材料物理性能1

1、材料物理性能Physical Properties of Materials 主 讲：胡木林E-Mail: 2013年02月绪言 本课程的特点： 本课程的内容： 教学安排： 学习本课程的要求： 教材及参考文献：材料物理性能课程特点 背景材料是人类社会生存和发展的物质基础。材料、信息和能源当今世界的三大支柱。材料：概念广泛而抽象，在实际生活中则是具体而生动的，往往体现在每一应用典范上，以某一特定性能呈现在人们面前。性能的体现：力学性能（机械性能）、电学性能、光学性能、磁学性能、热学性能和声学性能等。分类：结构材料和功能材料材料物理性能课程特点 前景高技术发展对材料的性能要求不断提高；材料设计技术

2、正在兴起智能材料；材料研究的一种方法揭示材料物理性能的物理本质，物理性能与材料成分、结构工艺过程的关系及环境稳定性。材料物理性能课程内容 初步介绍材料的电学、磁学、光学、热学及弹性和内耗性能的物理本质； 描述这些性能与材料的成分、组织结构、工艺过程的关系及变化规律； 介绍与物理性能相关的特殊材料； 介绍与这些物理性能相关的测试技术与分析方法。2013 春季季春季季材料物理性能材料物理性能课程教学计划课程教学计划 2013 Date Outline02/23绪言绪言; 材料物理性能的固体物理学基础（简介）材料物理性能的固体物理学基础（简介）02/25材料的电性能：材料的电性能： 电子类载流子导电

3、；离子类载流子导电电子类载流子导电；离子类载流子导电03/02半导体及超导体；电性能测量及其应用举例半导体及超导体；电性能测量及其应用举例03/04材料的介电性能：电介质及其极化材料的介电性能：电介质及其极化03/09压电性；铁电性；介电测量压电性；铁电性；介电测量03/11材料光学性能：光和固体的相互作用材料光学性能：光和固体的相互作用 03/16材料光学性能：电材料光学性能：电-光效应、光折变效应光效应、光折变效应03/18材料光学性能：材料光学性能： 非线性光学效应非线性光学效应03/23材料的磁性能：磁学基本量及磁性分类；铁磁性材料的磁性能：磁学基本量及磁性分类；铁磁性03/25磁性材

4、料的磁化及其动态特征磁性材料的磁化及其动态特征03/30磁性材料；磁性测量及其在材料科学与工程中的应用磁性材料；磁性测量及其在材料科学与工程中的应用04/01材料的热性能：材料的热容、导热性；材料的热性能：材料的热容、导热性；04/06 材料的热性能：热电性材料的热性能：热电性04/0804/1304/15本课程学习要求： 建议先修课程：普通物理、物理化学、固体物理(或材料物理) 及相关数学知识（张量、矩阵） 本课程：掌握材料物理性能的基本参数的物理意义及其本质；熟练掌握材料物理参数与成分、结构的关系及影响因素，为设计新材料和材料改性打下一定基础；熟练掌握材料物理性能的测量方法及其分析方法。材

5、料物理性能教材及参考资料 教材及参考资料 ： 1 材料物理性能，田 莳 主编，北京：北京航空航天大学出版社，2004年 2 无机材料物理性能，关振铎，张中太，焦金生，清华大学出版社3 晶体的物理性质，J. F. Nye，孟中岩等译，西安交通大学出版社，1994年 3 Properties of Materials, Mary Anne White, Oxford University Press4 功能材料学，周馨娥，北京理工大学出版社5 半导体物理学，李名復等，科学出版社6 电介质物理学，殷之文，科学出版社7 铁电体物理学，钟维烈，科学出版社8 铁电与压电材料，许煜寰，科学出版社9 铁磁学，

6、戴道生，钱昆明，科学出版社第一章 固体中电子能量结构主讲：胡木林2013年02月材料物理性能1.1 概述 材料的电学、磁学、光学、热学、力学、化学等性能是由物质不同层次的结构所决定的。例如：电子能带结构的不同性质决定了材料的导电性差异良导体、半导体、电介质和超导体；材料的磁性决定于原子中次壳层电子是否填满以及它们之间的“交换作用”产生不同原子取向的结果抗磁体、顺磁体和铁磁体；微观结构的差异，材料的铁磁性中又分为永磁、软磁、矩磁和旋磁；材料物理性能固体中电子能量结构和状态 材料的物理性能强烈地依赖于材料原子间的键合、晶体结构和电子能量结构与状态。 而原子间的键合方式、晶体结构影响固体的电子能量结

7、构和状态。 对固体电子能量结构和状态的认识分为三个阶段：经典自由电子学说、量子自由电子学说和现代能带理论。材料物理性能固体中电子能量结构和状态1.2 经典自由电子学说 该学说认为：金属原子聚集成晶体时，其价电子脱离相应原子的束缚，在金属晶体中自由运动，如同气体分子一样服从Maxwell-Boltzmann分布：欧姆定律：在电场E作用下，自由电子受力为材料物理性能固体中电子能量结构和状态 TkmvvTkmNvNBB2exp24222/3maeEfEmea 电子不断地被加速到速度v，然后与离子发生碰撞，其中平均速度：两次碰撞中，平均自由程为因此，单位时间内流过的电量为：材料物理性能固体中电子能量结

8、构和状态meEvmeEv2VlEVml ev2EVmlne221.3 Fermi-Sommerfeld 电子理论 该学说认为：金属原子聚集成晶体时，其价电子脱离相应原子的束缚，在金属晶体中自由运动，但服从Fermi-Dirac的量子统计分布：自由电子的运动波函数，可用Schrodinger方程求解，定态Schrodinger方程的一般式：材料物理性能固体中电子能量结构和状态 1exp1TkEEEfBF0222UEhm一维势阱模型：晶体内势能（x）=0，边界条件（）=（L）=定态Schrodinger方程：其中，因此，通解为：材料物理性能固体中电子能量结构和状态082222hmEdxd222mh

9、E 02222dxdxBxA2sin2cos 结合边界条件，可得：n只能取正整数，自由电子的能量是不连续的，即量子化。材料物理性能固体中电子能量结构和状态 xLnBLxsin/22228nmLhEn 三维势阱模型：晶体内势能（x,y,z）=0，边界条件（,y,z）=（L,y,z）= （x,0,z）=（x,L,z）= （x,y,0）=（x,y,L）=定态Schrodinger方程：求解可得到，材料物理性能固体中电子能量结构和状态0822222222hmEzyx222228zyxnnnnmLhE 能级的简并态，可求得能级密度Z(E)为，根据Fermi-Dirac的量子统计分布，计算Fermi能为：T=0K时，材料物理性能固体中电子能量结构和状态222228zyxnnnnmLhE 2/12/32222EhmVdEdNEZ3/22208/32nmLhEFT0K时，金属在熔点以下，只有能量在附近kT范围内的电子，吸收能量从以下能级跳到以上能级。材料物理性能固体中电子能量结构和状态2020121FFFEkTEEFEFEFE1.4 晶体能带理论 该学说认为：电子是在晶体中所有格点上离子和其他所有电子共同产生的周期性势场中运动，势能是位置的函数，而非常数。材料物理性能固体中电子能量结构和状态Energy splittingof the 1 sand 2