材料结构与物性.doc

一、 量子力学假设假设1：波函数和微观粒子的状态 对于一个微观体系，它的状态和有关情况可以用波函数（x, y, z, t)来表示。是体系的状态函数，是体系中所有粒子的坐标函数，也是时间函数。（x, y, z, t)决定了体系的全部可测物理量.假设2 ：物理量和算符微观体系的每个可测物理量都对应着一个线性自轭算符。如 u(x) = v(x) 。 就称为算符或算子。假设3：本征态、本征值 如果某一力学量A的算符作用于某一状态函数y后，等于某一常数a乘以y。 y a y为本证方程，处于本征态的力学量A具有确定的值a假设4：态叠加原理若y1，y2 yn为某一微观体系的可能状态，由它们线性组合所得的y也是该体系可能的状态。 假设5 ：泡利不相容原理 在同一原子轨道或分子轨道上，至多只能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋状态必须相反。或者说两个自旋相同的电子不能占据相同的轨道。二、 分子对称1、 分子对称性是指：分子中所有相同类型的原子在平衡构型时的空间排布是对称的2、 操作：不改变分子中各原子间距离使分子几何构型发生位移的一种动作。3、对称操作：每次操作都能产生一个和原来图形等价的图形，通过一次或几次操作使图形完全复原。3、 对称操作包括：旋转、反映、反演、反转对称元素和对称操作是两个既有联系又有区别的概念，一个对称元素可以对应多个对称操作。三、 晶体结构1、固体分类(按结构)（1）晶体：长程有序（单晶、多晶）（2）非晶体：长程无序，短程有序（3）准晶体：有长程取向性，而没有长程的平移对称性。2、晶体的共性1、长程有序: 至少在微米量级范围内原子排列具有周期性。2、自限性: 晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性。3、各向异性: 晶体的物理性质是各项异性的。4晶体的均匀性：晶体中任意两点(在同一方向上)的物理性质相同。5晶体的对称性: 晶体在某几个特定方向上可以异向同性，这种相同的性质在不同的方向上有规律地重复出现，称为晶体的对称性。6晶体固定的熔点: 给某种晶体加热，当加热到某一特定温度时，晶体开始熔化，且在熔化过程中保持不变，直到晶体全部熔化，温度才开始上升，即晶体有固定的熔点。3、晶体结合形式1、离子键（ionic bond)：原子形成正、负离子后通过静电引力相互吸引而形成的结合键依靠正、负离子间的静电吸引作用稳定地结合成分子，如：电离能低的碱金属与亲和能高的卤素原子形成的分子。NaCl、CsCl2、共价键(valence bond): 两个原子共用一对自旋相反的电子所形成的结合键。金刚石SiGe3、范德瓦耳斯键(Van der Waals bond)或分子键(molecular bond)：满壳层电子结构的原子之间靠范德瓦耳斯力的结合。形成分子晶体。惰性气体4、氢键(hydrogen bond): 氢原子同时与两个电负性较强的原子成键，就会形成氢键。H2O、H2F。5、金属键(metal bond)：金属元素的原子失去最外层的价电子后成为正离子；各个价电子形成“电子云”。正离子与“电子云”中的电子的相互吸引，产生了金属键。Cu、Mg、Zn。四、 材料制备技术（1）磁控溅射A）原理：溅射：荷能粒子轰击固体表面，当表面原子获得足够大的动能而脱离固体表面，从而产生表面原子的溅射。B）过程：等离子体产生的阳离子往阴极方向上运动并与阴极原子相碰撞，部分碰撞出的原子通过扩散作用经等离子体后沉积到衬底上。C）优点：D）应用：磁射镀膜主要应用与薄膜电路，如制备电阻、电容器电极、以及制造金属氧化物电容器介质的原材料等。（2）PLD制备技术A)、过程：PLD是将脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于靶材表面，使靶材表面产生高温及熔蚀，并进一步产生高温高压等离子体，这种等离子体定向局域膨胀发射，并在衬底上沉积而形成薄膜。强脉冲激光作用下的靶材物质聚集态迅速发生变化，成为新的状态而跃出，直达基片表面凝结成薄膜B）优缺点：1只要入射激光能量密度超过一定阈值，靶的各组成元素就具有相同脱出率，在空间具有相同的分布规律，可保证靶膜成分一致。2脉冲激光束能量高，溅射出来的粒子动能大，提高薄膜的质量。3激光能量高度集中，可解决难熔材料的薄膜沉积问题。4可引入各种活性气体，多元素化合物薄膜的制备 。5易于在较低温度（如室温）下外延单晶膜，等离子体中原子的能量比蒸发法产生粒子能量要大得多，原子沿表面的迁移扩散剧烈，在较低温度下实现二维生长。6能够沉积高质量纳米薄膜。高的粒子动能有显著增强二维生长抑制三维生长的作用，能够获得极薄的连续薄膜而不易出现岛化。7易于掺杂。8灵活的换靶装置，便于实现多层膜及超晶格薄膜的生长存在一些不足：1等离子体中含有的微粒、气态原子和分子沉积在薄膜上形成的颗粒物会降低薄膜的质量2膜厚不够均匀。熔蒸“羽辉”具有强的定向性，只能在很窄的范围内形成均匀厚度的薄膜。3激光与靶长期相互作用会使靶的表面变得粗糙，引起沉积速率下降、羽辉方向向激光入射方向偏离等问题。C）应用：PLD制备纳米棒（3）MBE分子外延束A）过程分子束外延是在高真空或者超高真空环境中，利用热蒸发等形式提供具有确定方向性的分子束或原子束，束流形式的原子或分子碰撞在衬底(通常为单晶片)表面并在表面沉积排列生长为特定的结构，衬底表面和原子分子束流都通过原位监测手段来监控，因而是一种非常精确的薄膜生长手段。B）优点：1、超高真空，获得高质量的表面，高纯度薄膜2、分子束的反应活性高，衬底温度低。可防止膜组份的摆动(起伏)，得到“陡峭”的掺杂和鲜明(sharp)的界面3、生长速率慢，薄膜的结晶质量高4、RHEED等原位检测手段，获取丰富的晶体表面信息和生长过程信息。可实现生长的实时监控，控制精度可达原子的尺度。适于制作异质结、量子阱或超晶格结构。五、 C材料：C纳米管的制备、性质、应用A）结构：由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管B) 制备:电弧放电法、催化裂解法(、化学气相沉积法、激光蒸发（烧蚀）法、等离子体法、热解聚合物法（化学热解法）、增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法(又称PE-HF-CVD法)、离子（电子束）辐射法、催化裂解无基体法、电解法C）性质：1、高的机械强度和弹性。2、优良的导体和半导体特性。量子限域所致3、高的比表面积。4、强的吸附性能。5、优良的光学特性6、发光强度随发射电流的增大而增强。D）应用： 储氢和储能 单电子晶体管 高能微型电池 高能电容器 计算机芯片导热板 高温防护材料 等等六、 SiC、ZnO的结构、性质、应用、关联SiC的半导体性质、优点 带隙(Eg)宽2.3-3.3eV；临界击穿电场强度(Eb)高，比Si高一个量级；电子饱和漂移速率(s)大，是Si的2倍；热导率(K)大，约为Si的2-3倍，甚至优于铜；介电常数(r)低 应用：高频、微波器件；大功率器件；耐高温器件；光电器件；耐辐射及高能粒子探测 ZnO的晶体结构ZnO是II-VI族化合物半导体材料，具有纤锌矿结构，属于空间群P63mc，其晶格常数a=3.2495 ，c=5.2069 ；c/a1.602,比理想的六方密堆积结构1.633略小性质：光学、紫外受激发射、压电、导电、湿敏、气敏等特性应用：制作太阳能电池透明电极、压敏元件、气敏元件、发光器件、紫外光探测器七、CoFe2O4结构：CoFe2O4铁氧体是铁基氧化物中比较重要的一种，属于尖晶石型、立方晶系。尖晶石型铁氧体的晶体结构为面心立方结构，其中氧离子作面心立方密堆积，存在着四面体位与八面体位两类间隙，Co2+离子占据八面体的间隙位置，而Fe3+离子选择性的占据四面体和八面体的间隙位置。性质：具有立方结构的钴铁氧体是一种性能优良的永磁材料,它具有高的矫顽力和磁饱和强度、磁晶各向异性常数较大、化学性能稳定且耐腐蚀耐磨损等。其矫顽力和电阻率比磁性合金高几十倍,高频磁导率较高,单元铁氧体在室温下的磁晶各向异性常数可高达约2.7105J/m37。所有这些优点使它广泛地应用于低损耗磁芯材料、垂直磁记录材料、磁性静态波器件以及表面磁性研究中。应用：吸波材料：将其制备成纳米级微粒，不仅可以提高其吸波性能，还可以减轻质量。在电视、无线电、录音、录像、计算机技术、自动控制、雷达导航、宇宙飞行、卫星通讯、仪表测量、印刷显示、医学生物、高速运输等领域都得到了广泛应用。八、 名词解释+其它1、当有足够强的辐射（如紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发跨过能隙，进入导带，这样就发生了光吸收。这种与电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作基础吸收或固有吸收。2、价带中的电子吸收一定波长的可见光或近红外光可以相互脱离而自行漂移，并参与导电，即产生所谓光导电现象。当导带中的一个电子与价带中的一个空穴复合时，就会发射出可见光的光子，这就是所谓光致发光现象。3激发源和发光材料分类发光（Luminescence）一般用来描述某些固体材料由于吸收能量而随之发生的发射光现象。发光可以以激发光源类型的不同划分为如下发光类型：光致发光（Photoluminescence）：以光子或光为激发光源，常用的有紫外光作激发源。电致发光（Electroluminescence）：以电能作激发源。阴极致发光（Cathodoluminescence）：使用阴极射线或电子束为激发源。4、发光效率 发光材料的另一个重要特性是其发光强度，发光强度也随激发强度而改变。通常用发光效率来表征材料的发光本领，有3种表示方法：量子效率、能量效率、光度效率。5、荧光（Fluorescence）：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为10-8秒。只要光源一离开，荧光就会消失。磷光（Phosphorescence）：在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。余辉：当激发光停止时的发光亮度（或强度）J0衰减到J0的10%时，所经历的时间称为余辉时间，简称余辉。6、激光材料3大特点：（1）亮度极高，比太阳的亮度可高几十亿倍；（2）单色性好，谱线宽度与单色性最好的氪同位素16Kr灯发出的光相比，也只是后者的十万分之一；（3）方向性好，光束的散射角可达到毫弧度。7、测不准原理有这样一些成对的可测量, 要同时测定它们的任意精确值是不可能的. 其中一个量被测得越精确, 其共轭量就变得越不确定.： 8、量子效应能量量子化，零点能效应和粒子没有运动轨道只有几率分布，这些现象是经典场合所没有的，只有量子场合才得到的结果，一般称为“量子效应”。 9、基元在晶体中适当选取某些原子作为一个基本结构单元，这个基本结构单元称为基元，基元是晶体结构中最小的重复单元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。10、晶格 晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的点子在空间有规则地做周期性无限分布，通过这些点做三组不共面的平行直线族，形成一些网格，称为晶格11、原胞在晶格中取一个格点为顶点，以三个不共面的方向上的周期为边长形成的平行六面体作为重复单元，这个平行六面体即为原胞，它是体积最小的重复单元。一个原胞只包含一个格点。12、晶胞能完整反映晶体内部原子或离子在三维空间分布之化学-结构特征的平行六面体单元。其中既能够保持晶体结构的对称性而体积又最小者特称“单位晶胞”，但亦常简称晶胞。13、磁效应物质的磁性与其力学、声学、热学、光学及电学等性能均取决于物质内原子和电子状态及它们之间的相互作用。因此这些性能相互联系、相互影响。磁状态的变化引起其他各种性能的变化;反之,电、热、力、光、声等作用也引起磁性的变化，这些变化统称为磁效应。14、磁光效应（材料结构与物性 P 128）(功能材料)15、声光效应声波作用域某些物体后，该物体光学性质发生改变，这种现象称为16、热效应指物质系统在物理的或化学的等温过程中只做膨胀功时所吸收或放出的热量。根据反应性质的不同，分为燃烧热、生成热、中和热、溶解热等。17、热电效应在用不同导体构成的闭合电路中，若使其结合部出现温度差，则在此闭合电路中将有热电流流过，或产生热电势，此现象称为.。有塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应三种。18、热释电效应有些晶体可以因温度变化二引起晶体表面电荷，称为.19、光电效应物质在收到光照射后，往往会引发其某些电性质的变化，称为有光电导和光生伏特效应20、光电导效应物质在受到光照射后，其电导率发生变化的现象21、杂化轨道1.在成键的过程中，由于原子间的相互影响，同一原子中几个能量相近的不同类型的原子轨道（即波函数），可以进行线性组合，重新分配能量和确定空间方向，组成数目相等的新原子轨道，这种轨道重新组合的方式称为杂化（hybridization),杂化后形成的新轨道称为杂化轨道（hybrid or