第1章 電磁輻射與材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

材料現(xiàn)代分析與測(cè)試技術(shù)盧輝Email：luhui40621126@126.com

2016年9月北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院0學(xué)習(xí)經(jīng)歷2012.9-2015.6北京科技大學(xué)

博士

（碩博連讀）2010.9-2012.7北京科技大學(xué)

碩士2006.9-2010.7北京科技大學(xué)

本科科研經(jīng)歷研究方向：功能材料、新能源材料。作為主要研究者參與國(guó)家自然科學(xué)基金（51272025、50872011）兩項(xiàng)，973計(jì)劃（2007CB936201）一項(xiàng)；以第一作者發(fā)表SCI論文4篇，核心論文1篇；以第二作者發(fā)表SCI論文3篇，核心論文1篇。個(gè)人簡(jiǎn)介1實(shí)習(xí)工作獲獎(jiǎng)情況博士研究生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、濮耐教育基金獎(jiǎng)學(xué)金、院學(xué)術(shù)之星、北京市優(yōu)秀畢業(yè)生；北京科技大學(xué)優(yōu)秀學(xué)生工作者、學(xué)院優(yōu)秀學(xué)生工作干部、優(yōu)秀研究生干部；校優(yōu)秀三好研究生、三好學(xué)生、優(yōu)秀校慶志愿者、優(yōu)秀博士畢業(yè)論文、本科畢業(yè)優(yōu)秀畢業(yè)論文等瑞士洛桑參加第65屆電化學(xué)年會(huì)；三年碩士研究生輔導(dǎo)員經(jīng)歷。中冶建研工程技術(shù)有限公司、唐山國(guó)豐鋼鐵有限公司、包頭鋼鐵集團(tuán)、首都鋼鐵集團(tuán)；XRD、掃描電鏡、透射電鏡操作員。個(gè)人簡(jiǎn)介2課程簡(jiǎn)介材料現(xiàn)代分析與測(cè)試技術(shù)適用對(duì)象學(xué)分學(xué)時(shí)考核辦法課程性質(zhì)先修課程參考書(shū)籍《材料現(xiàn)代分析方法》左演聲等主編《材料近代分析測(cè)試方法》常鐵軍等編3緒論材料的重要性：歷史學(xué)家曾經(jīng)說(shuō)過(guò)材料的特征及其應(yīng)用能力可以作為人類(lèi)文明史的一種標(biāo)志。舊石器時(shí)代新石器時(shí)代陶器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代4緒論我們所處的世代：鋼硅塑料合成材料半導(dǎo)體精密陶瓷復(fù)合材料納米材料

……現(xiàn)代文明的支柱：材料、信息、能源、生物5緒論材料研究方法是關(guān)于材料分析測(cè)試技術(shù)和理論的科學(xué)。因此，為了開(kāi)發(fā)新材料、提高材料研究水平，就必須掌握先進(jìn)的材料研究方法?；疽蟪煞纸Y(jié)構(gòu)加工性能材料科學(xué)與工程決定分析測(cè)試6一.電磁輻射與材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)01電子輻射與物質(zhì)波02材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)03晶體學(xué)簡(jiǎn)介目錄7定義性質(zhì)物理現(xiàn)象物理量相互關(guān)系在空間傳播的交變電磁場(chǎng)電磁波波動(dòng)性遵循波動(dòng)方程反射、折射、干涉、衍射、偏正波長(zhǎng)（λ）波數(shù)（σ）頻率（ν）相位（φ）C=λνE=hνp=h/λ微粒性由光子組成的光子流光電效應(yīng)光子能量（E）光子動(dòng)量（p）~01電子輻射與物質(zhì)波電磁輻射注：C=3×108m/s;h=6.626×10-34J·s。801電子輻射與物質(zhì)波電磁波譜901電子輻射與物質(zhì)波電磁波譜10

01電子輻射與物質(zhì)波物質(zhì)波1102材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)原子能態(tài)及其表征預(yù)祝各位度過(guò)一個(gè)值得驕傲的大學(xué)四年生活1202材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)核外電子排布遵循的規(guī)律1、泡利不相容原理：每個(gè)軌道最多只能容納兩個(gè)電子，且自旋相反；2、能量最低原理：電子盡可能占據(jù)能量最低的軌道；3、Hund規(guī)則：簡(jiǎn)并軌道（能級(jí)相同的軌道）只有被電子逐一自旋平行地占據(jù)后，才能容納第二個(gè)電子。另外：等價(jià)軌道在全充滿(mǎn)、半充滿(mǎn)或全空的狀態(tài)是比較穩(wěn)定的，亦即下列電子結(jié)構(gòu)是比較穩(wěn)定的；全充滿(mǎn)---p6或d10或f14半充滿(mǎn)---p3或d5或f7全空----p0或d0或f0思考題：請(qǐng)將24號(hào)元素原子的核外電子量子化，分別寫(xiě)出各狀態(tài)參量的取值（n，l，m，s，ms）及核外電子排布情況？1302材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)原子基態(tài)、激發(fā)、電離及能級(jí)躍遷基態(tài)：原子核外電子遵循上述規(guī)律分布于各個(gè)能級(jí)上，此時(shí)原子處于的能量最低狀態(tài)；激發(fā)態(tài)：原子中的一個(gè)或幾個(gè)電子由基態(tài)所處能級(jí)躍遷至高能級(jí)后的原子狀態(tài)；激發(fā)：原子由基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的過(guò)程；激發(fā)需要能量，稱(chēng)為激發(fā)能，常以電子伏特表示，又稱(chēng)激發(fā)電位；能級(jí)躍遷：原子中的電子受激向高能級(jí)躍遷或由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷均稱(chēng)為電子躍遷或能級(jí)躍遷；電離：原子中的電子獲得足夠的能量就會(huì)脫離原子核的束縛，產(chǎn)生電離；使原子電離所需的能量稱(chēng)為電離能，以電子伏特表示又稱(chēng)電離電位。1402材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)固體的能帶結(jié)構(gòu)能帶的形成設(shè)有N個(gè)原子結(jié)合成晶體，原來(lái)單個(gè)原子時(shí)處于1s能級(jí)的2N個(gè)電子現(xiàn)在屬于整個(gè)原子系統(tǒng)(晶體)所共有，根據(jù)泡利不相容原理，不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上電子具有完全相同的量子態(tài)(n,l,m，s,ms),因而就不能再占有一個(gè)能級(jí)，而是分裂為2N個(gè)微有不同的能級(jí)。由于N是一個(gè)很大的數(shù)，這些能級(jí)相距很近，看起來(lái)幾乎是連續(xù)的，從而形成一條有一定寬度E的能帶。

能帶可沿用能級(jí)分裂以前的原子能級(jí)名稱(chēng)命名，如2s能帶，2p能帶等。15導(dǎo)帶中的能級(jí)未被占滿(mǎn)，一個(gè)電子在外力作用下向其它能級(jí)轉(zhuǎn)移時(shí)，不一定有相反方向的轉(zhuǎn)移來(lái)抵消，所以導(dǎo)帶具有導(dǎo)電作用。由于滿(mǎn)帶中所有能級(jí)都被電子占滿(mǎn)，因此一個(gè)電子在外力作用下向其它能級(jí)轉(zhuǎn)移時(shí)，必然伴隨著相反方向的轉(zhuǎn)移來(lái)抵消，所以滿(mǎn)帶是不導(dǎo)電的。02材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)固體的能帶結(jié)構(gòu)能帶可分為：填滿(mǎn)電子的能帶稱(chēng)為滿(mǎn)帶。未填滿(mǎn)電子的能帶稱(chēng)為導(dǎo)帶。沒(méi)有電子填充的能帶稱(chēng)為空帶（顯然空帶也屬導(dǎo)帶）。由價(jià)電子能級(jí)分裂而成的能帶稱(chēng)為價(jià)帶。在能帶之間沒(méi)有可能量子態(tài)的能量區(qū)域叫禁帶。滿(mǎn)帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)1602材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)固體結(jié)構(gòu)能帶基本類(lèi)型（a）絕緣體，（b）本征半導(dǎo)體，（c）導(dǎo)體，（d）導(dǎo)體絕緣體：價(jià)帶（滿(mǎn)帶）頂與導(dǎo)帶底之間的禁帶較寬，E=36eV本征半導(dǎo)體：價(jià)帶頂與導(dǎo)帶底之間的禁帶較窄，E=0.10.2eV導(dǎo)體：價(jià)帶只填充部分電子或者價(jià)帶雖已填滿(mǎn)電子但與相鄰導(dǎo)帶緊密連接或重合。1703晶體學(xué)簡(jiǎn)介為了描述晶體中原子的排列規(guī)則，將每一個(gè)原子抽象視為一點(diǎn)幾何點(diǎn)（稱(chēng)為陣點(diǎn)），并從而得到一個(gè)按一定規(guī)則排列分布的無(wú)數(shù)多個(gè)陣點(diǎn)組成的空間陣列，稱(chēng)為空間點(diǎn)陣。將各陣點(diǎn)用直線連接成為空間格子，又稱(chēng)為晶格。在點(diǎn)陣中選擇一個(gè)由陣點(diǎn)連接而成的幾何圖形作為點(diǎn)陣的基本單元來(lái)表達(dá)晶體結(jié)構(gòu)的周期性，稱(chēng)為陣胞（晶胞）?？臻g點(diǎn)陣18平行六面體的陣胞可由表示其形狀與大小的三個(gè)矢量a，b，c來(lái)描述，稱(chēng)為單位陣胞的矢量。點(diǎn)陣參數(shù)：?jiǎn)伟鬟叺拈L(zhǎng)度a，b，c；各晶軸之間的夾角α，β，γ。03晶體學(xué)簡(jiǎn)介19千百種晶體、七種晶系、十四種平移點(diǎn)陣（布喇菲點(diǎn)陣）03晶體學(xué)簡(jiǎn)介20千百種晶體、七種晶系、十四種平移點(diǎn)陣（布喇菲點(diǎn)陣）思考題：如何計(jì)算各晶胞中的點(diǎn)陣數(shù)？例如面心斜方平移點(diǎn)陣。03晶體學(xué)簡(jiǎn)介21晶面晶向指數(shù)晶體中由原子組成的直線和平面分別稱(chēng)為晶向和晶面；為了表示晶向和晶面的空間取向，采用統(tǒng)一的標(biāo)識(shí)，稱(chēng)為晶向指數(shù)和晶面指數(shù)。國(guó)際通用密勒的標(biāo)識(shí)方法，又稱(chēng)密勒指數(shù)。晶向指數(shù)通常采用[uvw]表示；將晶體中方位不同但原子排列狀況相同的所有晶向組合稱(chēng)為一個(gè)晶向族，用<uvw>表示晶面指數(shù)通常采用(hkl)表示；將晶體中方位不同但原子排列狀況相同的所有晶面組合稱(chēng)為一個(gè)晶面族，用{hkl}表示;晶體中與某一晶向[uvw]平行的所有（HKL）晶面屬于同一晶帶，稱(chēng)為[uvw]晶帶。03晶體學(xué)簡(jiǎn)介22晶面指數(shù)的確立選取三個(gè)晶軸為坐標(biāo)軸，以點(diǎn)陣常數(shù)為度量單位；從要確定的晶面組中，選取一個(gè)不通過(guò)原點(diǎn)的晶面，找出截距A、B、C，均為整數(shù)；取各截距的倒數(shù)1/A、1/B、1/C，并按比例化為簡(jiǎn)單整數(shù)比h:k:l，并寫(xiě)進(jìn)圓括號(hào)內(nèi)（hkl)，即為晶面指數(shù)或稱(chēng)密勒指數(shù)。當(dāng)某晶面與晶軸平行時(shí)，截距為∞，指數(shù)為0；截距為負(fù)值時(shí)，指數(shù)上邊加以負(fù)號(hào)；各指數(shù)同乘以-1，晶面組不變。課堂練習(xí)：寫(xiě)出右圖三個(gè)晶面的密勒指數(shù)。(221)(001)(231)03晶體學(xué)簡(jiǎn)介23晶向指數(shù)的確立選取三個(gè)晶軸為坐標(biāo)軸，以點(diǎn)陣常數(shù)為度量單位；通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)作一條與所求晶向平行的另一晶向；求這個(gè)晶向上任一質(zhì)點(diǎn)的矢量在三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量（即求出任一質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)）；按比例化為簡(jiǎn)單整數(shù)比u、v、w，并寫(xiě)進(jìn)方括號(hào)內(nèi)[uvw]，即為所求晶向的指數(shù)。練習(xí)：寫(xiě)出右圖中指定晶向的晶向指數(shù)。[112]03晶體學(xué)簡(jiǎn)介24干擾指數(shù)若將（hkl）晶面間距記為dhkl，則晶面間距為dhkl/n的晶面干涉指數(shù)為（nhnknl），記為（HKL）。干涉指數(shù)可以認(rèn)為是帶有公約數(shù)n的晶面指數(shù)；干涉指數(shù)表示的晶面并不一定是晶體中的真實(shí)原子面，即干涉指數(shù)表示的晶面不一定有原子分布。練習(xí)：寫(xiě)出的d110/2與d110/3的晶向指數(shù)。(220),(330)03晶體學(xué)簡(jiǎn)介25倒易點(diǎn)陣倒易點(diǎn)陣定義：在晶體點(diǎn)陣(正點(diǎn)陣)的基礎(chǔ)上按照一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系建立起來(lái)的空間幾何圖形；每種空間點(diǎn)陣都存在著與其相對(duì)應(yīng)的倒易空間點(diǎn)陣，它是晶體點(diǎn)陣的另外一種表達(dá)方式；用倒易點(diǎn)陣處理問(wèn)題時(shí)，幾何概念更清晰，數(shù)學(xué)推演簡(jiǎn)化。正點(diǎn)陣與倒易點(diǎn)陣的關(guān)系如果用a,b,c表示晶體點(diǎn)陣的基本平移矢量；用a*b*c*為倒易點(diǎn)陣基本平移矢量，則兩者之間的關(guān)系為：03晶體學(xué)簡(jiǎn)介26倒易點(diǎn)陣a*·b=a*·c=b*·a=b*·c=c*·a=c*·b=0a*·a=b*·b=c*·c=1由上述關(guān)系:a*同時(shí)垂直b和c，因此，a*垂直b和c所在平面，即a*垂直（100）晶面；同理可見(jiàn)，b*垂直（010