(jià)帶中，并相應(yīng)地放出光子，即為熒光，其波長(zhǎng)由hc/Eg確定。 當(dāng)外界激發(fā)源去除，熒光這種發(fā)光現(xiàn)象隨即很快消失。磷光： 由微量雜質(zhì)引入了施主能級(jí)后，被激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子在返回價(jià)帶之前，首先落入施主能級(jí)并被俘獲，停留一段較長(zhǎng)的時(shí)間(大于108s) ，然后才返回價(jià)帶，這時(shí)也相應(yīng)地放出光子，便稱為磷光，其波長(zhǎng)由h

55、c/(EgEd)確定。 磷光能持續(xù)一段較長(zhǎng)的時(shí)間。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.7 材料的光學(xué)性質(zhì) 例：ZnS的能隙為，要激發(fā)ZnS的電子需要光子的波長(zhǎng)是多少？如在ZnS中加入雜質(zhì)，使之在導(dǎo)帶下的處產(chǎn)生一能量陷阱，試問發(fā)光時(shí)的波長(zhǎng)是多少？已知：普朗克常數(shù)h6.6210-34J/s，光速c3108ms-1，電子電荷q1.610-19C。第一章材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1.7 材料的光學(xué)性質(zhì) 激光： LaserLight Amplified by Stimulated Emission of Radiation “受激輻射而放大的光” 1958年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Charles H. Townes和Alker L. Schalow公布