南航电子材料复习思考题2

1、00 绪论什么是电子功能材料？有哪些电子功能材料？电子功能材料有些什么作用？01 张量基础什么是标量、矢量及二阶张量？它们的下标数、分量数各为多少?求和规则是什么？根据求和规则如何表示两个矢量之间的关系，如试证明矢量的变换定律与二阶张量的变换定律诺埃曼（Neumann）原则晶体对称性对晶体物理性质的影响：具有对称中心的晶体不存在由一阶张量所描述的物理性质；具有对称中心的晶体，由二阶张量所描述的物理性质也是中心对称的；凡具有对称中心的晶体，都不存在由奇阶张量所描述的物理性质，但对偶阶张量都不施加额外的影响。02 晶体的弹性为什么晶体具有弹性？根据固体物理知识，不论晶体属于哪种结合类型，其内部质点

2、的相互作用力都可以分为吸引力和排斥力两种。这两种力都随着原子间距离的增大而减小，然而它们的变化规律不同。质点相互作用力的一般表达式为式中A、B为常数；k随晶体类型的不同而取不同值，其值为311之间的整数；第一项代表排斥力；第二项代表吸引力。下图表示质点间相互作用力与质点间距离的关系。当晶体未受外力作用时，各质点间的距离保持一定，r = r0，此时吸引力与排斥力相等，f=f斥+f吸=0，晶体处于平衡状态。当晶体受到外力作用时，原来的力学平衡状态遭到破坏，需要建立新的平衡状态。例如在拉力作用下，由于形变使质点间的吸引力占优势。这个力是反对质点间的距离继续增大的，而且它的数值随着距离的增大而增大，当

3、其大到同拉力相等时，质点间的距离就不再增加，建立起新的力学平衡，晶体也就保持着一定的形变。这种由于形变而在晶体内部形成的相互作用力称为内力。在弹性范围内，当外力撤消后，这种内力就使晶体恢复原状。可见，晶体的内力与形变同时发生和发展的。正是由于存在这种与形变有关的内力，晶体才具有弹性。 应变张量是描述晶体形变的物理量晶体的弹性形变服从虎克定律：在弹性限度范围内，应力和应变成正比。03 磁性物理基础原子磁矩主要耒源于电子的轨道运动和电子的自旋什么是轨道角动量冻结：在晶场中的3d过渡金属的磁性离子的原子磁矩仅等于电子自旋磁矩，而电子的轨道磁矩没有贡献。此现象称为轨道角动量冻结。物质磁性的分类：根据是

4、否有固有原子磁矩、是否有相互作用以及相互作用的种类可以将物质的磁性分为七类：抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亜铁磁性、自旋玻璃和混磁性、超顺磁性。磁晶各向异性：在磁性物质中，自发磁化主要来源于自旋间的交换作用，这种交换作用本质上是各向同性的，如果没有附加的相互作用存在，在晶体中，自发磁化强度可以指向任意方向而不改变体系的内能。实际上在磁性材料中，自发磁化强度总是处于一个或几个特定方向，该方向称为易轴。当施加外场时，磁化强度才能从易轴方向转出，此现象称为磁晶各向异性。磁致伸缩：铁磁性物质的形状在磁化过程中发生形变的現象，叫磁致伸缩。试述磁性粒子矫顽力随粒子尺寸的变化规律及其原因。顺磁性，超顺磁

5、性，自旋玻璃态都表现为宏观上的磁无序，试述其差异点。自旋重取向：随温度变化磁晶各向异性的易轴发生变化。变磁性：由施加磁场或改变温度引起的从反铁磁性自旋排列向铁磁性自旋排列的转变称为变磁性。根据右图指出：磁滞回线、起始磁化曲线、矫顽力、剩余磁感应强度与饱和磁感应强度04 晶体的介电、压电、热释电与铁电性质极化的主要机理有三种：电子位移极化、离子位移极化和固有电矩的转向极化。电介质在电场作用下，都要经过一段时间，极化强度才能达到相应的值。这种现象称为极化弛豫，所经过的这段时间称为弛豫时间。对于极化的三种机理，其弛豫时间是不同的。电子位移极化的弛豫时间非常小（约为10-1410-15s），离子位移极

6、化的弛豫时间稍长一点（约为10-1210-13s），只有取向极化的弛豫时间较长。任何电介质，包括压电晶体在内，当它处在电场中，尤其是在交变电场中长期工作时，都有发热的现象。这种现象说明介质内部发生了某种能量的耗散，这就是介质损耗。介质损耗是表征介质品质的一个重要指标。当电场是静电场时，介质损耗来源于介质中的电导过程。当电场是交变电场时，介质损耗来源于电导过程和极化驰豫过程。当某些电介质晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相应的表面上要产生异号电荷。这种没有电场作用，只有由于形变而产生电极化的现象称为正压电效应。具有压电效应的晶体叫做压电晶体。当在压电晶体上施加一电场时，晶体不仅要产生电极化，

7、同时还要产生形变。这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应。逆压电效应的产生是由于压电晶体受到电场作用时，在晶体内部产生了应力（称为压电应力），并通过压电应力的作用而产生压电应变。实验表明，在压力不太大，且取一级近似的情况下，由压电效应产生的电极化强度P的大小与所加的应力成正比，即P=d，其中d为与应力无关的常数，称为压电常数，单位是CN-1（库仑/牛顿），试证明压电常数是三阶张量。常见的压电材料有: KDP、ADP、PZT、PVF2。某些晶体不仅可以因机械应力的作用而产生极化（压电现象），而且还可以因温度变化而产生极化。例如，加热电气石晶体时，在晶体唯一的3次轴两端即产生数量相等而符号相反的电

8、荷。若将晶体冷却，则电荷改变符号。晶体的这种性质称为热释电性。具有热释电性质的晶体，称为热释电晶体。到现在为止，人们已知具有热释电效应的材料在一千种以上，但真正符合实际需要的材料为数很少。其中，硫酸三甘肽（TGS）、钽酸锂(LiTaO3)、铌酸锶钡(SBN)、钛酸铅(PbTiO3)和聚偏氟乙烯(PVF2)是最重要的五种。可把热释电晶体用以制成热释电红外探测器，其信号输出与温度的变化率、而不是温度的实际改变成正比，因此，该信号不取决于晶体与辐射是否达到热平衡。热释电晶体是具有自发极化的晶体。自发极化不是由外电场作用产生的，而是由物质本身特殊的内部结构决定的。在热释电晶体中，有一类晶体不但有自发极

9、化，而且自发极化强度可以用外加电场的作用而反向，其电极化强度P与外加电场E之间，具有与铁磁体中的磁滞回线类似的电滞回线关系。由于这类物质的介电性质在许多方面与铁磁物质的磁性行为相类似，所以人们称这一类晶体为铁电晶体。（其实晶体中并不含有铁）。概括起来说，铁电晶体是自发极化可以随外加电场的反向而反向的热释电晶体。凡是铁电晶体必定具有热释电效应，但热释电晶体不一定是铁电晶体。电畴是铁电晶体中自发极化的分子电矩方向排列一致的小区域。铁电体的基本宏观特征：1、第一个重要特征是，铁电晶体的极化强度P与外加电场E间呈非线性的电滞回线关系。如图所示，电滞回线表明，铁电晶体的极化强度随外电场的方向而反向，极化

10、强度反向是电畴反转的结果，而电畴反转具有滞后的特征。2、铁电晶体的另一重要特性是存在一个被称作居里点的结构相变温度TC。当晶体从高温下降经过TC时，要经历一个非铁电相（有时称顺电相）到铁电相的结构相变。温度高于TC时，晶体不具有铁电性；温度低于TC时，晶体呈现铁电性。3、铁电晶体的第三个重要特性是临界特性。这里所谓的临界特性是指铁电体的介电性质、弹性性质、光学性质和热学性质，在居里点附近都要出现反常现象，其中研究得最为充分的是“介电反常”。由于铁电晶体的介电性质是非线性的，介电常数随外加电场的大小而变，通常测的介电常数是外电场较小时的值。在居里点附近，介电常数很大，其数量级可达104105，这

11、一现象称为介电反常，在实验中常利用这种现象来测定晶体的居里点。05 材料的电性质什么是霍尔效应？其产生的原因是什么？有何应用？电解效应离子电导的特征由于离子导电发生迁移时，在电极附近发生电子得失，伴随有新物质的产生，即发生电解现象。法拉第电解定律指出；电解物质与通过的电量成正比，即gCQQ/F。式中，g为电解物质的量，Q为通过的电量，C为电化当量，F为法拉第常数。可见，电解物质与通过的电荷量成正比。可用Tubandt法检验MX型化合物是否存在离子型电导，并且可以判定载流子是正离子还是负离子。影响离子电导率的主要因素：温度、晶体结构、晶格缺陷。影响电子电导的因素：温度、杂质缺陷、组分缺陷及晶格缺

12、陷。什么是超导现象？超导体的宏观性质有哪些？超导现象：物质在一定的温度Tc以下时,电阻为零, 并完全排斥磁场(即磁力线不能进入其内部)的现象。超导体的宏观性质：1、零电阻及其临界转变温度；2、完全抗磁性及临界磁场强度和临界电流密度06 材料的光学性质什么是双折射现象？一束自然光射入晶体之后分为两束光的现象，称为双折射现象。 例如，垂直于方解石晶体的自然面入射一束自然光就可看到在晶体中有两束光同时存在，其中一束遵守一般的折射定律，称为常光（o光），另一束不遵守一般的折射定律，称为非常光（e光）。外电场使晶体折射率改变的现象称为电光效应。折射率与电场一次方成比例变化的现象称为线性电光效应或泡克耳效

13、应，与二次方成比例变化的现象称为二次电光效应或克耳效应，具有电光效应的晶体称为电光晶体。电光晶体在激光技术中有着广泛的应用。因机械应力或应变引起晶体折射率发生改变，从而产生人工双折射的现象称为弹光效应。当对介质注入超声波时，介质中便有声弹性波传播。在声传播过程中，组成介质的粒子将随超声波的起伏而产生周期性压缩或伸长，这相当于介质中存在着时空作周期性变化的弹性应变。这种应变通过弹光效应使介质各点的折射率随该点的弹性应变而发生相应的周期性变化，从而对光在该介质中传播的特性产生影响，光束在通过这样的介质时将发生衍射或散射现象，这就是声光效应。因此声光效应是弹光效应的一种表现形式。目前，声光效应已广泛

14、地应用于光电子技术、激光技术、光信息处理技术等领域，以及用于研究物质的弹性性质、弹光性质、磁弹性质和磁光性质等方面。至今磁光效应中应用最多的是法拉第效应和克尔效应。法拉第效应是指偏振光透过磁性晶体后偏振面发生旋转，旋转方向与磁化强度 有固定的关系，如果光按原来的路程反射回来，旋转增加一倍，若磁化强度方向反向，旋转将改变符号，因此磁光旋转是非互易的。克尔效应是指偏振光被磁性晶体反射而引起的偏振面旋转。磁光材料是在可见光和红外波段具有磁光效应的光信息功能材料。稀土铁石榴石是重要的磁光材料。它的一般表示为R3Fe3O12，其中R为钇（Y）和稀土金属离子，如钇铁石榴石Y3Fe3O12简称（YIG）在近

15、红外波段透明，法拉第旋转角大，石榴石单晶有块体单晶和薄膜单晶。晶体倍频效应的相位匹配条件就是倍频光的折射率与基频光的折射率相等。实现相位匹配的途径：角度相位匹配温度相位匹配。常见的非线性光学效应：光混频、光参量振荡、晶体的光折变效应等光折变效应光致折射率变化效应，指电光材料的折射率在空间调制光强或非均匀光强的辐照下发生相应的变化。在一定强度激光的照射下，折射率会发生变化的晶体，叫光致折射率变化晶体，简称光折变晶体。 光折变效应的特点：1）光折变效应的大小只与入射光的能量有关，而与光强无关；2）光折变效应在时间和空间上是非局域响应的，折射率光栅与入射的光强分布之间存在位相差，此位相差的存在是光束

16、在晶体内发生耦合作用的原因，也是许多非线性光学效应产生的根源。07 膨胀合金具有特殊膨胀系数的合金，称为膨胀合金。分为：低、定、高膨胀合金从正常热膨胀的双原子模型说明热膨胀的物理本质：温度变化时材料原子间结合力发生变化。因瓦反常（负反常）的合金在居里温度以上具有与一般合金类似的正常热膨胀，而在居里温度以下则出现反常热膨胀。因瓦合金的反常热膨胀与其铁磁性密切相关，居里点以下合金为铁磁性，随饱和磁化强度的改变相应发生体积变化，即自发体积磁致伸缩。 热双金属（片）是由两层或两层以上具有不同热膨胀系数的金属材料沿层间接触面牢固地接合在一起的片状复合材料。其中具有高膨胀系数的合金做主动层，具有低膨胀系数

17、的合金做被动层。有时为了获得特殊性能，在两层之间可夹层，也可在表面复层。热双金属片可将热能转换成机械能08 弹性合金一般金属与合金的弹性模量随温度升高而减小，b <0，这是正常变化。而一些金属和合金的弹性模量，在室温附近的一定温度范围内变化很小（b » 0），甚至增加（b >0），这属于弹性模量的反常变化，称弹性反常。原因：相变、有序-无序转变、铁磁性-反铁磁性转变等。对于实际弹性体，即使在弹性变形范围内，应力与应变之间也是一种非线性关系，变形不是完整弹性的，这种现象称为滞弹性或称为弹性的不完整性。弹性的不完整性有5种表现形式：正/反弹性后效、弹性滞后、应力松弛、模量亏损

18、和内耗。弹性不完整性的起因：微观塑性变形的不均匀性、间隙原子的扩散、晶界的粘滞性流动。弹性不完整性的控制方法：提高弹性极限、降低合金微观区域的不均匀性。恒弹性合金特点是在一定的温度范围(一般为-60+100)内其弹性模量或共振频率不随温度而变化(或变化很小)。由于此独特性能,使它在精密仪器仪表、测量技术、通讯技术及计算技术中获得广泛应用。高弹性合金的特点主要是弹性大、强度高,故广泛用于航空、无线电、精密机械和精密仪表中,如航空仪表中的波纹膜盒、继电器装置中的接触点弹簧片、钟表和仪表中的发条等。09 导电材料敏感电阻材料：应变电阻合金、热敏电阻金属与合金（用于限流与感温）、湿敏金属电阻材料、磁敏

19、电阻材料高温超导材料10 电子功能陶瓷材料陶瓷材料的结合键：金属键+离子键；A、B两种元素组成的陶瓷材料中离子键成分比例取决于A、B元素的电负性。功能陶瓷的结构特点：既复杂（多晶多相）又简单（通常都离不开几种典型的结构，并遵循负离子密堆、正离子填充密堆间隙的规律），典型的结构有：金红石型结构、钙钛矿型结构、尖晶石型结构。电介质，表现：电导为零(绝缘体)或禁带很宽。定义：在电场作用下能发生极化的物质。实质：以感应而不是以传导方式来传递电的作用和影响。将电介质放在电场中，其表面就感应出电荷的现象，称为电极化。电极化产生的原因（电介质极化的机制）：位移极化、松弛极化、界面极化、谐振式极化、自发极化等

20、。11 光电子材料光电子材料是随着光电子技术的形成和发展而发展起来的、应用于光电子技术领域、具有光学和光电功能特性的材料的总称。它是指具有光子和电子的产生、转换和传输功能的材料。如：激光材料、光学功能材料、光电探测器材料、光导纤维材料、光存储材料、发光材料、光电显示材料、光电集成材料、光电转换材料等等。固体激光工作物质=基质+激活离子。激活离子为发光中心，其能级结构决定激光光谱特性；基质材料决定工作物质的物理、化学及机械性能，同时两者相互影响。激光晶体分为：掺杂型激光晶体、自激活型、色心晶体磁存储系统的基本组成：磁存储介质 + 换能器 + 传送介质装置 + 匹配的电子线路信号存取的过程：存储信

21、号：磁化了的含有高矫顽力磁性材料的薄膜磁存储介质（如磁带、磁盘等）以恒定的速度沿着与一个环形磁铁相切的方向运动。工作缝隙对着介质，存储信号时，在磁头线圈中通入信号电流，就会在缝隙产生磁场溢出。如果磁带与磁头的相对速度保持不变，剩磁沿着介质长度方向上的变化规律完全反映信号的变化规律，这就是存储信号的基本过程。记录磁头能在介质中感生出与馈入电流成比例的磁化强度。这样，电流随时间的变化就转化为磁化强度随距离的变化而被存储到介质磁带上。信号读出：信息在介质磁带上以磁化变化的形式存在，磁化的这种变化在磁带附近产生磁场。如磁带（已存储信息的介质）重新接近一重放磁头，通过拾波线圈感生出磁通，磁通大小与磁带中

22、的磁化强度成比例。信息以磁通的形式输出。可见，磁头实际上是一种换能器。磁存储方法记录的信号类型：音频信号、数字信号、视频信号从能量的角度说明矫顽力和颗粒直径间的关系。光盘存储原理：利用激光的单色性和相干性，将要存储的信息、模拟量和数字量等通过调制激光在记录介质上聚焦，以形成极微小的光照微区（直径为光波长的线度，即1mm以下），使光照部分发生物理和化学变化，使光照微区的反射率、折射率、偏振特性等光学性质与周围介质有很大的反衬度，从而实现信息存储。读取信息时，用低功率的激光扫描信息轨道，其反射光通过光电探测器检测和解调来读取所记录的信息。光盘 = 基片 + 存储介质 + 保护层从存储功能进展的角度

23、，可以将光盘分为ROM光盘、WORM光盘、E-DRAW光盘与Overwrite光盘四类。高密度光盘存储材料：磁光存储介质Pt/Co, MnBiAl, YIG (yttrium aluminum garnet);相变型存储介质Ge-Te-Sb, In-Sb-Ag-Te等；有机存储介质光在光导纤维中传播的基本原理是全反射。光导纤维大多呈圆柱状，由折射率较高的纤芯和折射率较低的包层组成，前图给出光纤轴向剖面。在光纤端面，光线以¢q角入射时，纤芯内光的折射角为q1，折射线遇到纤芯与包层界面时入射角为f=90º-1，入射角¢q越小时则f越大。当¢q小到qc'并使f增大到全反射临界角f0=90º-c时，进入纤芯的光线被全部反射回纤芯中。光线在界面上发生全反射，在芯中以锯齿状路径曲折前进，不会穿出包层，避免了光在传播时的折射损耗。光束就是借助纤芯和包层之间的多次全反射沿光纤传输的。光纤的组成