材料物理性能期末复习.doc

一、 概念题1.电畴：晶体中存在一些不同方向的自发极化区域(domain).在铁电体中，固有电极矩在一定的子区域内取向相同这些区域就称为电畴。（取向相同的固有电偶极矩）电畴的排列方式分为180度电畴（反平行）和90度电畴。因而不加电场时，整个晶体总电矩为零。2.畴壁：两畴之间的界壁称为畴壁。3.马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率(T)和残余电阻残组成。 即（T）残 称为马基申定律。根据马基申定律，在高温时金属的电阻率基本上取决于(T) ，而在低温时取决于残。既然残是电子在杂质和缺陷上的散射引起的，那么残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。4.导体：可在电场作用流动自由电荷的物体，能传导电流的元件5.绝缘体：不善于传导电流的物质6.半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并且有负的电阻温度系数的材料7.压电体：能产生压电效应的晶体材 8. 电介质的击穿，当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为击穿(breakdown)。击穿形式：1）电击穿， 是一电过程，仅有电子参与； 2）热击穿；3）化学击穿9.介质损耗：.电介质在电场作用下，单位时间内因发热而消耗的能量称电介质的损耗功率。介质损耗形式： 1）电导（或漏导）损耗，实际使用的电介质都不是理想的绝缘体，都或多或少地存在一些弱联系带电离子或空穴，在E 作用下产生漏导电流，发热，产生损耗。2）极化损耗10超导体：材料失去电阻的状态称为超导态，存在电阻的状态称为正常态，具有超导态的材料称为超导体。11接触电性：两种不同的材料接触，由于它们可以有不同的相、不同的晶体结构、电子结构，所以在它们的交界面上不可避免地要发生载流子的某种行为，由此而引起两种材料单独存在时所没有的新的电学效应，称为接触电性。12、热电效应：电位差、温度差、电流、热流之间存在着的交叉联系构成了热点效应。第一个热电效应塞贝克效应：两种下同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差，则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效第二个热电效应玻尔贴效应：当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生焦耳热外，在两接头处还分别出现吸收或放出热量Q的现象， Q称为玻尔帖热，此现象称为玻尔帖效应，第三个热电效应汤姆逊效应：当电流通过具有一定温度梯度的导体时，除产生焦耳热外，另有一横向热流流入或流出导体（即吸热或放热），此种热电现象称为汤姆逊效应。13、热释电效应：在某些绝缘物中，由于温度变化而引起电极化状态改变的现象。14、磁畴：未加磁场时铁磁质内部已经磁化到饱和状态的若干个小区域。15、磁致伸缩材料：铁磁体在磁场中磁化时，其尺寸或体积发生变化的现象称为磁致伸缩效应。具有磁致伸缩效应的材料称为磁致伸缩材料。16、磁电阻效应：磁场对载流导体或半导体中的载流子起作用致使电阻值发生变化的现象17、磁矫顽力：反磁化过程中，当反向磁畴扩大到同正向磁畴大小相相等时，它们的磁化对外对外部的效果相互抵消，有效磁化强度为零，这时的磁场强度称为磁矫顽力。18、磁化率：即单位外磁场强度下材料的磁化强度。它的大小反映了物质磁化的难易程度，是材料的一个重要的磁参数。19、磁导率: 反应磁感应强度随外磁场的变化速率，单位与 相同，为亨/米 。其大小与磁介质和随外加磁场强度有关。20、磁晶的各向异性：在单晶体的不同晶向上，磁性能不同的性质。21、磁弹性能：当铁磁体存在应力时，磁致伸缩要与应力相互作用，与此有关的能量。22、退磁能：铁磁体与自身退磁场的相互作用能称为退磁场能。（磁化饱和后，慢慢减少H，则M亦减小，此过程为退磁。）23、光电效应：是指光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。（百度的）24、一般吸收：在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收。25.选择吸收：在光学材料中，石英对于波长范围为3.55.0m的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。26折射率的色散：材料的折射率随入射光的频率的减小而减小，这种现象称为折射率的色散。27.光生伏特效应：是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。（百度的）28光的非弹性散射：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱得多。这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为非弹性散射。29发射光谱：发射光强 发射光波长 指在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。 其形状与材料的能量结构有关。 反映材料中从高能级始发的向下跃迁过程。激发光谱：发光强度 激发光波长 指材料发射某一特定谱线（或谱带）的发光强度随激发光的波长而变化的曲线 能够引起材料发光的激发波长也一定是材料可以吸收的波长，但激发光谱吸收光谱（因为有的材料吸收光后不一定会发射光，把吸收的光能转化为热能而耗散掉对发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上反映的）。 反映材料中从基态始发的向上跃迁过程。 30发光寿命：发光寿命指发光体在激发停止之后持续发光时间的长短。31. 发光效率： 量子效率q：指发射光子数nout与吸收光子数（或输入的电子数） nin之比。 功率效率p：表示发光功率Pout与吸收光功率（或输入的电功率）Pin之比。 光度效率l：表示发射的光通量L与输入的光功率（或电功率）Pin之比。32.受激辐射：对于物质中处于高能级上的原子，如果在它发生自发辐射以前，受到频率的外来光子的作用，就有可能在外来光子的影响下，发射出一个同样的光子，而由高能级跃迁到低能级上。这种辐射不同于自发辐射，称为受激辐射。（百度的）33.热阻：是材料对热传导的阻隔能力。34.杜隆-柏替定律：元素的热容定律（杜隆珀替定律）： 恒压下，元素的摩尔热容为25J/(Kmol)，轻元素例外。35.热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。36.魏得曼-弗兰兹定律：在室温下许多金属的热导率与电导率之比几乎相同，而不随金属的不同而改变。37.材料的热稳定性：热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，又称为抗热震性。38.因瓦效应：材料在一定温度范围内所产生的膨胀系数值低于正常规律的膨胀系数值的现象。二简答题：（1）电介质电导的概念，详细类别，来源答：并不是所有的电介质都是理想的绝缘体，在外电场作用下，介质中都会有一个很小的电流。称为泄露电流。导电方式有：电子与空穴（电子电导）；可移动的正负离子和离子空位。对于离子电导，必须需要指出的是：在较低场强下，存在离子电导；在高场强下，呈现电子电导。晶体的离子电导分为两类：一类是源于晶体点阵中基本离子的运动，称为离子固有电导或本征电导，这种电导是热缺陷形成的，即是由离子自身随着热运动的加剧而离开晶格点阵形成。另一类是源于结合力较弱的杂质离子的运动造成的，称为杂质电导（2）硬磁材料与软磁材料各自的特点与区别答：软磁材料：磁滞回线瘦长，易于磁化，也易于退磁，高、 Ms高、 Hc小、 Mr低硬磁（永磁）材料：磁滞回线短粗，磁化后不易退磁，低、 Hc与 Mr高（3）请简要回答热电性的三个基本热电效应答：第一个热电效应塞贝克效应：两种下同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差，则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效应。第二个热电效应玻尔贴效应：当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生焦耳热外，在两接头处还分别出现吸收或放出热量Q的现象， Q称为玻尔帖热，此现象称为玻尔帖效应。第三个热电效应汤姆逊效应：当电流通过具有一定温度梯度的导体时，除产生焦耳热外，另有一横向热流流入或流出导体（即吸热或放热），此种热电现象称为汤姆逊效应。（4）电滞回线的各个物理量的名称及物理意义答： P：电极化强度 Pr：剩余电极化强度 Ps：饱和电极化强度 E： 外电场强度 Eo：矫顽电场强度 （5）磁滞回线的各个物理量的名称及物理意义答： CD段：退磁曲线MS：饱和磁化强度BS：饱和磁感强度Mr：剩余磁化强度Br：剩余磁感强度HC：矫顽力 Hs: 饱和外加磁场强度 Hr: 剩余磁场强度 （6）请基于磁化率大小给物质磁性分类，并说明各类的物质磁化难易程度答： 称为物质的磁化率, 它的大小反映了物质磁化的难易程度 1)抗磁性材料：为甚小负常数 2)反铁磁性材料：是甚小的正常数 3)顺磁磁性材料：为正常数 4）亚铁磁性材料：类似铁磁体，但值没有铁磁体大 5）铁磁性材料：为很大的正常数 7) 简要回答物质磁性的本源答: 任何物质由原子组成，原子又有带正电的原子核（核子）和带负电的电子构成。核子和电子本身都在做自旋运动，电子又沿一定轨道绕核子做循规运动。它们的这些运动形成闭合电流，从而产生磁矩。材料磁性的本源是：材料内部电子的循规运动和自旋运动。8) 为什么自发磁化要分很多磁畴。答;从能量的观点，这种磁畴的形成是能量最小原则的必然结果，形成磁畴是为了降低系统的能量。由于交换作用力图使整个晶体自发磁化至饱和，磁化显然沿晶体的易磁化方向，这样才能使交换能和慈晶能都处于最小值。但是晶体都有一定的形状和尺寸，整个晶体均匀磁化的结果必然产生磁极，有磁极急必然产生退磁能，从而给系统增加了退磁能，退磁能将要破坏已经形成的自发磁化。这两个矛盾的相互作用结果将使大磁畴分割为小磁畴9) 正常情况下，为什么半导体的电阻率随温度的升高而降低。答：正常情况下，为什么半导体的电阻率随温度的升高而降低。自由电子 ，由公式知，自由电子与温度近似成正比， 故温度升高，自由电子增大，所以半导体的电阻率随温度的升高而降低。10.金属电阻随温度升高而升高原因： 金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，可认为与温度成正比，则也与温度成正比11.影响金属导电性的因素 主要因素：温度，受力情况，冷加工，晶体缺陷，热处理，几何尺寸效应，电阻率各向异性。12. 当形成化合物时，合金的导电性变化激烈，其电阻率要比各组元的电阻率高很多。原因在于原子键合的方式发生了变化，其中至少一部分由金属键变为共价键获离子键，使导电电子减少。若两组元给出的价电子的能力相同（即两个组元的电离势几乎没差别），则所形成化合物的电阻值就低，若两个组元的电离势相差较大，即一组元的给出电子被两个组元吸收，则化合物的电阻就大，接近半导体的性质.13) 超导体为什么具有完全的抗磁性：外磁场在试样表面感应产生一个磁感应电流。此电流所经路径的电阻为零，所以它产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相反，因而使超导体内的合成磁场为零。于是表现出完全的抗磁性。14.本征硅的导电机理：在热、光等外界条件的影响下，满带上的价电子获得足够的能量，跃过禁带跃迁至空带而成为自由电子，同时在满带中留下电子空穴，自由电子和电子空穴在外加电场的作用下定向移动形成电流。15.硼掺杂Si的导电机制：在本征半导体中，掺入3价硼元素的杂质（硼，铝，镓，铟），就可以使晶体中空穴浓度大大增加。因为3价元素的原子只有3个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素原子，并与周围的4个硅（或锗）原子组成4个共价键时，缺少一个价电子，形成一个空位。因为，3价元素形成的空位能级非常靠近价带顶的能量，在价电子共有化运动中，相邻的原子上的价电子就很容易来填补这个空位（较跃迁至禁带以上的空带容易的多），从而产生一个空穴。所以每一个三价杂质元素的原子都能接受一个价电子，而在价带中产生一个空穴。 16.砷掺杂Si的导电机理：本征半导体中掺入5价元素（磷，砷，锑）就可使晶体中的自由电子的浓度极大地增加。因为5价元素的原子有5个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素的原子时，余下了1个价电子变成多余的，此电子的能级非常靠近导带底，非常容易进入导带成为自由电子，因而导带中的自由电子较本征半导体显著增多，导电性能大幅度提高。 17介质损耗的形式及造成这几种损耗的原因：1）电导（或漏导）损耗 实际使用的电介质都不是理想的绝缘体，都或多或少地存在一些弱联系带电离子或空穴，在E 作用下产生漏导电流，发热，产生损耗。 低场强下，存在离子电导；高场强下，电子电导。 离子电导：本征电导和杂质电导。2）极化损耗：介质极化时,有些极化形式可引起损耗。一方面：极化过程中离子要在E作用下克服热运动消耗能量，引起损耗。 另一方面：松弛极化建立时间较长，极化跟不上外E的变化（特别是交流频率较高时），所造成的电矩往往滞后于E，即E达最大时，极化引起的极化电荷未达最大，当E开始减小时，极化仍继续增至最大值后才开始减小，当E为0时，极化尚未完全消除，当外E反向时，极板上遗留的部分电荷中和了电源对极板充电的部分电荷，并以热的形式散发，产生损耗。3）电离损耗 又称游离损耗，是气体引起的，含气孔的固体电介质，外E大于气体电离所需的E时，气体发生电离吸收能量，造成损耗。 电离损耗可使电介质膨胀，可导致介质热破坏和促使化学破坏，因此必须降低电介质中的气孔。另外还有结构损耗和宏观结构不均匀造成的损耗。 （18）电畴转向时引起较大内应力，这种转向不稳定。当外加电场撤去后，则有小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，而大部分电畴则停留在新转向的极化方向上，也就形成了剩余极化。（19）电畴的运动在外电场的推动下，电畴会随外电场方向出现转向运动。其运动过程分为新畴成核、发展和畴壁移动来实现。畴：反向电场（边沿，缺陷处即成核）新畴尖劈状的新畴向前端发展（因畴前移速度快几个 数量级）,畴不产生应力（因自发极化反平行），一般需耗较大电场能。畴：对于畴的“转向”虽然也产生针状电畴，但是主要是通过畴的侧向运动来实现。但因晶轴的长缩方向不一致，而产生应力并引起近邻晶胞承受压力。（20）实际的铁电体中，必然同时存在畴和畴，并且相互影响，相互牵制。尤其多晶陶瓷中杂质，缺陷，晶粒间界，空间电荷的存在将给电畴的转向带来电的或机械应力方面的影响，故铁电陶瓷在外电场作用下的定向移动率，通常比铁电单晶的定向率低的多（这也是为什么铁电单晶Ps值比铁电陶瓷高的原因）。二、 综合题3引起电介质击穿的形式及其物理机制：电击穿是因电场使电介质中积聚起足够数量和能量的带电电质点而导致电介质失去绝缘性能。 热击穿是在电场作用下，电介质内部热量积累，温度过高而导致失去绝缘性能。 电化学击穿是在电场，温度等因素作用，电介质发生缓慢的化学变化，性能逐渐劣化，最后失去绝缘性能。4超导现象的物理机制是什么：BCS理论。认为，超导现象产生的原因是超导体中的电子在超导态时，电子间存在着特殊的吸引力，而不是正常态时的静电斥力。这种吸引力使电子双双结成电子对。它是超导态电子与晶格点阵间相互作用产生的结果。使动量和自旋方向相反的两个电子el、e2结成了电子对，称为库柏电子对。5阐明P209页图。4.19的物理特征（不确定）在电磁波谱的可见光区，金属和半导体的吸收系数都很大，但是电介质材料，包括玻璃、陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区都有良好透过性，也就是说吸收洗漱很小。在紫外区出现了紫外吸收端，因为波长越短，能量越大。红外区的吸收峰是因为离子弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。6铁磁性产生的两个条件：原子有未被抵消的自旋磁矩（必要条件），可发生自发磁化（充分条件）。自发磁化的产生机理与条件：据键合理论，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换位置。对过渡族金属，原子的3d与4s态能量接近，它们电子云重叠时引起了3d、4S态电子的交换。交换所产生的静电作用力称为交换力，交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。7要获得一束高能激光如何实现为了产生激光，必须选择增益系数超过一定的阈值的激光介质，在激光谐振的配合下，使沿腔轴（镜面法线）方向传播的光波不断增强，并成为色彩极单纯（特定模式）、方向性极好、能量密度极高的激光束。（8）金属-半导体接触时，请基于溢出功大小阐述接触电效应 答假定金属的逸出功M大于半导体的逸出功 S ，当形成MS结时，半导体中的电子会向金属中扩散，使金属表面带负电，半导体表面带正电，能带发生移动，形成新的费米能而达到平衡，不在有静电子的流动，形成了接触电位差，VMS = (M - S)/e. 并在接触界面出现一个由半导体指向金属的内电场，阻碍载流子的继续扩散。也形成了耗尽层，能带向上弯曲，在金属与半导体两侧形成势垒高度稍有不同的肖特基势垒。这种MS结具有整流作用。 当M S时，电子将有金属扩散流向半导体，在半导体一侧形成堆积层，这个是高导电区，成为反阻挡层（黑板图示）。能带向下弯曲，成为欧姆结。通常半导体器件采用金属电极时就需要良好的欧姆接触。（9）阐明热传导的物理机制答：同（1）（10）退磁的方法有哪些，同时请说明每一种方法的退磁机制答：磁滞回线的起点不是饱和点，而在饱和点以下时，H减小时，Mr和Hc减小，即磁滞回线变得短而窄，若施加的交变磁场幅值H趋于0时，则回线将成为趋于坐标原点的螺线，直至交变磁场的H 0，铁磁体将完全退磁。热退磁：将试样加热到居里点以上，然后在无外电场的条件下缓慢冷却到室温。该方法操作复杂，可能导致试样结构变化，但能获得完全的退磁效果。 交流退磁：在试样上加一低频交变磁场，并使其振幅由某一最大值均匀减小到零。（11）PN结的发光机制是什么答：（12）为什么所有物质都具有抗磁性，请阐明原因答：（13）请阐明材料出现热膨胀的物理机制实际上物体温度升高，由于质点振动的加剧，将引起质点平均距离增大，从而导致物体热膨胀。. 对于简谐振动，位能曲线对称，升高温度只能增大振幅，并不会改变平衡位置，因此质点间的平均距离不会因温度升高而改变。对于非简谐振动，位能曲线不对称，质点向外振动的距离大于向内振动的距离，随着温度升高，动能增大，振动剧烈，质点间的平均距离不断增大，形成宏观的热膨胀现象。用双原子模型解释rr0时，表现为引力，但引力随位移的增大较慢。因此，合力曲线和势能曲线均不对称引力与斥力都与质点间的距离有关：引力与斥力都随质点间距离减小而增大，但两个作用力都是非线性的，即不简单地与位移成正比。随间距的减小增大速度不同，斥力增加的快，其合力曲线的斜率不等（平衡位置左侧大，右侧小），所以质点振动时其平均位置不在原平衡位置，而是靠右。温度升高，振幅增大，其平均位置偏离原平衡位置靠右的距离越大，两质点间的距离增大，使晶胞参数增大，整个物体膨胀。用势能曲线解释任一温度下，质点在其平衡位置动能最大，势能为零；在左右最远距离势能最大，动能为零。随温度升高，质点振幅增大，左右侧最大势能都增加，但由于斥力增加的快，左侧势能增加较右侧快，形成了势能曲线的不对称。因此，随温度的升高，质点的中心位置右移，质点间的距离最大，物体膨胀。14铁电体自发极化的物理机制：1）非铁电态到铁电态过渡总是伴随着晶格结构的改变。2）晶体由立方晶系转变为四方晶系，晶体的对称性降低。3）自发极化主要是由于某些离子偏离了平衡位置而造成的。偏离导致单位晶胞中出现电矩，电矩之间的相互作用使偏离离子在新的位置上稳定下来。与此同时，晶体结构发生畸变。15（右图为N沟道晶体管示意图，在P型衬底的MOS系统中增加两个N型扩散区，分别称为源区（S表示）和漏区（D表示）。通过控制栅压G的极性和数值，可以使MOS晶体管分别处于导通或截止的状态：源、漏之间的电流将受到栅压的调制，这就是MOS晶体管工作原理的基础。16.基于伏特效应设计的太阳能电池吸收光能及产生电能的示意图并阐明其运作过程。利用扩散掺杂的方法，在P型半导体的表面形成一个薄的N型层，在光的照射下，在PN结及其附近表面产生大量的电子和空穴对，在PN结附近一个扩散长度内，电子-空穴对还没有复合就有可能通过扩散达到PN结的强电场区域（PN结自建电场），电子将运动到N型区，空穴将运动到P型区，使N区带负电、P区带正电，上下电极产生电压光生电子伏特效应。17. PN结在正、反向电压施加作用下的导电过程：A、PN结的构成：PN结的两边由于存在载流子分布的浓度差而引起载流子的扩散运动。P区中的空穴扩散到了N区，N区中的电子扩散到了P区，随着扩散的进行在交界面处形成了一层的空间电荷区，同时也有一定值的内电场Ei和内建电位差VD,如右图所示。B、外加正向电压的情况由于外加正向电压U与内电位差VD方向相反，因而使阻挡层两端的电位差减小到（VD-U），空间电荷量减少，以至内电场减小，结果产生了从P区流向N区的正向电流。该电流是由多子扩散形成的，故较大。C、由于外加电压U与内电位差VD方向相同，阻挡层加宽，科技电荷量增多，以至内电场加强，形成了从N区流向P区的反向电流。该电流是由少子漂移形成的，故很微弱，且几乎不随U的增大而变化。18.介质极化的五种基本形式及概念、基本特点1）。电子式极化（电子位移极化）：在E作用下，原子外围的电子云中心相对于原子核发生位移，形成感应电矩而使介质极化的现象。特点：形成很快（10-1410-16 s),是弹性可逆的，极化过程不消耗能量。在所有电介质中都存在，但只存在此种极化的电介质只有中性的气体、液体和少数非极性固体。2）。2）离子式极化(离子位移极化）:离子晶体中，除离子中的电子产生位移极化外，正负离子也在E作用下发生相对位移而引起的极化。又分为：A.离子弹性位移极化：在离子键构成的晶体中，离子间约束力很强，离子位移有限，极化过程很快（ 10-1210-13s），不消耗能量，可逆。 B、热离子极化（离子松弛式位移极化）：在有些离子晶体和无定形体中，存在一些约束力较弱的离子，无E时作无规则热运动，宏观无电矩；有E时，正负离子反向迁移，形成正负离子分离而产生介质极化。极化建立时间较长（ 10-210-5s），有极化滞后现象，需消耗一定能量，不可逆。3）偶极子极化(固有电矩的转向极化）:有E时，偶极子有沿电场方向排列的趋势，而形成宏观电矩，形成的极化。所需时间较长（10-210-10s），不可逆，需消耗能量。4）空间电荷极化：有些电介质中，存在可移动的离子，在E作用下，正负离子分离所形成的极化。所需时间最长（10-2s）。19、BaTiO3单晶体在外电场作用下的极化反转过程：（20）金属Fe具有磁性原因答：铁磁质的磁性是自发产生的，磁化过程只不过是把铁磁质本身的磁性显示了出来，而不是由外界向铁磁质提供磁性。铁磁性产生的充分条件：原子内部要有未填满的电子壳层（或说存在固有磁矩），且A（交换能积分常数）为正值（或说可发生自发磁化）。 据键合理论，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换位置。对Fe过渡族金属，原子的3d与4s态能量接近，它们电子云重叠时引起了3d、4S态电子的交换。交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。铁磁质产生自发磁化第一章：材料电学性能1 如何评价材料的导电能力？如何界定超导、导体、半导体和绝缘体材料？用电阻率或电阻率评价材料的导电能力。按材料的导电能力（电阻率），人们通常将材料划分为：2、经典导电理论的主要内容是什么？它如何解释欧姆定律？它有哪些局限性？金属导体中，其原子的所有价电子均脱离原子核的束缚成为自由电子，而原子核及内层束缚电子作为一个整体形成离子实。所有离子实的库仑场构成一个平均值的等势电场，自由电子就像理想气体一样在这个等势电场中运动。如果没有外部电场或磁场的影响，一定温度下其中的离子实只能在定域作热振动，形成格波，自由电子则可以在较大范围内作随机运动，并不时与离子实发生碰撞或散射，此时定域的离子实不能定向运动，方向随机的自由电子也不能形成电流。施加外电场后，自由电子的运动就会在随机热运动基础上叠加一个与电场反方向的平均分量，形成定向漂移，形成电流。自由电子在定向漂移的过程中不断与离子实或其它缺陷碰撞或散射，从而产生电阻。，电导率= （其中= ，为电子的漂移迁移率，表示单位场强下电子的漂移速度），它将外加电场强度和导体内的电流密度联系起来，表示了欧姆定律的微观形式。缺陷：该理论高估了自由电子对金属导电能力的贡献值，实际上并不是所有价电子都参与了导电。（？把适用于宏观物体的牛顿定律应用到微观的电子运动中，并且承认能量的连续性）3、自由电子近似下的量子导电理论如何看待自由电子的能量和运动行为？自由电子近似下，电子的本证波函数是一种等幅平面行波，即振幅保持为常数；电子本证能量E随波矢量的变化曲线 是一条连续的抛物线。4、根据自由电子近似下的量子导电理论解释：准连续能级、能级的简并状态、简并度、能态密度、k空间、等幅平面波和能级密度函数。 准连续能级 ：电子的本征能量是量子化的，其能量值由主量子数n决定，并且其能量值也是不连续的，能级差与材料线度L成反比，材料的尺寸越大，其能级差越小，作为宏观尺度的材料，其能级差几乎趋于零，电子能量可以看成是准连续的。 能级的简并状态 ：把同一能级下具有多种能态的现象称为能级的简并状态。 简并度 ：把同一能级下的能态数目称为简并度。 能态密度 ：对于某一个电子体系，在k空间内单位体积内能态的数量或倒易节点数称为波矢能态密度。 =V/(2)，含自旋的能态密度应为2 K空间 ：如果使用波矢量为单位矢量构筑坐标系，则每个能态在该坐标中都是一个整数点，对于准连续的能级，此坐标系中的每个整数点都代表一个能态。人们把此坐标系常数称为k空间或状态空间。 等幅平面波 ：量子导电理论中在自由电子近似下用来描述电子运动行为的本征波函数，其波幅保持为常数。 能级密度函数 ：电子的波矢能态函数对其能量的分布函数，可以认为是在单位能量宽度上的能态分布，表达式为：5、自由电子近似下的等能面为什么是球面？倒易空间的倒易节点数与不含自旋的能态数是何关系？为什么自由电子的波矢量是一个倒易矢量？因为在k 空间内，能量的大小仅与波矢k的长度有关，而与波矢的方向无关，所以所有等长的波矢均代表一个相同的能级，因此代表同一能级的所有状态点在k空间中应分布在以坐标原点为中心、以k为半径的球面（等能面）上。 倒易空间的倒易节点数=不含自旋的能态数在波矢的计算中利用周期性边界条件、欧拉公式以及倒易矢量关系式得到如下关系式6、自由电子在允许能级的分布遵循何种分布规律？何为费米面和费米能级？何为有效电子？价电子与有效电子有何关系？如何根据价电子浓度确定原子的费米半径？允许能级中的电子在各能态的分布遵循费米-狄拉克统计分布规律。其分布函数为：，其中E为电子的能量,为费米能量或化学势，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。分布函数的物理意义表示：T温度下，能量为E的能态被电子占据的概率为f（E），其图形如图：绝对零度时（基态），EEF的能级的各能态被电子占据，f(E)=1；EEF的能级能态则全空着，f(E)=0；E0的激发态），分布函数在费米能量附近的陡直程度下降了，分布对应的能量范围约为EF附近区间。可见温度越高，分布变化所对应的能量范围越宽。但E=EF时，f(E)恒等于1/2.这种变化的物理本质为：原来处于费米面以下邻近费米能级的一部分电子由于受到能量的热激发而可以跃迁到费米面以上能区。费米面和费米能：按自由电子近似，电子的等能面在k空间是关于原点对称的球面。特别有意义的是E=EF的等能面，它被称为费米面，相应的能量成为费米能。有效电子：能量位于费米面附近的部分价电子，当它们受到某种能量的激发而跃迁到允许电子存在的不满态能区时，才能成为真正意义上的自由电子，我们把这些自由电子称为有效电子。价电子是有可能越过费米面而参与导电的所有电子的集合，属于原子中比较活跃的电子，有效电子属于价电子，只是它越过了费米面而进入了未满能带而能够参与导电。费米半径和价电子浓度N的关系：7、自由电子的平均能量与温度有何种关系？温度如何影响费米能级？根据自由电子近似下的量子导电理论，试分析温度如何影响材料的导电性。温度升高，自由电子的平均能量升高。温度升高时，因为部分电子被激发，费米半径减小，材料原子的费米面略微下降，但在很大的温度范围内，可近似认为不受温度影响。对于自由电子，温度上升使其能量提高，运动速度加快，但均匀的温度场只能使其作方向随机的热运动，只有不均匀的温度场才能使其产生定向漂移；对于费米面以下靠近费米面的价电子，温度场能促进其激发，能增加材料的有效电子数量；对于离子，增加温度则显著提高其热振动的振幅和频率，即增加声子的数量，其效果是极大地增加了离子实对电子的散射几率；另外还可能改变晶格周期场和电子的有效质量。总体上材料的电阻率随温度增加而增加，但材料不同，温度范围不同，二者的相关规律不同。8、自由电子近似下的量子导电理论与经典导电理论在欧姆定律的微观解释方面有何异同点？相同：都以自由电子作为电能传输的载流子。不同：经典导电理论认为原子核外的所有价电子都参与了导电，而量子导电理论则是通过费米能级和费米面这一概念将价电子划分为两种状态，并且认为只有越过费米面之上的价电子（有效电子）才能够参与导电。9、何为能带理论？它与近自由电子近似和紧束缚近似下的量子导电理论有何关系？在电子能量分布状态中，如果考虑晶格周期势场对其的作用，那么电子的本证波函数就会变成一种由晶格周期势场调制的调幅平面波，并且在一定特定的能量位置上发生了断裂，即在k轴上出现了不允许电子存在的间断点，材料中这些不允许电子存在的能隙就是所谓的禁带，而允许电子存在的能区被称为允带，相应的理论也被称为能带理论。能带理论与近自由电子近似和紧束缚近似下的量子导电理论的差别仅在于晶格周期势函数采用不同的近似，使得晶格周期势场的起伏程度不同，晶格周期势场无起伏时称为自由电子近似，晶格周期势场起伏不大时称为近自由电子近似，晶格周期势场起伏很大时称为紧束缚近似。10、孤立原子相互靠近时，为什么会发生能级分裂和形成能带？禁带的形成规律是什么？何为材料的能带结构？能级分裂：将N个原子逐渐靠近，原子之间的相互作用逐渐增强，各原子上的电子受其它原子（核）的影响；最外层电子的波函数将会发生重叠，简并会解除，原孤立原子能级分裂为N个靠得很近的能级；原子靠得越近，波函数交叠越大，分裂越显著。能带形成：当两个原子靠近时，核外电子的交互作用逐渐增强，最外面的价电子最先产生交互作用，电子的能级发生交叠。因为越是处于外层的电子，其能量越高，能级量子数越大，所以这种能级交叠首先发生在价电子层，由于受到泡利不相容原理的限制，能级虽然发生交叠，但其中能态不能重叠，并且原子数量越多，这种交叠区的能级密度就越高，这种交叠结果使许多能级聚集到一起形成了能带。本征能量的函数的间断点出现在布里渊区的界面处，能级间断一定是在这些位置，但是材料中这些位置并不一定出现禁带，能隙的宽度等于晶格周期势函数的傅立叶展开式中相应项的系数的二倍，当能级的间断宽度达到一定程度而使得大多数电子不能够跨越时，便形成了禁带。材料的能带结构是指能带的具体构成形式，包括构成、排列方式、能级差和费米能级在其中位置等。11、在布里渊区的界面附近，费米面和能级密度函数有何变化规律？哪些条件下会发生禁带重叠或禁带消失现象？试分析禁带的产生原因。费米面变化规律：考虑到晶格周期势场影响时，费米面在与布里渊区界面的交界处不连续，费米面有可能穿越布里渊区，受布里渊区的界面的影响，费米面的形状会发生畸变，这种影响和畸变程度随两个面间距的减小而加剧。能级密度函数变化规律：如果取等厚度球壳为k空间的微元体积，在布里渊区之内，随球半径的增加球壳体积增加（同体积条件下球形表面积最小），即单位能量容纳的能态数增加，N（E）达到最大值，等能面半径继续增加，其外表面就逐渐接触第一布里渊区的界面，球壳外表面就会破裂，进而也会使整个球壳变得千疮百孔，支离破碎，k空间等厚度球壳微元体的体积就会逐步减小，该阶段N（E）曲线会显著下降。当部分球壳穿越第一布里渊区进入第二布里渊区后，N（E）曲线会重新上升。禁带不出现或禁带重叠：受晶体结构因素的影响，能带的重叠可以使禁带消失；晶格周期势场傅立叶展开级数的系数为零，禁带消失；多原子原胞（复式格子）晶体，因基元散射时的结构消光而使禁带消失。禁带产生原因：12、在能带理论中，自由电子的能量和运动行为与自由电子近似下有何不同？ 能带理论中，自由电子的波函数由等幅平面波变成晶格周期势场调制的调幅平面波，电子的本征能量不再是连续的抛物线，而是在晶格的布里渊区界面处出现间断，原来准连续的能级现在变成了由允带和禁带组成的能带结构，这使得自由电子不能在各个能级上自由地跨越和变动，而必须跨过禁带才能到达不同的能级中，这需要外界提供额外的能量，材料的能带结构以及费米面在能带中的位置因素必然会影响电子的激发跃迁行为，进而影响材料的导电性。13、自由电子的能态或能量与其运动速度和加速度有何关系？何为电子的有效质量？其物理本质是什么？能量处于k状态的电子运动速度等于波矢为电子波的传播速度，其运动速度取决于能量对波矢量的商数或者偏导数（前者为相速度，后者为群速度）。电子有效质量m*定义为：电子的有效质量是对电子本征质量的一种修正，为的是在计算中将电子受到的外场作用和晶格周期场对电子综合作用力综合在一起考虑，从而折算为电子的质量变化，方便计算和表达。引入电子有效质量概念完全是为了让电子在晶格周期场中的运动规律仍具有牛顿定律的形式而把晶格周期场对电子的作用力折换成其质量变化，或者说电子的有效质量中包含了晶格周期场对电子作用力的影响。电子有效质量的变化实际上反映了晶格周期场对电子运动速度、加速度和能量的影响。14、试分析、阐述导体、半导体（本征、掺杂）和绝缘体的能带结构特点。导体中含有未满带，在外场的作用下，未满带上的电子分布发生偏移，从而改变了原来的中心堆成状态，占据不同状态的电子锁形成的运动电流不能完全抵消，未抵消的部分就形成了宏观电流；绝缘体不含未满带，满带中的电子不会受外场的作用而产生偏离平衡态的分布，而一些含有空带的绝缘体，也因为禁带间隙过大，下层满带的电子无法跃迁到空带上来形成可以导电的未满带，所以绝缘体不能导电；本本征半导体的情况和绝缘体类似，区别是其禁带能隙比较小，当受到热激发或外场作用时，满带中的电子比较容易越过能隙，进入上方空的允带，从而使材料具有一定的导电能力；掺杂半导体则是通过掺入异质元素，从而提供额外的自由电子或者额外的空穴以供下层电子向上跨越，使得跨越禁带的能量变低，电子更加容易进入上层的空带中，从而具有导电能力。15、能带论对欧姆定律的微观解释与自由电子近似下的量子导电理论有何异同点？自由电子近似下的量子导电理论中那些能量低于费米能且远离费米面的价电子，因其周围的能态都是满态，其行动并不自由，不能导电，只有能量位于费米面附近的部分价电子才能够参与导电，成为有效电子，材料的导电能力主要取决于这些有效电子的运动状态与能量分布。能带理论基础与之类似，不同的是能带理论在此基础上还引入了能量分布断裂和禁带对自由电子能量和运动状态分布的影响，材料能带结构对其电导率的影响则主要通过电子分布状态改变的难易程度来反映。16、解释原胞、基矢、基元和布里渊区的含义原胞：一种表征晶体结构的最小单元，每个原胞中只能包含一个点阵节点（基元），原胞也是一个平行六面体。基矢：原胞的相邻三个棱边的单位矢量。基元：晶胞中所包含的节点，可以是单个原子，也能代表多个同种或不同种的原子。布里渊区：在倒易空间以某倒格点为坐标原点，作所有倒格矢的垂直平分面，倒易空间被这些平面包围和分割成许多的多面体区域，这些区域被称为布里渊区。17、试指出影响材料导电性的内外因素和影响规律，并分析其原因。内在因素：原子结构、晶体结构和晶格的完整性 原子结构决定了其核外电子的组态，从而决定了电子的价态分布，以及能够参与导电的自由电子数目；晶体结构能够影响能带结构和晶格作用场的状况；晶格中存在缺陷时，材料导电能力下降。外在因素：温度场、电场、磁场 温度能够增大自由电子的能量，但同时也会使得原子中自由电子的运动状态变得更加无序，总体上来讲，金属的电阻随着温度的升高而增大；电场能够使电子发生定向漂移，磁场能够改变电子的自旋状态，从而改变其分布。18、材料电阻的测试方法有哪几种？各有何特点？电桥法、直流电位差法、直流四探针法电桥法的特点是测试精度较高，但连线电阻难于消除；直流电压差法的特点之一是对连线电阻无要求，可用于高、低温条件下的温度的电阻测量；直流探针法检测速度较快。19、简述用电阻法测绘固溶度曲线的原理和方法。原理：固溶体的电阻率随成分非线性变化而多相合金的电阻率成分线性变化。方法：取几组成分密集变化的电阻分析试件；分别在不同温度Ti下测试其电阻，也可将该温度下长时间保温的样品快速激冷至室温，然后在室温下测试其电阻；对各Ti绘制的电阻率-固溶度曲线；确定各Ti曲线上曲线与直线的交点成分i和相应的温度；在TB绘出各i，并连接成曲线。材料力学性能热学性能1、简述材料热容的定义，为什么说材料的等容热容CV的物理本质是材料内能随温度的变化率时常需附加无相变、无化学反应和无非体积功的条件？CV和CP的本质差别是什么？对实际材料进行热分析时，若有相变发生，为什么其CP中还能反应相变的热效应？热容指一定量物质在规定条件下温度每变化一度（或K）所吸收或放出的热量。当体系处于一般情况时，Q=dU-Yidyi-idni ，其热容中将包含更多的能量因素引起的热效应，只有在材料中无相变、无化学反应和无非体积功的条件下才有Q=dU，从而CV=Q/dT=dU/dT,其等容热容CV的物理本质是材料内能随温度的变化率。CV=Q/dT=dU/dT，Cp=Q/dT=dH/dT，它们的本质差别在于Cp中包含了其他热效应。因为Cp包含了相变等除内能以外的其他变化所产生的热效应。2、微观上如何认识材料内能的构成？答：内能是材料内部微观粒子运动能量总和的统计平均值。3、简述杜隆珀替经典热容理论模型和结果，评价其局限性。理论模型：把构成晶体点阵的基元近似成独立粒子和理想气体，并只考虑其平均动能和势能，没有考虑原子振动形成的格波。结果：CV=E/T=3R局限性：模型太简化，结果仅反映当TD时，CVm3R，且Cv与温度无关，对单原子气体的实验结果是比较符合的。4、 解释何为晶格热振动、格波和色散关系？何为简谐近似和非简谐近似？如何界定连续介质和非连续介质？色散关系式的个数如何确定？色散与非色散介质中格波的相速度和群速度有何差异？晶格热振动就是晶体中的原子在热能驱动下在其平衡位置附近进行的一种微振动。由于原子之间的相互作用，这种振动以行波的形式在晶格中传播，形成格波。格波的频率与波矢q之间的关系称为色散关系。简谐近似是指将晶格热振动近似为一个简谐振动的模型，材料中原子的总作用势能Un只能取到umn 项，如果按非简谐近似Un常取到umn 项 。如果格波波长远远大于原子间距a，则认为是连续介质，否则需按非连续介质处理。 色散关系的个数由单胞原子数P决定。如单原子原胞P=1，则只有一种色散关系式。 非色散介质中相速度与群速度相等，而色散介质中不相等。5、解释何为晶格振动模式？格波的波矢数和模式数如何确定？为什么晶体中有3PN种振动模式（或格波）？振动模式：由于频率和波矢是一种波的主要特征参量，晶体中一种格波就有一组（，q）与之相对应，我们把它定义为一种振动模式。格波波矢个数等于其倒易空间的倒易节点数，也等于晶格的原胞数N。一维单原子原胞的振动模式数等于格波数N，一维多原子原胞（设其原胞内有P个原子）的振动模式数为PN，三维多原子原胞的振动模式数为3PN。由于原子热振动的位移具有3个自由度，所以晶体中总共会有3PN种振动模式或格波。6、对晶格热振动进行正则坐标变换的意义是什么？根据量子力学，