材料科學(xué)基礎(chǔ)(浙大)

1、.,材料科學(xué)基礎(chǔ),浙江大學(xué)版,.,寫在前面,本PPT中列出的知識(shí)點(diǎn)都很重要 紅色標(biāo)出的是特別重要的 本PPT作為教案的配合材料，較之教案更為精簡,.,第一章 晶體結(jié)構(gòu),1-1晶體學(xué)基礎(chǔ) 1-2晶體化學(xué)基本原理 1-3典型晶體結(jié)構(gòu),.,1-1晶體學(xué)基礎(chǔ),材料性能決定因素：內(nèi)部微觀構(gòu)造。 固態(tài)材料分類：晶體與非晶體 要關(guān)注二者的區(qū)別 掌握材料性能，不根據(jù)外觀，必需從原子排列情況確定,.,1-1晶體學(xué)基礎(chǔ) 一、空間點(diǎn)陣,空間點(diǎn)陣和晶胞的概念 晶胞的描述方法 7種晶系、14種布拉菲點(diǎn)陣、晶族的概念 關(guān)注晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣區(qū)別與關(guān)聯(lián),.,1-1晶體學(xué)基礎(chǔ) 二、晶向指數(shù)和晶面指數(shù),晶向、晶面、晶向指數(shù)、晶

2、面指數(shù)、晶向族、晶面族的概念 關(guān)注六方晶系按兩種晶軸系所得指數(shù)的轉(zhuǎn)換： 從(hkil)轉(zhuǎn)換成(hkl)：去掉i即可，反之：加上i= -(h+k) UVW與uvtw間互換關(guān)系:U=u-t， V=v-t， W=w；u=(2U-V)， v=(2V-U)， t= -(u+v)， w=W,.,1-1晶體學(xué)基礎(chǔ) 二、晶向指數(shù)和晶面指數(shù),晶帶與晶帶軸的概念 關(guān)注 1、晶帶軸uvw與該晶帶的晶面(hkl)之間的關(guān)系：hu+kv+lw=0 2、任兩個(gè)不平行晶面的晶帶軸：(h1k1l1)和(h2k2l2) 則有u=k1l2-k2l1， v=l1h2-l2h1， w=h1k2-h2k1,.,1-1晶體學(xué)基礎(chǔ) 二、晶

3、向指數(shù)和晶面指數(shù),晶面間距的概念、特點(diǎn) 關(guān)注晶面間距的計(jì)算 正交晶系面間距計(jì)算式： 立方晶系面間距計(jì)算式： 注意：以上對(duì)簡單晶胞而言；復(fù)雜晶胞應(yīng)考慮層面增加的影響。如，在體心立方或面心立方晶胞中間有一層，故實(shí)際晶面間距應(yīng)為d001/2。,.,1-1晶體學(xué)基礎(chǔ) 三、晶體的對(duì)稱性,宏觀和微觀對(duì)稱要素、點(diǎn)群、空間群、單形、聚形的概念的概念 關(guān)注所有對(duì)稱要素歸納：,.,1-2晶體化學(xué)基本原理 一、電負(fù)性,電負(fù)性的概念、分界 化合物形成與電負(fù)性關(guān)系：兩元素電負(fù)性差別很小，鍵合為非極性共價(jià)鍵或金屬鍵；電負(fù)性差別增加，鍵合極性增加，傾向于離子性鍵合。 （純共價(jià)鍵合）SiMgSNaCl（離子鍵合） 兩頭是極端

4、 （強(qiáng)極性特征）HFHClHBrHI（弱極性特征） 大多數(shù)實(shí)際材料鍵合特點(diǎn)：幾種鍵合形式同時(shí)存在。,.,1-2晶體化學(xué)基本原理 二、晶體中的鍵型,化學(xué)鍵的概念、種類，分子鍵的概念 關(guān)注離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵 、范式鍵、氫鍵的特點(diǎn)、成鍵方式、強(qiáng)度、形成條件,.,1-2晶體化學(xué)基本原理 三、結(jié)合能和結(jié)合力,原子結(jié)合為晶體的原因：原子結(jié)合起來后，體系能量降低 結(jié)合能：分散原子結(jié)合成晶體過程中，釋放出的能量V 原子間的吸引與排斥：吸引是長程力，源自異性電荷庫侖引力，遠(yuǎn)距離時(shí)起主要作用；排斥是短程力，源自同性電荷間的庫侖力和原子實(shí)周圍電子氣相互重疊引起的排斥，十分接近時(shí)起主要作用。,.,1-2晶體化學(xué)基

5、本原理 四、原子半徑,范德瓦耳斯半徑 、共價(jià)半徑、離子半徑、金屬半徑的概念,.,1-3典型晶體結(jié)構(gòu) 一、金屬晶體,（一）晶體中的原子排列及典型金屬晶體結(jié)構(gòu)：最典型結(jié)構(gòu)、堆積特征、密排面、密排面上原子排列方式、晶格常數(shù)與原子半徑的關(guān)系、間隙 （二）晶體中原子間的間隙：八面體、四面體間隙、配位數(shù)、致密度的概念 關(guān)注計(jì)算,.,1-3典型晶體結(jié)構(gòu) 二、共價(jià)晶體,典型結(jié)構(gòu)：單晶硅（金剛石、低于室溫時(shí)的C、Ge、Sn）結(jié)構(gòu)稱金剛石立方結(jié)構(gòu)(骨架狀，四原子近鄰)； As、Sb、Bi結(jié)晶成層狀結(jié)構(gòu)(片狀，三原子近鄰)；S、Se、Te螺旋鏈結(jié)構(gòu)（兩原子近鄰鍵合） 成鍵強(qiáng)度：金剛石結(jié)構(gòu)成鍵強(qiáng)；層狀結(jié)構(gòu)層內(nèi)強(qiáng)，層間

6、弱；鏈結(jié)構(gòu)鏈內(nèi)共價(jià)鍵，鏈間分子鍵,.,1-3典型晶體結(jié)構(gòu) 二、共價(jià)晶體,其它重要結(jié)構(gòu)： 閃鋅礦和纖鋅礦，有極性共價(jià)鍵，是共價(jià)晶體的兩種典型結(jié)構(gòu) 方石英結(jié)構(gòu)：共價(jià)晶體SiO2的一種變體，立方ZnS結(jié)構(gòu) 鱗石英結(jié)構(gòu)：共價(jià)晶體SiO2的一種變體，六方ZnS結(jié)構(gòu),.,1-3典型晶體結(jié)構(gòu) 三、離子晶體,負(fù)離子配位多面體：以正離子為中心，將周圍最近鄰配置的各負(fù)離子的中心連起來形成的多面體,負(fù)離子配位多面體的形狀正離子配位數(shù)：配置于正離子周圍的負(fù)離子數(shù) 三者之間 關(guān)系：,.,1-3典型晶體結(jié)構(gòu) 三、離子晶體,形成晶體結(jié)構(gòu)的泡林五規(guī)則 關(guān)注用規(guī)則分析結(jié)構(gòu),.,1-3典型晶體結(jié)構(gòu) 四、硅酸鹽晶體,硅酸鹽礦物結(jié)構(gòu)

7、 關(guān)注計(jì)算 島狀硅酸鹽： 焦硅酸鹽： 環(huán)狀硅酸鹽： 鏈狀硅酸鹽： 層狀硅酸鹽： 單鏈與環(huán)狀的區(qū)別：化學(xué)式中單鏈Si的數(shù)量是1或2；環(huán)狀是3以上,.,1-3典型晶體結(jié)構(gòu) 五、高分子晶體,(一) 高分子晶體的形成 基本形態(tài) 、高分子材料特點(diǎn) 、高分子結(jié)構(gòu)單元連接特點(diǎn) 、結(jié)構(gòu)形態(tài) 、結(jié)晶特性 (二)高分子晶體的形態(tài) 高分子晶體形貌：結(jié)晶高分子較多地具有球晶的形貌。一個(gè)球晶由沿半徑垂直方向的多層晶片組成。晶片內(nèi)是纓束狀晶區(qū)或折疊鏈晶區(qū)。晶片間是無定形的非晶區(qū)偏振光顯微鏡下聚乙烯球晶,.,第二章 晶體的不完整性,2-1點(diǎn)缺陷 2-2位錯(cuò) 2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性,.,第二章 晶體的不完整性,缺陷：

8、晶體中偏離完整性的區(qū)域，即造成晶體點(diǎn)陣周期勢場畸變的一切因素 晶體缺陷分類： (1)點(diǎn)缺陷（零維缺陷）。其特點(diǎn)是在X、Y、Z三個(gè)方向上的尺寸都很小(相當(dāng)于原子的尺寸)； (2)線缺陷（一維缺陷）。其特點(diǎn)是在兩個(gè)方向上的尺寸很小，另一個(gè)方向上的尺寸相對(duì)很長； (3)面缺陷（二維缺陷）。其特點(diǎn)是在一個(gè)方向上的尺寸很小，另外兩個(gè)方向上的尺寸很大。,.,2-1點(diǎn)缺陷 一、點(diǎn)缺陷的類型,（一）熱缺陷 弗倫克爾缺陷：原子離開平衡位置后，擠到格子點(diǎn)的間隙中，形成間隙離子，而原來位置上形成空位，成對(duì)產(chǎn)生。 肖特基缺陷：原子獲得較大能量，移到表面外新的位置上去，原來位置則形成空位，空位逐漸轉(zhuǎn)移到內(nèi)部，體積增加。

9、,.,2-1點(diǎn)缺陷 一、點(diǎn)缺陷的類型,在晶體中，幾種缺陷可以同時(shí)存在，但通常有一種是主要的。一般說，正負(fù)離子半徑相差不大時(shí)，肖特基缺陷是主要的。兩種離子半徑相差大時(shí)弗倫克爾缺陷是主要的。 (二)組成缺陷 產(chǎn)生和類型,.,2-1點(diǎn)缺陷 一、點(diǎn)缺陷的類型,(三)電荷缺陷 產(chǎn)生 (四)非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷 產(chǎn)生,.,2-1點(diǎn)缺陷 二、點(diǎn)缺陷的反應(yīng)與濃度平衡,（一）熱缺陷,.,2-1點(diǎn)缺陷 二、點(diǎn)缺陷的反應(yīng)與濃度平衡,(二)組成缺陷和電子缺陷 (三)非化學(xué)計(jì)量缺陷與色心，關(guān)注計(jì)算 1、負(fù)離子缺位，金屬離子過剩 2、間隙正離子，金屬離子過剩 3、間隙負(fù)離子，負(fù)離子過剩 4、正離子空位，負(fù)離子過剩,.,2-

10、2位錯(cuò) 一、位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)類型,刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、混合型位錯(cuò)的概念 Burgers回路與位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征：Burgers矢量 、位錯(cuò)強(qiáng)度 、Burgers回路 概念 位錯(cuò)柏格斯矢量的守恒性,.,2-2位錯(cuò) 一、位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)類型,位錯(cuò)密度： 在單位體積晶體中所包含的位錯(cuò)線的總長度。,.,2-2位錯(cuò) 二、位錯(cuò)的應(yīng)力場,(一)位錯(cuò)的應(yīng)力場 刃型位錯(cuò)：連續(xù)彈性介質(zhì)模型：設(shè)一內(nèi)半徑rc，外半徑R的無限長的空心彈性圓柱，圓柱軸與z軸重合。將它沿徑向切開至中心，將切面兩側(cè)沿x軸相對(duì)移動(dòng)一個(gè)距離b，然后再粘合起來,畸變狀態(tài)與含正刃型位錯(cuò)晶體相似，可通過它求出刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場,.,2-2位錯(cuò) 一、位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)類型,螺型

11、位錯(cuò)： 連續(xù)彈性介質(zhì)模型：彈性圓柱切開至中心，然后將切面兩側(cè)沿z軸相對(duì)移動(dòng)b，再粘合起來，就得到沿z軸的螺型位錯(cuò)模型,.,2-2位錯(cuò) 二、位錯(cuò)的應(yīng)力場,(二)位錯(cuò)的應(yīng)變能與線張力 刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、混合型位錯(cuò)應(yīng)變能的計(jì)算 位錯(cuò)線張力：位錯(cuò)線長度增加一個(gè)單位時(shí)，晶體能量的增加 直線形位錯(cuò)：T大約等于mb2 彎曲位錯(cuò)線：正、負(fù)位錯(cuò)在遠(yuǎn)處會(huì)部分抵消，系統(tǒng)能量變化小于mb2 ，常取,.,2-2位錯(cuò) 二、位錯(cuò)的應(yīng)力場,(三)位錯(cuò)核心 位錯(cuò)核心錯(cuò)排嚴(yán)重，不能再簡化為連續(xù)彈性體。以點(diǎn)陣模型解決 派納(Peierls-Nabarro)模型：實(shí)際上是不完全的點(diǎn)陣模型。設(shè)晶體由被滑移面隔開的兩個(gè)半塊晶體組成。銜

12、接處直接考慮原子間相互作用，內(nèi)部簡化成連續(xù)彈性介質(zhì)。 派-納模型中位錯(cuò)的能量組成：兩部分。一是兩半晶體中的彈性應(yīng)變能（主要分布于位錯(cuò)核心之外）；另一是滑移面兩側(cè)原子互作用能（錯(cuò)排能）（基本集中于位錯(cuò)核心范圍內(nèi)）,.,2-2位錯(cuò) 三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方式： 刃型位錯(cuò)：滑移：位錯(cuò)線沿著滑移面移動(dòng)；攀移：位錯(cuò)線垂直于滑移面的移動(dòng)。 螺型位錯(cuò)：只作滑移,.,2-2位錯(cuò) 三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),(一)位錯(cuò)的滑移 三類位錯(cuò)的滑移特性 位錯(cuò)滑移的驅(qū)動(dòng)力：設(shè)想位錯(cuò)受到一種力而運(yùn)動(dòng)（實(shí)際上位錯(cuò)是一種原子組態(tài)，力是作用于晶體中的原子）。使位錯(cuò)發(fā)生運(yùn)動(dòng)的力。稱為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。 注意：驅(qū)動(dòng)力不必一定是外力，晶體內(nèi)部

13、質(zhì)點(diǎn)、界面或其它位錯(cuò)引起的應(yīng)力,.,2-2位錯(cuò) 三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),點(diǎn)陣阻力：源于晶格結(jié)構(gòu)的周期性，滑移面兩側(cè)原子之間的相互作用力 派-納應(yīng)力：派-納模型，提出了為克服點(diǎn)陣阻力推動(dòng)位錯(cuò)前進(jìn)所必須的滑移力和相應(yīng)的切應(yīng)力：,.,2-2位錯(cuò) 三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),(二)位錯(cuò)攀移 位錯(cuò)攀移特征：與滑移不同，位錯(cuò)攀移時(shí)伴隨物質(zhì)遷移，需擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)。需要熱激活，比滑移需要更大的能量。另外，易在多余半原子面邊緣產(chǎn)生曲折 單位長度位錯(cuò)線所受的化學(xué)攀移力： 單位長度位錯(cuò)線所受的彈性攀移驅(qū)動(dòng)力：,.,2-2位錯(cuò) 四、位錯(cuò)與缺陷的相互作用,(一)位錯(cuò)之間的相互作用 1、位錯(cuò)間的彈性相互作用：位錯(cuò)的彈性應(yīng)力場間發(fā)生的干涉和相互作用

14、，將影響到位錯(cuò)的分布和運(yùn)動(dòng) 2、位錯(cuò)塞積：許多位錯(cuò)被迫堆積在某種障礙物前，它們來自同一位錯(cuò)源，具相同的柏格斯矢量，障礙物如晶界 3.位錯(cuò)反應(yīng) :位錯(cuò)之間的相互轉(zhuǎn)化。譬如一分為二或兩合為一，,.,2-2位錯(cuò) 四、位錯(cuò)與缺陷的相互作用,(二)位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的相互作用 位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的相互作用能 史諾克(Snoek)氣團(tuán) 柯垂耳(Cottrell)氣團(tuán) 電學(xué)相互作用 化學(xué)相互作用 空位、間隙原子和位錯(cuò)的互相轉(zhuǎn)化,.,2-2位錯(cuò) 五、位錯(cuò)源與位錯(cuò)增殖,（一）位錯(cuò)的來源 位錯(cuò)產(chǎn)生 (二)位錯(cuò)的增殖 弗蘭克一瑞德(Frank-Read)源 弗蘭克-瑞德源需要施加的應(yīng)力 弗蘭克-瑞德源開動(dòng)的臨界應(yīng)力 雙交滑移

15、增殖機(jī)構(gòu) 單點(diǎn)源,.,2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性 一、晶體的表面,(一)表面力場 固體表面力 分子間引力主要來源 (二)晶體表面狀態(tài) 表面能,.,2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性 一、晶體的表面,(三)晶體表面的不均勻性 完美晶格結(jié)構(gòu)的晶體表面： 分成兩種類型： 緊密堆積表面：表面平坦，沒有波折，所有的原子距離該表面的平行平面的距離都相等 不緊密堆積的表面：即臺(tái)階式的表面，表面有波折。,.,2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性 二、晶界,(一) 晶界幾何 晶界分類：根據(jù)位向差()的不同，晶界分為兩類： (1)小角度晶界-兩相鄰晶粒的位向差約小于10； (2)大角度晶界-兩晶粒間的位向差較大，一般大

16、于10以上。 (二)小角度晶界 傾側(cè)晶界 位錯(cuò)間距,.,2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性 二、晶界,不對(duì)稱傾側(cè)晶界 扭轉(zhuǎn)晶界 一般小角度晶界：旋轉(zhuǎn)軸和界面可任意取向，由刃型和螺型位錯(cuò)組合構(gòu)成。 晶界能：晶界上原子排列畸變，增高的能量。主要來自位錯(cuò)能量（位錯(cuò)密度又決定于晶粒間的位向差），隨位向差增加而增大，僅適用于15。式中為常數(shù)，A取決于位錯(cuò)中心的原子錯(cuò)排能,.,2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性 二、晶界,(三)大角度晶界 “重合位置點(diǎn)陣”模型 (四)晶界能 晶界能：金屬多晶體的晶界一般為大角度晶界，金屬大角度晶界能約在0.251.0J/m2范圍內(nèi)，與晶粒之間的位向差無關(guān)，大體上為定值。 (五)孿

17、晶界,.,2-3表面、界面結(jié)構(gòu)及不完整性 二、晶界,孿晶面 共格孿晶界 非共格孿晶界 孿晶形成與堆垛層錯(cuò)的關(guān)系 孿晶面界面能 (六)晶界的特性 晶界的特性,.,第三章 固溶體,3-1影響固溶度的因素 3-2固溶體各論,.,第三章 固溶體,固溶體 固溶度 中間相 固溶體分類 溶體的有序和無序分類 有限和無限固溶體分類,.,3-1影響固溶度的因素 一、休姆-羅瑟里(Hume-Rothery)規(guī)律,固溶體固溶度的一般規(guī)律： 1、尺寸因素:當(dāng)尺寸因素不利時(shí)，固溶度很小； 2、化學(xué)親和力:穩(wěn)定中間相（和組元的化學(xué)親和力有關(guān)）會(huì)使一次固溶體的固溶度下降（中間相自由能曲線低）； 3、電子濃度:電子濃度（價(jià)電

18、子數(shù)和原子數(shù)的比值）影響固溶度和中間相穩(wěn)定性， （溶質(zhì)價(jià)為v，溶劑價(jià)為V）。還有適用于某些合金系的“相對(duì)價(jià)效應(yīng)” ，即高價(jià)元素在低價(jià)中的固溶度大,.,3-1影響固溶度的因素 二、尺寸因素,尺寸與溶解度關(guān)系 維伽定律 靜位移 尺寸因素對(duì)固溶度的影響 15%規(guī)律 寬容系數(shù),.,3-1影響固溶度的因素 三、電價(jià)因素,電子濃度與溶解度 極限電子濃度與晶體結(jié)構(gòu)類型 固溶限度與平均族數(shù) 離子價(jià)對(duì)固溶體的影響,.,3-1影響固溶度的因素 四、電負(fù)性因素,化學(xué)親和力對(duì)固溶體溶解度的影響 化學(xué)親和力與固溶度 達(dá)肯經(jīng)驗(yàn)規(guī)律 場強(qiáng)與固溶度,.,3-2固溶體各論 一、置換固溶體,三類固溶體的區(qū)分方法 固溶體的計(jì)算確定

19、 關(guān)注 結(jié)構(gòu)相容與置換 尺寸因素分析,.,3-2固溶體各論 二、間隙固溶體,間隙固溶體 在金屬中：溶質(zhì)元素是半徑小于1A的一些非金屬元素。即氫、硼、碳、氮、氧等 間隙形狀、大小與溶解度：間隙元素小間隙大，溶解度相對(duì)較大，但與具體情況有關(guān)。-Fe中溶入碳原子，八面體間隙0.535A，碳0.77A，點(diǎn)陣畸變，溶解度受限，(1148C)僅2.11wt%，約相當(dāng)于9.2atm%；-Fe中，雖四面體間隙大于八面體間隙，但尺寸仍遠(yuǎn)小于碳，溶解度極小。且測定表明，碳在-Fe八面體間隙中 在無機(jī)非金屬材料中：可利用的空隙較多。面心立方結(jié)構(gòu)的MgO，四面體空隙可利用；TiO2中還有八面體空隙可利用；CaF2結(jié)構(gòu)

20、中則有配位為八的較大空隙存在,.,3-2固溶體各論 三、有序固溶體,（一）短程有序-微觀不均勻性 1、無序分布 2、偏聚狀態(tài) 3、有序分布 短程有序 “短程序參數(shù)” 短程序參數(shù),.,3-2固溶體各論 三、有序固溶體,(二)長程有序 長程有序 長程序參數(shù) 長程序和短程序的不同,.,3-2固溶體各論 四、固溶體的理論分析與計(jì)算,固溶體中的缺陷、固溶體的密度及晶格參數(shù) 關(guān)注計(jì)算 1、生成置換型固溶體時(shí)的缺陷反應(yīng)計(jì)算（其中為CaO的溶入摩爾數(shù)） 2、生成填隙型固溶體時(shí)的缺陷反應(yīng)計(jì)算（其中為CaO的溶入摩爾數(shù)）,.,3-2固溶體各論 五、中間相,中間相 金屬中間相特點(diǎn) 金屬間化合物 中間相分類,.,3-

21、2固溶體各論 五、中間相,（一）電子化合物 電子相 (二)間隙相 間隙相 間隙相的晶體結(jié)構(gòu) (三)間隙化合物 間隙化合物 間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu) 間隙化合物固溶體,.,3-2固溶體各論 五、中間相,(四)拓?fù)涿芏严?拓?fù)涿芏严啵河蓛煞N大小不同的原子構(gòu)成的一類中間相。大小原子通過適當(dāng)配合構(gòu)成空間利用率和配位數(shù)都很高的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，配位數(shù)可達(dá)12、14、15及16。具有拓?fù)鋵W(xué)特點(diǎn) 拓?fù)涿芏严囝愋停河蠧r3Si型相(Cr3Si、Nb3Sn、Nb3Sb等)，拉弗斯(Laves)相(MgCu2、MgZn2、MgNi2等)，相(Fe7W6、Fe7Mo6等)，R相(Cr18Mo31Co)，P相(Crl8Ni40M

22、o42)，相(FeCr、FeV、FeW、FeMo、CrCo、MoCo、WCo等)等等。,.,第四章 非晶態(tài)固體,非晶態(tài)固體：原子在空間排布沒有長程序的固體 非晶態(tài)固體范疇：玻璃、非晶態(tài)金屬及非晶態(tài)半導(dǎo)體等 結(jié)構(gòu)是認(rèn)識(shí)和研究物質(zhì)的基礎(chǔ)，然而，非晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)比晶體要復(fù)雜得多。,.,第四章 非晶態(tài)固體,4-1非晶態(tài)固體的特征與表述 4-2非晶態(tài)半導(dǎo)體 4-3非晶態(tài)金屬 4-4玻璃 4-5非晶態(tài)高分子,.,4-1 非晶態(tài)固體的特征與表述 一、非晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)特征,非晶態(tài)固體的微結(jié)構(gòu) 無序態(tài)的類型 雙體相關(guān)函數(shù),.,4-1 非晶態(tài)固體的特征與表述 二、非晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)表征函數(shù),（一）徑向分布函數(shù)RDF

23、 原子徑向分布函數(shù) 約化徑向分布函數(shù) (二)結(jié)構(gòu)描述參數(shù) 結(jié)構(gòu)精確描述參量,.,4-1 非晶態(tài)固體的特征與表述 三、非晶態(tài)固體的短程序,短程序分類 （一）化學(xué)短程序（CSRO） 化學(xué)短程序 化學(xué)短程序參數(shù) (二)幾何短程序(GSRO)與局域結(jié)構(gòu)參數(shù) Voronoi多面體 Voronoi多面體的指數(shù)(Fi)描述 Voronoi多面體與配位數(shù)及局域原子體積,.,4-2 非晶態(tài)半導(dǎo)體 一、非晶半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)模型,結(jié)構(gòu)原子間的幾何關(guān)系定義 幾何短程有序GSRO 幾何短程序局域結(jié)構(gòu)參數(shù) 1.非晶態(tài)固體內(nèi)的流體靜壓力P 2.Von Mises切應(yīng)力 3.與近鄰原子的球?qū)ΨQ性發(fā)生橢圓偏離的度量參數(shù),.,4-2

24、 非晶態(tài)半導(dǎo)體 一、非晶半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)模型,蝕狀組態(tài)和交錯(cuò)組態(tài) 非晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)模型 微晶模型 非晶子模型 連續(xù)無規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型(CRN) 描述非晶半導(dǎo)體的兩類參量：一類是局域原子團(tuán)，由短程有序參數(shù)確定；另一類參量表征局域原子團(tuán)互連成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮攸c(diǎn)。,.,4-2 非晶態(tài)半導(dǎo)體 二、非晶半導(dǎo)體的微結(jié)構(gòu),硅和鍺的結(jié)構(gòu) III-V族結(jié)構(gòu) 硫系非晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) a-Si:H薄膜結(jié)構(gòu) a-Si:H的兩相結(jié)構(gòu)模型,.,4-3 非晶態(tài)金屬 一、非晶態(tài)金屬和合金的結(jié)構(gòu)模型,微晶、非晶團(tuán)模型及偏離 硬球無規(guī)密堆模型(DRPHS) 局域短程序特征的描述 Bernal空洞 Voronoi多面體 硬球無規(guī)密堆的（僅僅）五種不同

25、Bernal空洞 硬球無規(guī)密堆模型中的Voronoi多面體,.,4-3 非晶態(tài)金屬 一、非晶態(tài)金屬和合金的結(jié)構(gòu)模型,Gaske1l的過渡金屬類金屬多面體模型三棱柱多面體 非晶結(jié)構(gòu)中的局域結(jié)構(gòu)單元與晶體的差別 非晶體最近鄰分布的Voronoi多面體,.,4-3 非晶態(tài)金屬 二、非晶態(tài)金屬的微結(jié)構(gòu),非晶態(tài)材料的微結(jié)構(gòu) 非晶態(tài)材料中的局域晶場 （一）幾何微結(jié)構(gòu) 非晶態(tài)金屬的幾何微結(jié)構(gòu) 非晶態(tài)金屬中的應(yīng)力與微結(jié)構(gòu) (二)化學(xué)微結(jié)構(gòu) 非晶態(tài)金屬的化學(xué)微結(jié)構(gòu) (三)磁各向異性與微結(jié)構(gòu),.,4-4 玻璃 一、玻璃結(jié)構(gòu)理論,（一）玻璃結(jié)構(gòu)的無規(guī)網(wǎng)絡(luò)學(xué)說 氧化物玻璃結(jié)構(gòu) 形成穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)滿足的四條規(guī)則 玻璃的無

26、規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 氧化物玻璃中的三種氧化物類型 (二)玻璃結(jié)構(gòu)的微晶子學(xué)說 列別捷夫晶子觀點(diǎn) 蘭德爾微晶學(xué)說,.,4-4 玻璃 一、玻璃結(jié)構(gòu)理論,玻璃結(jié)構(gòu)的微晶學(xué)說 無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說與微晶學(xué)說比較統(tǒng)一的看法 (三)常見玻璃的微觀結(jié)構(gòu) 1、硅酸鹽玻璃 橋氧與網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系 “逆性玻璃” 2、硼酸鹽玻璃： 3、磷酸鹽玻璃：,.,4-4 玻璃 二、玻璃的轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變溫度區(qū) 轉(zhuǎn)變溫度范圍微觀過程 轉(zhuǎn)變溫度范圍附近的結(jié)構(gòu)變化情況 “假想溫度”,.,4-4 玻璃 三、玻璃化的條件,（一）熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)條件 玻璃的不穩(wěn)（亞穩(wěn)）性 玻璃的穩(wěn)定存在 容積分率 玻璃形成能力的判斷三T圖 在時(shí)間t內(nèi)單位體積的結(jié)晶VL/V 玻璃

27、生成的主要?jiǎng)恿W(xué)因素,.,4-4 玻璃 三、玻璃化的條件,(二)結(jié)晶化學(xué)條件 陰離子集團(tuán)對(duì)玻璃形成的影響 化學(xué)鍵性質(zhì)對(duì)玻璃的形成的影響 化學(xué)鍵強(qiáng)度的影響,.,4-5非晶態(tài)高分子 一、非晶態(tài)高分子的結(jié)構(gòu)模型,(一)無規(guī)線團(tuán)模型 理論基礎(chǔ)是高分子溶液理論 非晶態(tài)高分子無規(guī)線團(tuán)模型 高分子的自由體積 (二)局部有序模型 高分子的兩種結(jié)構(gòu)單元 粒子相與粒間相的形態(tài),.,4-5非晶態(tài)高分子 二、玻璃化轉(zhuǎn)變,玻璃化轉(zhuǎn)變 玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)的特性變化 自由體積理論 自由體積與溫度及熱膨脹的關(guān)系 高彈態(tài)在某溫度T時(shí)的自由體積 玻璃態(tài)自由體積狀態(tài),.,第五章 固體材料中的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與遷移,5-1晶格中原子的運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散

28、5-2擴(kuò)散機(jī)制及影響擴(kuò)散的因素,.,5-1 晶格中原子的運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散 一、熱缺陷的運(yùn)動(dòng)、產(chǎn)生與復(fù)合,擴(kuò)散現(xiàn)象的本質(zhì) 1、通過填隙途徑遷移 2、通過空位的機(jī)構(gòu)而遷移,.,5-1 晶格中原子的運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散 二、基本擴(kuò)散定律菲克定律,關(guān)注計(jì)算 （一）穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散菲克第一定律 （二）非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散菲克第二定律,.,5-1 晶格中原子的運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散 三、擴(kuò)散系數(shù),（一）自擴(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散的宏觀現(xiàn)象 擴(kuò)散系數(shù)與原子遷移的關(guān)系 遷移頻率 實(shí)際擴(kuò)散系數(shù)（對(duì)極稀的fcc結(jié)構(gòu)的間隙固溶體） 自擴(kuò)散系數(shù),.,5-1 晶格中原子的運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散 三、擴(kuò)散系數(shù),(二)偏擴(kuò)散系數(shù) 偏擴(kuò)散系數(shù) 偏擴(kuò)散系數(shù)的熱力學(xué)分析：例如CoO和NiO二元系統(tǒng)的擴(kuò)散 (三)交互擴(kuò)散系數(shù)達(dá)肯方程 1.克根達(dá)爾(Kirkendall)效應(yīng) 2、達(dá)肯(Darken)公式,.,5-2擴(kuò)散機(jī)制及影響擴(kuò)散的因素 一、擴(kuò)散機(jī)制,（一）空位擴(kuò)散 空位