材料物理课程教学大纲.doc

材料物理课程教学大纲一、材料物理课程说明（一） 课程代码：08131017（二） 课程英文名称：Material Physics（三） 开课对象： 材料物理学专业（四） 课程性质： 材料物理是材料学专业的一门基础必修课，本课程的任务是通过各种教学环节，使学生通过学习掌握金属物理、半导体物理、磁学、电介质物理等多学科基础理论。（五） 教学目的： 通过材料物理的教学，使获得材料学科完整而充实的知识，对近代物理学的全貌有一个基本的和概括的了解，毕业后可适应材料研究与开发工作。（六） 教学内容： 本课程共分为四个部分。第一部分介绍了自由电子理论、能带理论、现代电子理论及材料的物理性质。第二部分讨论了材料结构、组织变化与控制及材料的力学性质。第三部分涉及材料表面界面结果、行为和低维材料。第四部分介绍硅酸盐聚集态的结构、扩散、相变的动力学。（七）教学时数教学时数： 72 学时学分数： 4 学分教学时数具体分配教 学 内 容讲授实验/实践合 计第一章 材料的电子理论44第二章 能带理论 44第三章 现代电子理论44第四章 材料的传导性和磁性99第五章 材料的结构与缺陷66第六章 材料的相变88第七章 材料的组织变化与控制33第八章 材料的力学性质66第九章 表界面的结构与行为88第十章 表界面的电子输运88第十一章 低维材料的结构44第十二章 硅酸盐聚集状态的结构44第十三章 扩散过程动力学22第十四章 相变过程动力学22 合 计7272（八）教学方式以黑板讲授为主要形势的课堂教学（九）考核方式和成绩记载说明考核方式为考试。严格考核学生出勤情况，达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格。综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定，平时成绩占40% ，期末成绩占60%。二、讲授大纲与各章的基本要求第一章 材料的电子理论教学要点：通过本章的教学使学生初步了解自由电子理论，掌握原子间的结合与电子，包括离子键、共价键、范德华键、金属键等基本概念。理解金属的自由电子理论、自由电子近似的德鲁特劳伦兹模型。1、 使学生掌握原子间德结合、原子结合成晶体的键和类型。2、 使学生掌握离子键、共价键、范德华键、金属键之间的区别。3、 掌握魏德曼弗朗兹比率4、 掌握单电子问题实质是讨论电子在平均势场中的动能。教学时数：4学时教学内容：第一节 原子间的结合与电子一、离子键二、共价键三、范德华键四、金属键 第二节 自由电子近似考核要求：1、原子间的结合与电子1.1离子键（识记）1.2共价键 （识记）1.3范德华键（识记）1.4金属键 （识记）2、自由电子近似2.1 玻恩卡曼边界条件（领会）2.2 晶体中形成的能带（领会）2.3 电子在平均势场中的动能（领会）第二章 能带理论教学要点：通过本章的教学使学生初步了解能带理论。掌握近自由电子近似的推导过程、布洛赫理论引入的两个结果、布里渊区理论。教学时数：4学时教学内容：第一节 近自由电子近似一、 晶体点阵中势场不为零情况的推导二、 布洛赫理论引入的两个结果第二节 布里渊区理论一、 布里渊区理论二、 布里渊区理论的两个著名应用考核要求：1、近自由电子近似1.1晶体点阵中势场不为零情况的推导（领会）1.2布洛赫理论引入的两个结果（识记）2、布里渊区理论 2.1 布里渊区(领会) 2.2布里渊区理论的两个著名应用（领会）第三章 现代电子理论教学要点：本章主要讨论体系的能量、并且体系的电子处于基态。掌握电子密度泛函 的基本思想、托马斯费米理论、原子的作用力、科恩萨姆范函的基本思想。教学时数：4学时教学内容：第一节 电子密度泛函的基本思想第二节 托马斯费米理论第三节 原子的作用力一、 海尔曼费曼定理二、 微扰理论第四节 科恩萨姆范函一、 局域密度近似二、 交换关联空穴第五节 理论方法和应用一、 平面波法和赝势二、 格林函数法三、 球形原胞法考核要求：1、 电子密度泛函的基本思想（领会）2、 托马斯费米理论（领会）3、 原子的作用力3.1海尔曼费曼定理(识记)3.2 微扰理论（应用） 4、科恩萨姆范函 4.1 局域密度近似（识记） 4.2交换关联空穴（领会） 4.3 理论方法的应用（应用） 第四章 材料的传导性和磁性教学要点： 通过本章的教学使学生掌握材料的导电性、包括它与温度的关系、超到现象、BCS理论、热传导与热电效应，同时对磁性、磁性材料进行了解。1、 使学生明白自由电子近似下的导电性2、 高温和低温时导电性与电阻的关系3、 掌握超导理论、BCS理论4、 明确热传导与热电效应5、 掌握磁性的起源6、 知道分子场理论和金属的区域磁性7、 掌握磁学的基本知识如磁化曲线、磁畴、矫顽力8、 了解软磁材料、硬磁材料和其他磁性功能材料教学时数：9学时教学内容：第一节 导电性一、自由电子近似下的导电性二、导电性与温度的关系（高温时的电阻、低温时的电阻、马其阿斯定律）三、霍尔效应第二节 超导性一、超导现象（转变温度、临界温度、比热容、隧道效应）二、超导理论三、高温超导性第三节 热传导与热电效应一、 热传导二、 热电效应 第四节 磁性（铁磁体） 第五节 原子的磁性一、 磁性的产生二、 洪德规则和晶体场 第六节 原子间德磁性相互作用一、 交换关联作用二、 磁体德分子场理论三、 金属德区域磁性 第七节 宏观磁性和磁性材料一、 磁化曲线二、 磁性德各向异性三、 磁畴四、 磁化过程和矫顽力五、 软磁材料六、 硬磁材料七、 其他磁性功能材料考核要求：1、导电性1.1自由电子近似下的导电性（领会）1.2高温时的电阻、低温时的电阻、马其阿斯定律(识记)1.3霍尔效应(领会)2、 超导性2.1转变温度、临界温度、比热容、隧道效应(识记)2.2超导理论和高温超导性（领会）3、 热传导与热电效应 3.1 热传导和热电效应（识记） 4、 磁性 4.1 原子的磁性（领会）4.2 磁性的产生（领会）4.3 洪德规则和晶体场（领会） 4.4 分子场理论（识记）4.5 交换关联作用(领会)4.6 金属的区域磁性（识记） 5 宏观磁性和磁性材料5.1 磁化曲线(识记)5.2磁性的各向异性（识记）5.3磁畴（识记）5.4磁化过程和矫顽力（识记）5.5软磁材料和硬磁材料（应用） 5.6其他磁性功能材料(领会)第五章 材料的结构与缺陷教学要点：通过本章的学习使学生掌握晶体结构、晶体的点缺陷、面缺陷、位错以及准静晶体与非晶态的关系，为学生今后的深一步研究材料的结构和缺陷提供一些基本知识。教学时数：6学时教学内容：第一节 晶体结构一、自金属的三种基本晶体结构二、晶体结构的稳定性及控制（原子间的键和电子、低维物质、晶体结构的稳定性和电子）第二节 晶体的点缺陷一、晶体点缺陷的分类二、点缺陷（特征、空位形成能、热平衡浓度）三、点缺陷的作用（产生、消失、迁移扩散）四、辐照损伤第三节 位错 一、位错的几何学 二、位错的应变场、应变能三、作用在位错上的力和位错运动四、位错的弦模型 第四节 面缺陷一、层错、反相界 二、晶界第五节 准晶体与非晶态 一、准晶体 二、非晶态金属 考核要求：1、晶体结构1.1自金属的三种基本晶体结构(识记)1.2晶体结构的稳定性及控制(识记)2、晶体的点缺陷2.1点缺陷（特征、空位形成能、热平衡浓度）(识记)2.2点缺陷的作用（产生、消失、迁移扩散）（领会）3、位错 3.1位错的几何学（识记）4、面缺陷 4.1 层错、反相界（领会）4.2 晶界（领会） 5准晶体与非晶态5.1 准晶体（识记）5.2非晶态金属（识记）第六章 材料的相变教学要点：通过本章的学习使学生掌握热原因引起结构的变化，从热力学观点叙述平衡状态图和相的变化，其次，叙述相变的基本概念及合金种各种相变的例子，最后说明有关近年来给材料制备方法带来新的进步的非平衡过程和非平衡相。教学时数：8学时教学内容：第一节 平衡状态图和相律第二节 相变的基本概念一、相变热力学二、各种相变第三节 有序无序转变 一、有序晶格的观测 二、有序度和协力现象三、朗道坎兹伯格展开第四节 相分解过程和原子排列一、具有调幅现象的相分解 二、相分解过程和非均匀的自由能 三、有序花和相分解共同存在 四、合金的基底状态 五、群变方法第五节 马氏体相变 一、钢的马氏体转变 二、马氏体相变和形状记忆效应第六节 非平衡过程一、非平衡过程的重要性二、液体急冷法三、气相急冷法四、机械合金化第七节 玻璃态转变和非晶态合金 一、玻璃态转变 二、非晶合金形成原因三、非晶合金的结构变化和晶化考核要求：1、平衡状态图和相律(识记)2、相变的基本概念2.1相变的基本概念(识记)2.2相变热力学（领会）3、有序无序转变 3.1有序晶格的观测（识记）3.2朗道坎兹伯格展开（领会）4、相分解过程和原子排列 4.1 相分解（领会）4.2相分解过程和非均匀的自由能（领会） 5马氏体相变5.1 钢的马氏体转变（识记）5.2 形状记忆效应（识记） 6、非平衡过程 6.1液体急冷法（领会） 6.2气相急冷法（领会） 7、玻璃态转变和非晶态合金 7.1玻璃态转变 (识记) 7.2非晶合金形成原因（识记） 7.3非晶合金的结构变化和晶化（应用）第七章 材料的组织变化与控制教学要点：通过本章的学习使学生掌握材料的组织、加工、热处理引起的宏观组织变化，以及掌握如何能以此为基础改变加工、热处理工艺过程来控制组织，提高材料的性能，退火、回复和再结晶等概念，如何去控制组织。教学时数：3学时教学内容：第一节 材料的组织一、显微组织和结构二、组织观察第二节 热处理基础 一、钢的淬火和回火二、合金的时效、析出和逆转变第三节 材料的组织变化一、塑性变形引起的晶体缺陷塞积 二、回复和再结晶 三、固相反应的再结晶现象 四、一次再结晶及其机制 第四节 组织的控制一、再结晶织构（立方织构、退火孪晶） 二、相变织构考核要求：1、材料的组织(识记)2、热处理基础2.1钢的淬火和回火(识记)2.2合金的时效、析出和逆转变（领会）3、材料的组织变化 3.1塑性变形引起的晶体缺陷塞积（识记）3.2回复和再结晶（领会）4、组织的控制 4.1立方织构、退火孪晶（识记）4.2相变织构（领会） 第八章 材料的力学性质教学要点：通过本章的学习使学生掌握变形机制，位错的运动和塑性，体心、面心和金属间化合物的塑性，为实际的生产中提供帮助。教学时数：6学时教学内容：第一节 晶体的塑性变形一、变形机制二、滑移变形三、塑性特征第二节 位错的运动和塑性 一、位错运动的阻抗（派尔斯势、位错间的相互作用、位错与固溶原子的相互作用、位错与析出物的相互作用） 二、屈服三、加工硬度 四、固溶强化和沉淀硬化（点障碍引起的硬化、高浓度固溶体的强度、沉淀硬化） 第三节 各种金属的塑性 一、面心金属的塑性 二、体心金属的塑性三、金属间化合物的塑性第四节 高温蠕变 一、高温变形的特征二、纯金属蠕变与合金蠕变三、蠕变变形机制（纯金属型蠕变、合金型蠕变）第五节 非晶态金属的强度一、两种变形机制 二、变形的微观机制（滑移变形、均匀变形）考核要求：1、晶体的塑性变形(识记)1.1变形机制（识记）1.2滑移变形 （识记）1.3塑性特征（识记）2、位错的运动和塑性2.1位错间的相互作用(识记)2.2位错与固溶原子的相互作用（领会）2.3屈服(领会)3、各种金属的塑性 3.1面心金属的塑性（识记）3.2体心金属的塑性（识记）3.3金属间化合物的塑性（识记）4、高温蠕变 4.1特征（识记）4.2纯金属型蠕变、合金型蠕变（领会） 5非晶态金属的强度5.1变形机制（识记）5.2滑移变形、均匀变形（领会）第九章 表界面的结构与行为 教学要点： 通过本章的教学使学生掌握吸附与偏析现象、表面扩散与界面扩散，晶体的表面结构和界面结构。1. 使学生明白吸附现象和偏析现象2. 掌握吸附公式3. 表面扩散、晶界扩散、界面扩散的特点4. 掌握表面力5. 掌握实际的表面结构教学时数：8学时教学内容：第一节 吸附与偏析一、吸附现象和偏析现象二、吸附公式（单分子、多分子等温吸附公式）三、偏析第二节 表面扩散和界面扩散一、表面扩散二、晶界扩散三、界面扩散第三节 表面力 第四节 表面与界面的结构 一、清洁表面的结构（驰豫、重构、重叠、清洁表面的缺陷） 第五 实际的表面结构一、 形态二、 表面组织三、 表面成分 第六节 晶体的界面结构一、晶粒间界（堆垛层错、孪晶界面、小角晶界、大角晶界） 二、相界 三、多晶体的晶界 四、界面（硅二氧化硅界面、金属半导体界面、金属非金属界面）考核要求1、吸附与偏析1.1吸附现象和偏析现象（识记）1.2单分子、多分子等温吸附公式(应用)1.3偏析(领会)2、表面扩散和界面扩散2.1表面扩散(识记)2.2晶界扩散、界面扩散（领会）3、表面力 3.1表面力（识记） 4、表面与界面的结构 4.1 驰豫、重构、重叠、清洁表面的缺陷（识记）4.2 实际的表面结构（领会）4.3 表面组织和成分（领会） 5晶体的界面结构5.1堆垛层错、孪晶界面、小角晶界、大角晶界 (识记)5.2多晶体的晶界（识记）5.3硅二氧化硅界面、金属半导体界面（识记）第十章 表界面的电子输运 教学要点： 表界面的电子状态和输运对材料的电子性质，光学性质和磁学性质都有非常重要的影响。晶界电子过程也有着非常丰富的研究内容，如晶界等效电路，晶界场，晶界中电子的输运以及晶界介电特性等。学好本章为研究输运特性提供基础。1、 让学生理解表面势和表面态2、 金属和氧化物表面的电子结构3、 表面电子输运（电导）4、 界面和晶界的电子输运（金属半导体、氧化物半导体）教学时数：8学时教学内容：第一节 电子的表面势和表面态一、 表面势二、 表面态第二节 表面的电子结构一、 金属表面的电子结构二、 氧化物表面的电子结构（岩盐结构、金刚石结构、钙钛矿结构、刚玉结构、纤锌矿结构）第三节 表面空间电荷层一、 表面空间电荷层二、 表面空间电荷的分布第四节 表面电子输运一、 电导（载流子的运动、表面电导和表面电子输运）二、 表面态电导三、 表面空间电荷层电导四、 表面复合（过剩载流子、表面态的复合作用）第五节 界面和晶界的电子输运一、 金属半导体界面二、 氧化物半导体界面三、 晶界的电子输运考核要求1、电子的表面势和表面态1.1表面势（识记）1.2表面态 （识记）2、表面的电子结构2.1表面空间电荷层(识记)2.2氧化物表面的电子结构（领会）3、表面空间电荷层 3.1表面空间电荷层（识记） 4、表面电子输运 4.1 载流子的运动、表面电导和表面电子输运（识记）4.2 表面态电导（领会）4.3 表面复合（领会） 5界面和晶界的电子输运5.1金属半导体界面（识记）5.2氧化物半导体界面（识记）5.3晶界的电子输运（领会）第十一章 低维材料的结构教学要点： 通过本章的教学使学生初步了解薄膜的形成过程，同时了解结构和缺陷，因为这些直接影响到薄膜的性能。1、 薄膜形成过程与生长2、 使学生了解薄膜形成过程的物理特性3、 使学生掌握薄膜组织结构4、 使学生了解薄膜缺陷（点缺陷、位错、晶界、层错）教学时数：4学时教学内容： 第一节 薄膜的形成过程一、 凝结过程二、 形核与长大（热力学界面能理论、原子聚集理论）三、 薄膜形成过程与生长四、 薄膜形成过程的物理特征（沉积粒子的产生过程、沉积粒子的迁移过程、成膜过程）第二节 薄膜的结构和缺陷 一、 薄膜组织结构二、 薄膜的晶体结构三、 表面结构（微观结构、物理参数）四、 薄膜缺陷（点缺陷、位错、晶界、层错）考核要求：1、薄膜的形成过程1.1 凝结过程（领会）1.2热力学界面能理论、原子聚集理论（识记）1.3薄膜形成过程与生长（识记）1.4 物理特征（识记）2、薄膜的结构和缺陷2.1薄膜的组织结构和晶体结构（领会）2.2 点缺陷、位错、晶界、层错（识记）3、表面空间电荷层 3.1表面空间电荷层（识记） 4、表面电子输运 4.1 载流子的运动、表面电导和表面电子输运（识记）4.2 表面态电导（领会）4.3 表面复合（领会） 5界面和晶界的电子输运5.1金属半导体界面（识记）5.2氧化物半导体界面（识记）5.3晶界的电子输运（领会）第十二章 硅酸盐聚集状态的结构教学要点： 通过本章的教学使学生掌握硅酸盐晶体结构、硅酸盐熔体的结构和玻璃结构影响到薄膜的性能。1、 硅酸盐晶体和熔体的结构2、 关于玻璃结构理论的几种学说教学时数：2学时教学内容