功能材料学考试重点.pdf

功能材料总复习功能材料总复习 2018 第一章第一章 无无 第二章第二章 磁性材料磁性材料 铁磁性 亚铁磁性 反铁磁性的磁矩排列铁磁性 亚铁磁性 反铁磁性的磁矩排列 居里居里 外斯定律 居里点与奈尔点外斯定律 居里点与奈尔点 磁滞回线 包括矫顽力与剩磁 硬磁材料和软磁材料的磁滞回线的不同之处 磁滞回线 包括矫顽力与剩磁 硬磁材料和软磁材料的磁滞回线的不同之处 常见的硬磁与软磁铁氧体常见的硬磁与软磁铁氧体 Fe3O4的磁性 正尖晶石与反尖晶石结构的磁性 正尖晶石与反尖晶石结构 第三章第三章 功能陶瓷功能陶瓷 极化 压电效应与铁电效应极化 压电效应与铁电效应 第四章第四章 功能金属材料功能金属材料 马氏体相变的特点 马氏体是否属于热力学稳定态马氏体相变的特点 马氏体是否属于热力学稳定态 第五章第五章 光学材料光学材料 双折射双折射 激光晶体中形成激光的原理 线性光学效应与非线性光学效应激光晶体中形成激光的原理 线性光学效应与非线性光学效应 光纤的传输原理 多模光纤与单模光纤光纤的传输原理 多模光纤与单模光纤 第六章第六章 超导材料超导材料 超导材料的临界参数 零电阻效应与迈斯纳效应超导材料的临界参数 零电阻效应与迈斯纳效应 第七章第七章 半导体材料半导体材料 本征半导体本征半导体Si Ge GaAs的能隙 施主能级与受主能级 的能隙 施主能级与受主能级 N型与型与P型半导体型半导体 霍尔效应 载流子浓度的计算 霍尔效应 载流子浓度的计算 PN结的特点及伏安特性与击穿特性结的特点及伏安特性与击穿特性 第八章第八章 纳米材料纳米材料 水热法 溶剂热法及溶胶凝胶法的原理水热法 溶剂热法及溶胶凝胶法的原理 第九章第九章 功能高分子材料功能高分子材料 导电聚合物 阶跃型光纤与梯度型光纤导电聚合物 阶跃型光纤与梯度型光纤 第十章第十章 生物医学材料生物医学材料 生物相容性生物相容性 第十一章第十一章 功能薄膜材料功能薄膜材料 真空度 外延的要求及条件 薄膜形核时的临界成核半径及临界吉布斯自真空度 外延的要求及条件 薄膜形核时的临界成核半径及临界吉布斯自 由能由能 第十二章第十二章 功能材料实例功能材料实例 钙钛矿结构钙钛矿结构 1 前言部分前言部分 材料科学与工程四要素材料科学与工程四要素 功能材料分类功能材料分类 倒易点阵倒易点阵 4 材料科学与工程四要素材料科学与工程四要素 5 主要功能材料体系主要功能材料体系 无机材料无机材料 陶瓷材料 结构相对均一陶瓷材料 结构相对均一 有序性 稳定性 有序性 稳定性 高分子材料高分子材料 高分子性能不仅与链结构有关而且与链间聚集方式有高分子性能不仅与链结构有关而且与链间聚集方式有 关 结构呈现特定分布关 结构呈现特定分布 相对无序 通常稳定性差 相对无序 通常稳定性差 金属材料金属材料 形状记忆合金形状记忆合金 储氢合金储氢合金 复合材料复合材料 各种复合效应各种复合效应 6 倒易点阵倒易点阵 老版思考题 在倒易点阵中 倒易点对应的指数为晶面指数 表明倒易点对应于老版思考题 在倒易点阵中 倒易点对应的指数为晶面指数 表明倒易点对应于 正点阵的某一晶面 试证明该结论 正点阵的某一晶面 试证明该结论 1 倒易点阵的阵点对应于正点阵的晶面倒易点阵的阵点对应于正点阵的晶面 7 倒易点阵倒易点阵 2 推倒布拉格方程 推倒布拉格方程 8 sin 1 2 1 d Dhkl sin2d 密勒指数与劳厄指数密勒指数与劳厄指数 2 磁性材料部分磁性材料部分 9 铁磁性 反铁磁性和亚铁磁性铁磁性 反铁磁性和亚铁磁性 磁矩排列磁矩排列 磁滞回线磁滞回线 居里转变居里转变 奈尔点奈尔点 硬磁材料和软磁材料硬磁材料和软磁材料 10 铁磁性 反铁磁性和亚铁磁性铁磁性 反铁磁性和亚铁磁性 磁化强度磁化强度M 单位体积的磁矩 单位体积的磁矩 磁化率 磁化强度与磁场强度的比值磁化率 磁化强度与磁场强度的比值 按照磁化率的大小 物质的磁性的分类 按照磁化率的大小 物质的磁性的分类 顺磁性 磁化率为正 约为顺磁性 磁化率为正 约为10 3至至10 5 在常温和一般磁场下不 在常温和一般磁场下不 随磁场而变化 而随温度上升而降低 磁性相互作用微弱时 随磁场而变化 而随温度上升而降低 磁性相互作用微弱时 服从居里定律 磁性相互作用强时 服从服从居里定律 磁性相互作用强时 服从居里居里 外斯定律外斯定律 T C p TT C 抗磁性 磁化率为负 约为抗磁性 磁化率为负 约为 10 6 基本上不随温度和磁场而变 基本上不随温度和磁场而变 化化 反铁磁性 磁化率为正 约为反铁磁性 磁化率为正 约为10 3 反铁磁材料具有磁有序相 反铁磁材料具有磁有序相 变点 即奈耳点变点 即奈耳点 TN 在该温度以上 显示顺磁性 在该温度 在该温度以上 显示顺磁性 在该温度 以下 磁矩自发有序排列 或反平行排列 或取特殊排列 无以下 磁矩自发有序排列 或反平行排列 或取特殊排列 无 磁场时磁化强度为零 有磁场时磁化率很小且随温度下降而减磁场时磁化强度为零 有磁场时磁化率很小且随温度下降而减 小 在奈耳处取最大值 小 在奈耳处取最大值 铁磁性和亚铁磁性 存在自发磁化铁磁性和亚铁磁性 存在自发磁化 11 反铁磁性反铁磁性 磁化率为正 约为 磁化率为正 约为10 3 反铁磁 反铁磁 材料具有磁有序相变点 即奈尔点材料具有磁有序相变点 即奈尔点 TN 在 在 该温度以上 显示顺磁性 在该温度以下该温度以上 显示顺磁性 在该温度以下 磁矩自发有序排列 或反平行排列 或 磁矩自发有序排列 或反平行排列 或 取特殊排列 无磁场时磁化强度为零 有取特殊排列 无磁场时磁化强度为零 有 磁场时磁化率很小且随温度下降而减小 磁场时磁化率很小且随温度下降而减小 在在奈尔点奈尔点处取最大值 处取最大值 12 铁磁性铁磁性与与亚铁磁性亚铁磁性 在温度低于 在温度低于居里温度居里温度时 原子磁时 原子磁 矩自发平行 铁磁性 或磁矩自发反平行或其它自矩自发平行 铁磁性 或磁矩自发反平行或其它自 旋排列但磁矩大小不等或排列方式特殊使得磁矩没有旋排列但磁矩大小不等或排列方式特殊使得磁矩没有 抵消为零 出现自发磁化强度 自发磁化出现在强磁抵消为零 出现自发磁化强度 自发磁化出现在强磁 体的微小区域 磁畴 未加磁场时 总磁化强度为体的微小区域 磁畴 未加磁场时 总磁化强度为 零 加外加磁场时 磁畴重新调整 出现强磁物质的零 加外加磁场时 磁畴重新调整 出现强磁物质的 磁化及磁化曲线 磁滞回线等特征 磁化及磁化曲线 磁滞回线等特征 13 300400500600 0 10 20 30 40 Temperature K M emu g 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 M 1 g emu 居里点居里点 居里居里 外斯定律外斯定律 14 p TT C 磁滞回线磁滞回线 饱和磁化强度 自发饱和磁化强度 自发 磁化达到饱和时的磁磁化达到饱和时的磁 化强度化强度 剩余磁化强度 退磁剩余磁化强度 退磁 时 磁场为零时的磁时 磁场为零时的磁 化强度化强度 矫顽力 磁化强速为矫顽力 磁化强速为 零时所对应的磁场零时所对应的磁场 软磁材料软磁材料 15 10000 50000500010000 80 40 0 40 80 M emu g H Oe 软磁铁氧体软磁铁氧体 尖晶石结构 尖晶石结构 MO Fe2O3 M为二价 尖晶石为二价 尖晶石 型结构 自发磁化为亚铁磁性 一般用于高频型结构 自发磁化为亚铁磁性 一般用于高频 常见体系常见体系 镍铁氧体 镍铁氧体 NiFe2O4 锰锌铁氧体锰锌铁氧体 Mn Zn Fe2O4 镍锌铁氧体镍锌铁氧体 Ni Zn Fe2O4 16 17 尖晶石型结构尖晶石型结构 AB2O4 晶胞可分为晶胞可分为8个小立方 小立方中氧离子按立方紧密堆积排列 个小立方 小立方中氧离子按立方紧密堆积排列 二价离子占据二价离子占据A位 四面体空隙 三价离子占据位 四面体空隙 三价离子占据B位 八面体位 八面体 空隙 每个晶胞容纳空隙 每个晶胞容纳8个个AB2O4分子 分子 反尖晶石结构反尖晶石结构 二价离子占据 二价离子占据B位 三价离子一半占位 三价离子一半占A位 一半位 一半 占占B位 相当于尖晶石结构中二价和三价离子调换 因此称为反位 相当于尖晶石结构中二价和三价离子调换 因此称为反 尖晶石结构 尖晶石结构 Fe3O4 MnFe2O4 CoFe2O4 NiFe2O4 CuFe2O4 均为反尖均为反尖 晶石结构 磁矩由晶石结构 磁矩由 二价离子决定 二价离子决定 ZnFe2O4具有正尖具有正尖 晶石结构 晶石结构 Zn2 的的 磁矩为零 此时磁矩为零 此时 Fe3 位于位于B处 处 B位位 的磁矩也是反平行的磁矩也是反平行 硬磁材料硬磁材料 硬磁材料又称永磁材料 是指材料被外磁场磁硬磁材料又称永磁材料 是指材料被外磁场磁 化后 去掉外磁场仍然能保持较高剩磁的材料化后 去掉外磁场仍然能保持较高剩磁的材料 要求 较大的剩余磁化强度和较大的矫顽力 要求 较大的剩余磁化强度和较大的矫顽力 以及较大的磁能积以及较大的磁能积 BH max 18 常见的硬磁材料体系 常见的硬磁材料体系 铝镍钴体系铝镍钴体系 稀土永磁体系稀土永磁体系 Sm Co体系 体系 Nd Fe B体系体系 硬磁铁氧体硬磁铁氧体 六角晶系铁氧体 如最简单的六角晶系铁氧体 如最简单的BaFe12O19 硬磁铁氧体硬磁铁氧体 主要是六角晶系铁氧体 如 主要是六角晶系铁氧体 如 BaFe12O19 Ba2Co2Fe12O22等 显示亚铁磁性 饱等 显示亚铁磁性 饱 和磁化强度不高和磁化强度不高 19 3 功能陶瓷材料部分功能陶瓷材料部分 20 电介质电介质 极化极化 极化强度极化强度 压电性与铁电性压电性与铁电性 电滞回线电滞回线 电介质电介质 21 电介质电介质 电介质 在电场作用下 能建立极化的一切物电介质 在电场作用下 能建立极化的一切物 质 极化是指物质内正负电荷重心的分离 质 极化是指物质内正负电荷重心的分离 形成偶极子形成偶极子 自身导电性差 但能够有效维持静电场 从自身导电性差 但能够有效维持静电场 从 而能够储存静电能 常用于制备电容器及视而能够储存静电能 常用于制备电容器及视 频传输线 频传输线 极化极化 陶瓷材料在电场中的陶瓷材料在电场中的极化极化方式 方式 电子极化 电子极化 由原子核周围的电子云分布由原子核周围的电子云分布 变化引起变化引起 离子极化 正负离子在电场作用下移动离子极化 正负离子在电场作用下移动 引起引起 偶极趋向极化 瞬间偶极沿电场方向取偶极趋向极化 瞬间偶极沿电场方向取 向引起向引起 空间电荷极化 空间电荷在晶粒内和电空间电荷极化 空间电荷在晶粒内和电 畴中移动聚集于边界与表面而产生极化畴中移动聚集于边界与表面而产生极化 22 压电性压电性 23 压电效应压电效应 介质在机械力作用下发生电极化介质在机械力作用下发生电极化 或电极化的改变 导致介质与极化方向垂直或电极化的改变 导致介质与极化方向垂直 的两端面出现等量反号的束缚电荷 看起来的两端面出现等量反号的束缚电荷 看起来 是由于压力造成电荷的变化 是由于压力造成电荷的变化 铁电性铁电性 24 晶体其自发极化可在外电场作用下改变方向 晶体其自发极化可在外电场作用下改变方向 且电极化与电场强度呈现类似于磁滞回线的且电极化与电场强度呈现类似于磁滞回线的 关系 称为铁电体 铁电体同时具有热释电关系 称为铁电体 铁电体同时具有热释电 性 压电性和介电性 性 压电性和介电性 特征 自发极化和居里转变特征 自发极化和居里转变 电滞回线电滞回线 铁铁电材料的最重要的特征是其电材料的最重要的特征是其 极化性能能够在电场作用下翻极化性能能够在电场作用下翻 转 转 Ps 剩余极化强度 剩余极化强度 Ec 矫顽力矫顽力 OK 自发极化自发极化 铁电电滞回线铁电电滞回线 4 功能金属材料部分功能金属材料部分 26 马氏体相变与马氏体马氏体相变与马氏体 马氏体相变的特征马氏体相变的特征 形状记忆效应形状记忆效应 27 马氏体 马氏体 马氏体马氏体 Martensite 是高温淬火是高温淬火 冷却速度足够快 过程中通过相变得 冷却速度足够快 过程中通过相变得 到的一种高硬度产物 亚稳相 其相到的一种高硬度产物 亚稳相 其相 变过程称为马氏体相变 变过程称为马氏体相变 热弹性马氏体 当马氏体相变的形状变热弹性马氏体 当马氏体相变的形状变 化是通过弹性形变来协调时 这种马氏体化是通过弹性形变来协调时 这种马氏体 称为热弹性马氏体 称为热弹性马氏体 马氏体为热弹性的重要条件 新相与母相必马氏体为热弹性的重要条件 新相与母相必 须始终维持共格 同时相变应完全可逆 须始终维持共格 同时相变应完全可逆 为满足后一条件 要求晶体为有序点阵结构为满足后一条件 要求晶体为有序点阵结构 为满足前一条件 要求相变时体积变化应 为满足前一条件 要求相变时体积变化应 小 小 28 29 马氏体相变的特征马氏体相变的特征 概括为沿母相习性平面 概括为沿母相习性平面 生长 形成与母相保持确定的切边共格结晶学关生长 形成与母相保持确定的切边共格结晶学关 系的新相的相变过程 系的新相的相变过程 属于以晶格畸变为主 无成分变化 无扩散属于以晶格畸变为主 无成分变化 无扩散 的位移型相变 特征为发生于晶体中某一部分的的位移型相变 特征为发生于晶体中某一部分的 极其迅速的剪切畸变 在热力学和动力学都有显极其迅速的剪切畸变 在热力学和动力学都有显 著的特点 如相变无特定的温度点 转变速率可著的特点 如相变无特定的温度点 转变速率可 达到声速 结晶学特点尤为鲜明 如基体点阵和达到声速 结晶学特点尤为鲜明 如基体点阵和 马氏体点阵之间存在明确的位相关系 马氏体点阵之间存在明确的位相关系 5 光学材料光学材料 李平云李平云 30 双折射 是当普通光线进入各向异性物质内 如方解石 棉纤维 人造纤维等 除在 表面有反射光之外 进入各向异性物质的光 线会变为两条光线 一条光线遵守折射定律 称为寻常光线 简称O光 另一条光线并不 按照折射定律的角度而折射 称为非寻常光 纤 简称E光 这种现象即称为双折射 这两 条光线的折射率之差 就称为双折射率 31 双折射 立方晶系 所有方向的折射率相同 单轴晶 六方 四方 三方晶系 2个主折 射率 双轴晶 正交 单斜 三斜晶系 3个主折射率 32 33 形成激光的原理 能级跃迁形成激光的原理 能级跃迁 紫光将基态的Cr3 激发到4F1能级 绿光将基态的Cr3 激发到4F1 和4F1能级 处于这两个能级上的Cr3 不稳定 以无辐射跃迁的 形式跃迁至2E能级 该能级为亚稳态 由子能级2A和E组成 两个子能级向基态跃迁 发出R1 694 3 nm 和R2 692 9 nm 的激光 Cr3 能级图 红宝石激光晶体 红宝石是世界上 第一台固体激光 器的工作物质 是三价铬离子取 代部分铝离子形 成的单晶 钕钇铝 YAG Nd3 石榴石激光晶体 34 激光工作物质是Y3Al5O12作为基质 Nd3 作为激光离子 钇铝石榴石属于立方晶系 一般以发出1 06微米的激 光为主 次之为1 35微米 波长的激光 军用激光测距仪和制导用 激光照明器都采用钕钇铝 石榴石激光器 该激光器 也是唯一能在常温下连续 工作 且有较大功率的固 体激光器 Nd3 能级图 激活离子 晶体激光工作物质要在基质 晶体中掺入适量的激活离子 激活离子 的作用在于在固体激光工作物质中提供 亚稳态能级 由光泵作用激发震荡出一 定波长的激光 激活离子来自三价和二价的铁系 镧系 和锕系元素 35 5 3 2 非线性晶体非线性晶体 线性光学效应 光波通过固体介质时 在介质 中感生出电偶极子 通常情况下 极化强度P 仅仅和辐射电场强度E的一次幂有关 由此产 生的各类现象称为线性光学效应 非线性光学效应 强光作用下由于介质的非线 性极化产生的效应 此时极化强度P与E的二次 甚至高次幂相关 不同于线性光学效应 36 主要应用 激光频率转换 重要的无机非线性光学晶体 三硼酸锂 LiB3O5 三硼酸锂铯 CsLiB6O10 磷酸二氢钾 KH2PO4 KDP 磷酸二氚钾 DKDP 磷酸 二氢胺 ADP 偏硼酸钡 BaB2O4 BBO 碘酸锂 LiIO3 磷酸钛氧钾 KTiOPO4 KTP 铌酸锂 LiNbO3 铌酸钾 KNbO3 37 KDP 人工生长已有半世纪 四方晶系 水溶性 易潮解 38 激 光 技 术 出 现 后 KDP晶体基本上是唯 一采用的倍频转换晶 体材料 有机非线性光学晶体 优点 非线性光学系数比无机晶体大1至2个 数量级 光学均匀性好 易于生长 缺点 熔点低 力学性能差 主要类型 酰胺类 苯基衍生物类 酮衍生物类 有 机盐类 有机金属配合物类 39 酰胺类 羧酸中的羧基被胺基取代 苯基衍生物类 在苯环上引入不同取代基 实 例如m 硝基苯胺 3 甲氧基 4 羟基甲醛 MHBA 2 甲基 4 硝基苯胺 MNA 酮衍生物类 4 4 二甲氧基查尔酮 4 氨基 二苯甲酮 ABP 有机盐类 L 磷酸精氨酸 LAP 苹果酸钾 磺酸水杨酸二钠 有机金属配合物类 二氯二硫脲合镉 一水二 氯氨基硫脲合镉 40 5 3 5 光纤材料光纤材料 41 光纤是用高透明电解质材料制成的细的低 损耗光纤维 不仅具有束缚和传输从红外 到可见光区域内的光的功能 也具有传感 功能 光纤传输的基本原理 光的全反射 sin 1 n 42 传输模式 具有一定频率 一定的偏振状态和 传播方向的光波称为光波的一种模式 单模光纤和多模光纤 多模光纤 直径几十至上百微米 不同模式的 光波都能满足全反射条件在光纤中传播 单模光纤 直径3 10微米 与光波波长接近 只有沿光纤轴线方向传播的波满足全反射条件 在光纤中传播 6 超导材料超导材料 李平云李平云 6 1 超导材料基本概念超导材料基本概念 超导材料 某种物质冷却到一定温度时 电阻突然变为零 同时 物质内部失去磁通成为完全抗磁性的材料 基本物理特性 零电阻效应 临界温度Tc 临界磁场Hc 临界电流Ic 完全抗磁性 迈斯纳效应 44 临界温度Tc 超导 体从常导态转变为 超导态的温度 是 在外部磁场 电流 应力和辐射等条 件维持足够低时 电阻突然变为零时 的温度 45 6 1 1 零电阻效应零电阻效应 46 1 2 2 0 C CC T T HTH 47 1 2 2 0 C CC T T ITI 超导材料基本物理特性 临界温度Tc 临 界磁场Hc和临界电流Ic三个临界值 超导材料只有处在这些临界值以下的状态 时才显示超导性 所以临界值越高 实用 性就强 利用价值就越高 48 6 1 2 完全抗磁性 迈斯纳效应 完全抗磁性 迈斯纳效应 指超导体处于外界磁场中 磁力线无法穿透 超导体内的 磁通量为零 1933年 迈斯纳 Meissner W 发现 只要温度低于超导临 界温度 则置于外磁场中的超导体就始终保持其内部磁场 为零 外部磁场的磁力线统统被排斥在超导体之外 即便 是原来处在磁场中的正常态样品 当温度下降使它变成超 导体时 也会把原来在体内的磁场完全排出去 即超导体 具有完全抗磁性 这一现象被称为迈斯纳效应 它是超导 体的另一个独立的基本特性 49 50 完全抗磁性示意图完全抗磁性示意图 51 52 7 半导体材料部分半导体材料部分 54 半导体理论基础半导体理论基础 施主能级与受主能级施主能级与受主能级 霍尔效应霍尔效应 常见半导体材料常见半导体材料 7 1 半导体理论基础半导体理论基础 55 半导体材料 电阻率在10 4至1010 cm范围内 并对外界因素 如电场 磁场 光 温度 压力及周围环境气氛非常敏感的材料 金属 半导体和绝缘体的室温电导率金属 半导体和绝缘体的室温电导率 本征半导体本征半导体Si Ge GaAs 的能隙的能隙 Si 95 以上的半导体器件是用Si材料制作 禁带宽度 1 12 eV Ge 自然界无游离状态的Si和Ge存在 锗的禁带宽度为0 66 eV GaAs 是 族化合物半导体中研究和应用最有成效的材料 属闪锌矿型晶格结构 禁带宽度1 43 eV 比硅和锗都大 且有较高的迁移率 半导体中的杂质 为提高半导体的室温电导率 需要进行掺杂 即形成掺杂半导体 doped semiconductor 57 施主能级 杂质在带隙中提供带有电子的能级 电 子在施主能级激发到导带远比由价带激发容易 因 此 主要含施主杂质的半导体 导电主要是依靠施 主热激发到导带的电子 称为N型半导体 受主能级 杂质在带隙中提供带隙中空的能级 电子由价带激发到受主能级远比由价带激发到导 带容易 因此 主要含受主杂质的半导体 价带 中电子激发至受主能级而产生空穴 导电主要是 依靠空穴 称为P型半导体 58 本征半导体是指纯净的半导体 或者说 导带中的 电子是来源于满价带中热激发的半导体 在本征半导体中 以扩散的方式掺入微量其它元素 的原子 这样的半导体称为杂质半导体 例如 在半 导体锗 Ge 中掺入百万分之一的砷 As 它的导 电率将提高数万倍 杂质半导体 由于所掺杂质的类型不同 又可分为P 型半导体和N型半导体 59 60 载流子浓度的计算 载流子浓度的计算 该方程的解为 该方程的解为 同理 空穴浓度为 同理 空穴浓度为 61 载流子浓度计算的特殊情况 载流子浓度计算的特殊情况 1 本征半导体 NA ND 0 n p ni 2 NA ND NA ni 或 ND NA ND ni 最为常见 一般控制杂质数 量使该条件满足 p NA n ni2 NA NA ND n ND P ni2 ND ND NA 3 ni NA ND n p ni 即温度升高 本征半导体载流子 浓度增加 大于净掺杂浓度时 本征激发占主要地位 4 补偿半导体 NA与ND是可比但不相等时 该材料称为补 偿半导体 如砷化镓 此时NA与ND必须保留 不能舍去 例 每立方厘米的Si样品中掺有1014个硼原子 受主杂质 略去ND掺杂 温度为300 K和470 K时 Si样品中的载 流子浓度分别为多少 已知Si样品在300 和470 K时的本征 载流子浓度分别约为1010和1014 cm3 62 假设每立方厘米的Si样品中掺有1014个P原子 施主杂质 略去NA掺杂 假设掺杂原子全部电离 已知Si样品在300 和470 K时的本征载流子浓度分别约为1010和1014 cm3 温度 为300 K和470 K时 Si样品中的载流子浓度分别为多少 64 例 每立方厘米的Si样品中掺有1014个硼原子 受主杂质 略去 ND掺杂 温度为300 K和470 K时 Si样品中的载流子浓度分别 为多少 已知Si样品在300 和470 K时的本征载流子浓度分别约为 1010和1014 cm3 解 NA 1014 cm3 300 K ni 1010 cm3 NA远大于ni 符合第二种情况 因此 p NA 1014 cm3 n ni2 p 106 cm3 470 K NA与ni大小相近 此时不能简化 p NA 2 NA 2 2 ni2 0 5 1 62 1014 cm3 n NA 2 NA 2 2 ni2 0 5 6 18 1013 cm3 霍尔效应 霍尔效应 65 半导体放于磁场中 磁场沿Z方向 磁感应强度为Bz 在X方向通电流 电流密度为Jx 则在y方向会产生电 场 称为霍尔效应 66 R为霍尔系数 与载流子数目成反比 由霍尔系数可 以直接测定载流子密度 且可由R的符号确定载流子 的种类是空穴 或电子 Ey RJxBz P型半导体 R 1 pq 正值 N型半导体 R 1 nq 负值 其中 q为电子电量 p n分别为空穴和电子的浓度 p n结 以半导体硅 Si 材料为例 当N型半导 体和P型半导体相互接触时 界面附近形成一 个结 即为p n结 67 特点 1 界面两侧形成空间电荷 层 产生自建电场 该静电 场使能带发生弯曲 2 空间电荷层内的电子和 空穴都电场扫向两边耗尽 因此也称为耗尽层 p n结特性 伏安特性 击穿特性与电容特性结特性 伏安特性 击穿特性与电容特性 68 伏安与击穿特性 通过p n结的电 流与电压 偏压 的关系 正向 偏压时 电流随偏压指数上升 而反向偏压时 电流很小 且迅 速达到饱和 反向偏压升到某电 压值时 反向电流急剧增加 称 为击穿 相应的电压为击穿电压 由于正反电流相差较大 因此可 出现整流效应 理想半导体 Si半导体 p n结电容特性 正向偏压下 随着外加电 压的增加 耗尽层的宽度变窄 空间电荷 数量减少 反向偏压下 随着外加电压的 增加 耗尽层的宽度变厚 空间电荷数量 增加 该现象类似于在耗尽层充放电 称 为电容效应 69 常见半导体材料常见半导体材料 Si Ge GaAs 制备单晶的方法 提拉法 70 8 纳米材料部分纳米材料部分 71 纳米材料的定义纳米材料的定义 纳米材料的常用制备方法纳米材料的常用制备方法 纳米材料的定义纳米材料的定义 d 1 m 微米 micrometer 微米材料 1 m d 0 1 m 亚微米材料 dECB EVB 基态有机光基态有机光 导电材料导电材料 光照激发光照激发 有机光导电材有机光导电材 料的激发态料的激发态 辐射耗散辐射耗散 非辐射耗散非辐射耗散 荧光 磷光荧光 磷光 热能形式热能形式 电子空穴对电子空穴对 电场梯度电场梯度 电荷分离电荷分离 产生电流产生电流 93 常见光电导高分子材料 常见光电导高分子材料 有机小分子有机小分子 酞氰类化合物酞氰类化合物 电荷转移复合物电荷转移复合物 CTC 高分子光导电材料高分子光导电材料 线性共轭高分子线性共轭高分子 侧链含功能基的高分子侧链含功能基的高分子 聚芳烃聚芳烃 芳胺 特别是咔唑类化合物芳胺 特别是咔唑类化合物 94 光电导高分子材料的应用 光电导高分子材料的应用 静电照相与静电复印静电照相与静电复印 全息记录材料全息记录材料 有机太阳能电池有机太阳能电池 具体实例 聚乙烯咔唑具体实例 聚乙烯咔唑 95 CHCH2CHCH2 N CHCH2 N O NH HOOC OCuPcO O NH COOH Cl CH2 Cl SN n n nn 这种高分子形成薄膜时 相邻的苯环互相靠近生成电荷转移配合这种高分子形成薄膜时 相邻的苯环互相靠近生成电荷转移配合 物 通过光激发 电子能够自由迁徙物 通过光激发 电子能够自由迁徙 李平云李平云 10 生物医用材料 生物相容性生物相容性 生物医学材料的特征与评价生物医学材料的特征与评价 生物相容性 生物相容性 任何材料如作为生物材料被使用 除了必任何材料如作为生物材料被使用 除了必 需的理化特性外 还需要满足在生理环境下工作的生物需的理化特性外 还需要满足在生理环境下工作的生物 学要求 即应具有良好的学要求 即应具有良好的生物相容性生物相容性 这是生物材料区这是生物材料区 别于其它材料的基本特征 表示材料在特殊的生理环境别于其它材料的基本特征 表示材料在特殊的生理环境 应用中引起适当的宿主反应和产生有效作用的能力应用中引起适当的宿主反应和产生有效作用的能力 既 既 要求所引起的宿主反应能够保持在可接受的水平 又要要求所引起的宿主反应能够保持在可接受的水平 又要 求材料求材料反应不至于造成反应不至于造成材料本身发生损坏材料本身发生损坏 97 宿主反应与材料反应 宿主反应与材料反应 宿主反应宿主反应 机体组织与生物活体系统对 机体组织与生物活体系统对 材料作用的反应 包括局部组织反应 材料作用的反应 包括局部组织反应 全身毒性反应 过敏反应 致癌 致畸全身毒性反应 过敏反应 致癌 致畸 致突变反应和适应性反应 致突变反应和适应性反应 材料反应材料反应 材料对机体生理环境作用的 材料对机体生理环境作用的 反应 包括生理腐蚀 吸收 降解与失反应 包括生理腐蚀 吸收 降解与失 效等反应效等反应 98 血液相容性 若材料主要用于心血管系统和血液直接接触 血液相容性 若材料主要用于心血管系统和血液直接接触 材料的生物相容性将主要集中于考察材料与血液相互作用材料的生物相容性将主要集中于考察材料与血液相互作用 的水平 的水平 组织相容性 若材料与心血管系统外的组织与器官相接触 组织相容性 若材料与心血管系统外的组织与器官相接触 此时主要考察材料与生物组织的相互作用 称为组织相容此时主要考察材料与生物组织的相互作用 称为组织相容 性或一般生物相容性 所有植入人体的材料都必须面临组性或一般生物相容性 所有植入人体的材料都必须面临组 织相容性问题 织相容性问题 生物相容性的分类 99 材料进入体内 局部组织对异物的进入产生防御性对答反材料进入体内 局部组织对异物的进入产生防御性对答反 应 植入体周围组织将出现白细胞 淋巴细胞和巨噬细胞应 植入体周围组织将出现白细胞 淋巴细胞和巨噬细胞 聚集 发生不同程度的炎症 聚集 发生不同程度的炎症 长期存在植入物时 材料被淋巴细胞 成纤维细胞和胶原长期存在植入物时 材料被淋巴细胞 成纤维细胞和胶原 纤维包围 形成纤维性包膜囊 将正常组织与材料隔开 纤维包围 形成纤维性包膜囊 将正常组织与材料隔开 若材料生物相容性良好 包膜囊变薄 囊壁中的淋巴细胞若材料生物相容性良好 包膜囊变薄 囊壁中的淋巴细胞 消失 反之 若有毒性物质放出 则囊壁变厚 淋巴细胞消失 反之 若有毒性物质放出 则囊壁变厚 淋巴细胞 浸润 逐步长出肉芽肿或发生癌变 浸润 逐步长出肉芽肿或发生癌变 组织相容性 100 生物材料的致癌性与下列因素有关生物材料的致癌性与下列因素有关 与植入材料的外形有关 粉状或纤维状材料几乎不会产与植入材料的外形有关 粉状或纤维状材料几乎不会产 生癌变 但片状材料容易致癌 生癌变 但片状材料容易致癌 与植入材料的光滑程度有关 若材料表面光滑 肿瘤发与植入材料的光滑程度有关 若材料表面光滑 肿瘤发 生的潜伏期短 生的潜伏期短 被致癌物污染的材料或生物老化时可释放致癌物质的材被致癌物污染的材料或生物老化时可释放致癌物质的材 料能诱发恶性肿瘤 料能诱发恶性肿瘤 与植入材料在体内形成的纤维包膜的厚度有关 植入一与植入材料在体内形成的纤维包膜的厚度有关 植入一 年后 包膜厚度超过年后 包膜厚度超过0 25 0 3 mm可能诱发癌变 可能诱发癌变 材料中残余的有毒害性 刺激性物质容易诱发癌变材料中残余的有毒害性 刺激性物质容易诱发癌变 组织相容性与癌症 101 材料与血液间的主要生物作用形式 材料与血液间的主要生物作用形式 材料表面出现血浆蛋白被吸附 材料表面出现血浆蛋白被吸附 血小板粘附 聚集 变形 血小板粘附 聚集 变形 凝血系统 纤溶系统被激活 凝血系统 纤溶系统被激活 形成血栓形成血栓 目前血液相容性的一个研究重点是建立完善的血目前血液相容性的一个研究重点是建立完善的血 液相容性材料的分子设计理论与相关的研究方法 液相容性材料的分子设计理论与相关的研究方法 血液相容性 102 生物医用材料的基本要求生物医用材料的基本要求 生物相容性的要求生物相容性的要求 无毒 无刺激 无致畸 致敏 致突变或致癌作用 无毒 无刺激 无致畸 致敏 致突变或致癌作用 对外来物无排异反应对外来物无排异反应 无炎症 无慢性感染 种植体不致引起周围组织无炎症 无慢性感染 种植体不致引起周围组织产生局部或全身性反应 产生局部或全身性反应 最好能与骨形成化学结最好能与骨形成化学结合 具有生物活性 合 具有生物活性 血液相容性血液相容性 无溶血 凝血反应等无溶血 凝血反应等 化学性能的要求化学性能的要求 耐体液侵蚀 不产生有害降解产物 耐体液侵蚀 不产生有害降解产物 不产生吸水膨润 软化变质不产生吸水膨润 软化变质 自身不变质 自身不变质 力学性能的要求力学性能的要求 足够的结构强度 一定的弹性模量和硬度足够的结构强度 一定的弹性模量和硬度 耐疲劳 易加工 耐疲劳 易加工 103 11 功能薄膜材料功能薄膜材料 李平云李平云 真空度 外延的要求及条件 真空度 外延的要求及条件 薄膜形核时的临界成核半径及临界吉布斯自由能薄膜形核时的临界成核半径及临界吉布斯自由能 真空度 真空度 几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体压几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气体压 力下制备的 都涉及到气相的产生 输运以及气相反应的力下制备的 都涉及到气相的产生 输运以及气相反应的 过程 过程 真空度即为大气压强真空度即为大气压强P0与实际压强的差值与实际压强的差值 在薄膜技术领域 人为地将真空环境粗略地划分为在薄膜技术领域 人为地将真空环境粗略地划分为 u低真空低真空 102 Pa u中真空中真空 102 10 1 Pa u高真空高真空 10 1 10 5 Pa u超高真空超高真空 10 5 Pa 105 11 4 2 薄膜的成核薄膜的成核 一般 在薄膜沉积初期 要经历非自发形核阶段一般 在薄膜沉积初期 要经历非自发形核阶段 非自发形核要有两个条件非自发形核要有两个条件 有合适的形核表面有合适的形核表面 有驱动力有驱动力 相变自由能相变自由能 GV 形成一个新相核心时 系统总的自由能变化为形成一个新相核心时 系统总的自由能变化为 106 考试计算 GrGr 4 3 4 32 V 薄膜的成核薄膜的成核 107 临界成核半径 临界成核半径 形成临界核心时 系统的自由能变化形成临界核心时 系统的自由能变化 形核率形核率 考试计算 r G V 2 G G V 16 3 3 2 kT G se nn 11 4 4 外延生长外延生长 l薄膜的外延生长要求薄膜的外延生长要求 薄膜与衬底材料之间保持薄膜与衬底材料之间保持 点阵排列特征的连续性点阵排列特征的连续性 l对异质外延来讲 薄膜与衬底属于不同的材料 对异质外延来讲 薄膜与衬底属于不同的材料 其点阵常数的相对差别被称为点阵常数的失配度其点阵常数的相对差别被称为点阵常数的失配度 f l失配度越小 则外延形成的界面的完整性越高失配度越小 则外延形成的界面的完整性越高 108 s sf a aa f 11 4 4 外延生长外延生长 薄膜外延需要的条件薄膜外延需要的条件 l高质量的衬底高质量的衬底 l较高的薄膜沉积温度较高的薄膜沉积温度 l低的沉积速率低的沉积速率 几乎所有的薄膜沉积技术 包括热蒸发方法 溅射方法 几乎所有的薄膜沉积技术 包括热蒸发方法 溅射方法 各种不同的各种不同的CVD方法等都可以被用来制备外延薄膜方法等都可以被用来制备外延薄膜 使用较多的薄膜外延方法可被分为 液相外延 气相外延使用较多的薄膜外延方法可被分为 液相外延 气相外延 分子束外延三种 其中