绪论材料电子结构与物理性能

重要提示一、关于课程

1、本课程是材料科学与工程专业的专业主干课；

2、本课程的先修课程是材料科学基础、材料物理；

3、本课程理论教学52学时，实验（4次）8学时。二、关于纪律

1、旷课3次及以上，取消考试资格；

2、缺实验1次及以上，课程成绩以0分计。三、关于成绩评定

1、课程成绩由平时成绩和考试成绩组成；

2、平时成绩（含出勤、实验报告），占20%，考试成绩占80%。第1页/共100页第一页，共101页。绪论

Introduction主要内容：功能材料的发展概况功能材料的定义功能材料的特点功能材料的分类第2页/共100页第二页，共101页。一、功能材料的发展概况材料

材料按照性能特征和用途的分类：具有较高力学性能并主要用来制造机械产品结构件的材料具有特殊物理、化学等性能并主要用来制造具有特定功能的元、器件和产品的材料结构材料Structuralmaterials功能材料Functionalmaterials“力能”“功能”绪论第3页/共100页第三页，共101页。20世纪50年代，随着微电子学技术的发展半导体功能材料60年代，出现激光技术光学材料70年代，伴随着光电子技术的诞生光电子材料80年代，人工智能、能源科学受到普遍重视智能材料、储能材料新型能源材料（包括原子反应堆材料、太阳能材料、高效电池等）快速发展，生物医学材料迅速掘起形成了较为完善的功能材料体系

功能材料的发展历史：……绪论第4页/共100页第四页，共101页。二、功能材料的定义

具有优良的电、磁、声、光、热、力学、化学和生物功能及其相互转换的功能，被用于非结构目的的一类材料。三、功能材料的特点结构材料常以材料形式为最终产品，评价的是材料本身的性能。功能材料评价的元件形式的物理性能。材料元、器件一体化绪论第5页/共100页第五页，共101页。四、功能材料的分类功能材料按功能体系的分类：功能材料磁学功能材料电学功能材料光学功能材料热学功能材料声学和振动相关功能材料化学及能量功能材料放射性相关功能材料力学功能材料生物技术和生物医学工程材料绪论第6页/共100页第六页，共101页。第一章材料的电子结构与物理性能

Chapter1ElectronicStructureandPhysicalPropertiesofMaterials主要内容：原子的电子排列

固体的能带理论与导电性

半导体材料的超导电性材料的介电性材料的磁性材料的光学性质第7页/共100页第七页，共101页。重要的关系：电子结构——物理性能举例：电子结构和电子运动状态与固体材料导电性的关系。第一章材料的电子结构与物理性能金属材料：导带未被电子填满，原子核对导带电子的束缚弱，导带电子容易成为自由电子，因此具有良好的导电性；绝缘体材料：导带没有填充电子，价带与导带之间存在很宽的禁带，价带电子很难被激发至导带而成为自由电子，因此不具有导电性；半导体材料：导带没有填充电子，但价带与导带之间的禁带较窄，价带电子一旦被激发至导带则成为自由电子，因此具有一定的导电性。本章任务：研究电子结构，加深对物理性能的理解，建立“电子结构——物理性能”的关系。第8页/共100页第八页，共101页。一、原子的微观结构

1.主量子数

n(n=1、2、3、4……)

主量子数确定核外电子离原子核的远近和能级的高低。

2.次量子数

l(l=0、1、2、3……)次量子数反映的是电子轨道的形状。在由主量子数n确定的同一主壳层上的电子的能量有差异，可分成若干个能量水平不同的亚壳层，其数目随主量子数而定，习惯上以s、p、d、f

表示。

3.磁量子数m(m=0、±1、±2、±3……)

磁量子数表示电子云在空间的伸展方向，它确定轨道的空间取向。

4.自旋量子数ms

(ms

=+1/2、-1/2)

自旋量子数表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。第一节原子的电子排列第一章材料的电子结构与物理性能－§1.1原子的电子排列

第9页/共100页第九页，共101页。各电子壳层及亚壳层的电子状态主量子数壳层序号次量子数亚壳层状态量子数规定的状态数目考虑自旋量子数后的状态数目壳层总电子数(2n2)11s122（＝2×12）22s2p13268（＝2×22）33s3p3d135261018（＝2×32）44s4p4d4f135726101432（＝2×42）第一章材料的电子结构与物理性能－§1.1原子的电子排列

第10页/共100页第十页，共101页。二、原子核外电子的分布三个基本原理：

泡利不相容原理

在一个原子中不可能存在四个量子数完全相同（即运动状态完全相同）的两个电子。或者，在同一个原子中，最多只能有两个电子处在同样能量状态的轨道中，而且这两个电子的自旋方向必定相反。最低能量原理电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。最多轨道规则（洪特规则）

相同能量的轨道（也称等价轨道）上分布的电子将尽可能分占不同的轨道，而且自旋方向相同。作为洪特规则的特例，对于角量子数相同的轨道，当电子层结构为全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的。即：全充满:p6或d10或f14；半充满:p3或d5或f7；

全空:p0或d0或f0。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.1原子的电子排列

第11页/共100页第十一页，共101页。sspspdspdfspdfspdfspd能量主量子数n1234567电子能量水平随主量子数和次量子数的变化情况第一章材料的电子结构与物理性能－§1.1原子的电子排列

第12页/共100页第十二页，共101页。第二节固体的能带理论与导电性

一、能带的形成基本原理：对于单个原子：单个原子的电子处在不同的分立能级或轨道上。

例如，一个原子有一个2s能级，3个2p能级，5个3d能级。不同能级之间的电子能量各不相同。电子的能量就是其所在能级的能量。单个原子的电子只能占据特定的轨道或能级，在每个能级上可容许有两个自旋方向相反的电子。

各能级之间存在着能隙。能隙是电子能量的“真空”地带。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第13页/共100页第十三页，共101页。3s2p2s1s2N电子6N电子2N电子2N电子能带的形成1原子2原子N原子第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第14页/共100页第十四页，共101页。对于晶体（由大量原子组成）：各个原子的能级因电子云的重叠产生分裂现象。

在由N个原子组成的晶体中，每个原子的一个能级将分裂成N个，每个能级上的电子数不变。

能级分裂后，其最高和最低能级之间的能量差只有几十个eV。例如，当实际晶体即使小到体积只有1mm3，所包含的原子数也有N=1019左右，当分裂成的1019个能级只分布在几十个eV的范围内时，每一能级的间隔就非常的小。电子的能量或能级几乎就是连续变化的，于是形成了能带。

能带之间也存在着一些无电子能级的能量区域，称为禁带或能隙。

禁带也是电子能量的“真空”地带。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第15页/共100页第十五页，共101页。重要概念：满带：被电子填满的能带。空带：没有被电子填充的能带。价带：被价电子占据的能量最高的能带。导带：价带以上的空带。金属导电机理：价带上的电子跃迁到导带上成为自由电子，自由电子在电场作用下作定向运动形成电流。二、金属的能带结构与导电性金属的能带结构第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第16页/共100页第十六页，共101页。各种金属的能带结构3p02p63s22s21s2(b)碱土金属Mg3s和3p能带重叠，形成扩展能带4s23d63p63s22p62s21s2(c)过渡金属Fe4s和3d能带重叠，形成扩展能带3s12p62s21s2(a)碱金属Na导带价带第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第17页/共100页第十七页，共101页。

电荷载流子

定义：载带电荷运动的粒子称为电荷载流子。

基本类型：①电子和阴离子

负电荷载流子，也称为负型载流子。②阳离子

正电荷载流子，也称为正型载流子。如Pb2+。③空穴正电荷载流子。在半导体中尤为重要。电导率和载流子：载流子迁移率：在外加电场作用下，载流子在原子尺度的结构中移动的难易程度，即：电导率：由载流子浓度n、每个载流子所带电荷q、载流子迁移率

决定，即：

第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第18页/共100页第十八页，共101页。

金属的电阻率与温度的关系一般而言，金属的电阻率与温度的关系是线性的，且具有正的温度系数，即随着温度上升，电阻率增加。原理：由于晶体热扰动的强度随温度的上升而成比例地增加，减少了晶体的规则性而使电子的平均自由程减小，从而减小了金属中电子的迁移率，使电阻率增大。电阻温度系数yT与温度T和电阻率的关系：第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第19页/共100页第十九页，共101页。三、费米能级

费米分布函数f（E）f（E）的物理意义：代表在一定温度下电子占有能量为E的状态的几率。Ef

：费米能

费米能的意义（1）Ef

以下基本上是被电子填满的，Ef以上的能级基本上是空的。（2）由于热运动，电子可具有大于Ef的能量而跃迁到导带中，但只集中在导带的底部。同样理由，价带中的空穴也多集中在价带的顶部。（3）对于一般金属，Ef处于价带和导带的分界处。对于半导体，Ef位于禁带中央。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第20页/共100页第二十页，共101页。金刚石（C）、硅（Si）和锗（Ge）的能带结构CSiGeEspr空的导带满的价带四、半导体和绝缘体的能带结构与导电性

第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第21页/共100页第二十一页，共101页。导体、半导体和绝缘体的能带结构（Ev代表价带的最高能量，Ec代表导带的最低能量，Ef是费米能）价带导带EgEfEcEv价带导带EcEv价带导带Ev半导体导体绝缘体Eg第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第22页/共100页第二十二页，共101页。例：估计金刚石、硅、锗、灰锡四种元素的电子在室温（27C）下进入导带的几率。已知：

C、Si、Ge、Sn的禁带宽度分别为：

5.4eV、1.1eV、0.67eV、0.08eV，玻耳兹曼常数：k=1.3805×10-23J/K。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第23页/共100页第二十三页，共101页。第三节半导体半导体导电特性的两个显著的特点：

半导体的电导率对材料的纯度的依赖性极为敏感。例如，百万分之一的硼含量就能使纯硅的电导率成万倍增加。如果所含杂质的类型不同，导电类型也不同（如电子电导或空穴电导）。

电阻率受外界条件（如热、光等）的影响很大。温度升高或受光照射时均可使电阻率迅速下降。一些特殊的半导体在电场或磁场的作用下，电阻率也会发生变化。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第24页/共100页第二十四页，共101页。价带导带Egh价带电子受光辐射跃迁到导带，在价带上留下空穴一、本征半导体本征半导体是不含有任何杂质的半导体，它表示半导体本身固有的特性。

本征半导体的特点：电导是导带中的电子导电和价带中的空穴导电共同作用的结果。导带电子和价带空穴的浓度相等。

第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第25页/共100页第二十五页，共101页。半导体材料的能隙与电子运动性材料能隙/eV电子运动速率孔运动速率/cm2·(V·s)-1/cm2·(V·s)-1C(金刚石)SiGeSn5.41.1070.670.081800190038002500140050018502400两个规律：①沿周期表下移，即依C(金刚石)、Si、Ge、Sn的顺序，能隙依次减小；②在给定的半导体中，电子迁移率大于同一半导体中空穴的迁移率。第②点在讨论与p型半导体相对照的n型半导体时尤其重要。

本征半导体的电荷迁移率第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第26页/共100页第二十六页，共101页。

本征半导体的电导率与温度的关系当温度升高，价带中电子热运动加剧，使电子能够获得更高的能量，从而使跃迁到导带的电子数增加，电荷载流子数随之增加，最终使电导率增大。本征半导体的电导率：结论：本征半导体的电导率受温度影响很大，随温度的升高呈指数增长。通过测定半导体材料的电导率和温度的关系可以求出其禁带宽度Eg。

第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第27页/共100页第二十七页，共101页。例：有某种半导体，实验测出其在20C下的电导率为250-1·m-1，100C时为1100-1·m-1，问能隙Eg有多大？已知：玻耳兹曼常数：k＝1.3805×10-23J/K，电子电荷：q＝1.6021×10-19C。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第28页/共100页第二十八页，共101页。二、掺杂半导体

本征半导体的电导率随温度而变，不易控制，难以做成器件使用。在本征半导体中掺入一定的杂质元素（如周期表中的VA、IIIA的元素），使其变成掺杂半导体，可以改变能带中的电子浓度或空穴浓度。

掺杂半导体的特点：导带电子或价带空穴可以独立改变，即电子浓度和空穴浓度可以不相等。掺杂后将导致导带电子浓度增加或价带空穴浓度增加，前者掺杂形成的半导体称为n型半导体，后者掺杂形成的半导体称为p型半导体。随着掺杂半导体中掺杂杂质元素和数量的不同，费米能级不再位于禁带中央，或者向上方移动（如n型），或者向下方移动（如p型）。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第29页/共100页第二十九页，共101页。n型半导体

基本定义：当在纯净的硅(或锗)中掺杂施主杂质时，半导体则主要依靠施主提供的电子导电，此即n型半导体。特点：施主杂质提供的额外电子不能位于价带中，而只能位于靠近禁带的顶部（或靠近导带的底部）。额外电子与原子结合不够紧密，能量较高，只需外界施以较小的能量就可以进入导带。额外电子进入导带需要克服的能垒为Ed

，通常称为施主能级。它比较接近导带底的能量。控制n型半导体电导率的是Ed

而非是Eg

。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第30页/共100页第三十页，共101页。价带导带n型半导体中施主能级Ed的位置施主能级Ed禁带第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第31页/共100页第三十一页，共101页。

载流子的浓度：式中：第一项为施主杂质的电子浓度，第二项为无杂质纯半导体的电子和空穴浓度，n0d和n0均大致为常数。

施主耗尽：在n型半导体中，当温度升高时，有越来越多的施主杂质电子能克服Ed进入导带，最后直到所有杂质电子全部进入导带，即出现施主耗尽。施主耗尽出现时，n型半导体的电导率将不再发生变化。n总＝ne（施主）＋ne（本征）＋nh（本征）n总＝

第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第32页/共100页第三十二页，共101页。电导率温度

约为常数本征耗尽掺杂n型半导体电导率随温度的变化通常半导体材料选择在施主耗尽即显示平台温度范围内工作。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第33页/共100页第三十三页，共101页。p型半导体

基本定义：当在纯净的硅(或锗)中掺杂受主杂质时，半导体则主要依靠受主提供的空穴导电，此即p型半导体。特点：受主杂质提供的空穴不能位于价带中，而只能是靠近禁带底部（或靠近价带的顶部）。受主杂质接受一个电子并产生空穴所需克服的势垒只稍高于价带，以受主能级Ea表示。

控制p型半导体电导率的是Ea

而非是Eg。载流子的浓度：第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第34页/共100页第三十四页，共101页。价带导带p型半导体中受主能级Ea的位置受主能级Ea禁带第一章材料的电子结构与物理性能－§1.3半导体第35页/共100页第三十五页，共101页。第36页/共100页第三十六页，共101页。第37页/共100页第三十七页，共101页。第38页/共100页第三十八页，共101页。第39页/共100页第三十九页，共101页。第40页/共100页第四十页，共101页。第41页/共100页第四十一页，共101页。第四节材料的超导电性

一、超导现象与超导电性在一定的温度下，材料突然失去电阻的现象称为超导电性。正常导体T(K)R（）Tc4.2Hg的电阻与温度的关系第一章材料的电子结构与物理性能－§1.4材料的超导电性

第42页/共100页第四十二页，共101页。二、超导电性的基本特征零电阻效应（R＝0）材料在某一温度下突然失去电阻的现象，称为零电阻效应。迈斯纳效应（B＝0）处于超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一特征叫完全抗磁性或迈斯纳效应。迈斯纳效应（超导球排斥磁通）第一章材料的电子结构与物理性能－§1.4材料的超导电性

第43页/共100页第四十三页，共101页。三、超导体的临界参数临界温度Tc

临界温度即超导转变温度。当T>Tc时：超导体呈正常态；当T<Tc时，超导体由正常态转变为超导态。临界磁场Hc

当温度低于Tc时，强磁场也会破坏超导态，即有磁力线穿入超导体内，材料就从超导态转变为正常态。将可以破坏超导态的最小磁场，称为临界磁场。临界电流Ic（临界电流密度Jc）通过超导体的电流也会破坏超导态，当电流超过某一临界值时，超导体就出现电阻。将产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流，称为临界电流。

第一章材料的电子结构与物理性能－§1.4材料的超导电性

第44页/共100页第四十四页，共101页。超导部分正常导体部分磁通磁场电流超导态与正常态的混合状态两类超导体：第一类超导体：当H＜Hc时，呈超导性；当H＞Hc时，呈正常态。第二类超导体：有两个临界磁场：下临界磁场和上临界磁场（分别用Hc1和Hc2表示）。

T

<Tc时：当H<Hc1时，与第一类超导体相同，表现出完全抗磁性；当Hc1<H<Hc2时，第二类超导体处于超导态与正常态的混合状态；当H＝Hc2时，超导部分消失，导体转为正常态。通常，第二类超导体的Hc1较小，Hc2

则比Hc1高一个数量级，并且，大部分第二类超导体的Hc2比第一类超导体的Hc要高得多。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.4材料的超导电性

第45页/共100页第四十五页，共101页。

三个临界参数的关系

超导体的三个临界参数具有相互关联性，要使超导体处于超导状态，必须使这三个临界参数都满足规定的条件，任何一个条件遭到破坏，超导状态随即消失。三者的关系可用右图所示曲面来表示。在临界面以下的状态为超导态，其余均为正常态。从实用性来看，希望三个临界参数越大越好。JTHHcJcTcT-H-J临界面超导体三个临界参数之间的关系第一章材料的电子结构与物理性能－§1.4材料的超导电性

第46页/共100页第四十六页，共101页。四、超导电性的微观机制电子-声子相互作用声子：晶格振动的能量子。在T＞0K时，晶格点阵上的离子在其平衡位置附近振动，并相互耦合在一起。任何局部的扰动或激发，都会通过格波的传递，导致晶格点阵集体振动。这种集体振动，可以看成由若干个互相独立、频率各异的简正振动叠加而成。每一个简正振动的能量量子，称为声子。声子的行为：声子也具有粒子的性质，会与电子发生相互作用，这种作用，即电子与晶格点阵的相互作用称为电子-声子相互作用。

当一个电子通过相互作用，把能量、动量转移给晶格点阵，从而激起它的某个简正频率的扰动，叫做产生一个声子。相反，通过相互作用，使振动的晶格点阵获得能量、动量，同时又减弱某个简正频率的扰动，叫做吸收一个声子。电子-声子相互作用可以直接改变电子的运动状态。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.4材料的超导电性

第47页/共100页第四十七页，共101页。

超导能隙

金属处于超导态时的电子能谱具有显著的特点：在费米能级Ef

附近，存在一个能量间隔（2），称作超导能隙。当T＝0K时，能量处于能隙下边缘以下的状态全被占据，能隙上边缘以上的状态全部空着。能量在费米能级附近的电子全部配成库柏对，这将使超导态处于能量最低的状态，即超导基态。超导基态相应的系统能量小于系统处于正常态时的能量。2正常态0K下的正常态和超导态电子能谱超导态空态满态Ef第一章材料的电子结构与物理性能－§1.4材料的超导电性

第48页/共100页第四十八页，共101页。

库柏电子对

当两个电子间存在净的吸引作用时，在费米面附近就存在一个动量大小相等、方向相反且自旋相反的两电子束缚态，它的能量比两个独立的电子总能量低，这种束缚态电子对称为库柏对。q1q2电子与正离子相互作用形成库柏电子对

库柏电子对的形成过程：

处于超导态的超导体内，若某一个自由电子q1在正离子附近运动时，会吸引正离子而使这个区域的局部正电荷密度增加，当另一个电子q2在这个正电荷密度增加了的场中运动时，就会受到这个场的吸引作用，这个作用相当于q1对q2产生吸引力，即电子q1吸引电子q2。若这个吸引力大于q1和q2之间的库仑斥力，这两个电子就可以结合成为一个电子对。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.4材料的超导电性

第49页/共100页第四十九页，共101页。

BCS超导微观理论

BCS理论的核心点：①库柏电子对导致能隙的存在；②元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度与电子-声子相互作用能有关。一种金属如果在室温下具有较高的电阻率，冷却时就有更大可能成为超导体。

BCS理论对超导电性的解释：①电子同晶格相互作用导致在常温下形成电阻，但在低温下，则是产生库柏电子对的原因。温度越低，所产生的库柏电子对越多。②库柏对不能互相独立地运动，只能以关联的形式作集体运动。③在临界温度下，库柏对具有与晶格相同的振动频率，因而导致库柏对集体地同步穿过振动的晶格，使电子对与晶格之间碰撞的时间间隔以及与之相关的电导率无限增大，从而呈现电阻消失现象。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.4材料的超导电性

第50页/共100页第五十页，共101页。五、超导隧道效应

（约瑟夫森效应）

两超导体中间的绝缘层能让超导电流通过的现象，称为超导隧道效应。

延伸：①两块超导体中间夹一层金属可形成约瑟夫森结；②超导体中间为真空，两者靠得很近可行形成约瑟夫森结；③两块超导体构成点接触可行形成约瑟夫森结；④两块超导体构成微桥接触可行形成约瑟夫森结。S1S2nm级厚度的介电势垒I约瑟夫森结示意图

构成约瑟夫森结的关键：两块超导体间呈弱连接。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.4材料的超导电性

第51页/共100页第五十一页，共101页。隧道结超导膜基片表面氧化的超导膜超导膜基片桥区具有尖端的超导细针超导体a)b)c)几种常见的约瑟夫森结a)隧道结b)超导微桥c)点接触结第一章材料的电子结构与物理性能－§1.4材料的超导电性

第52页/共100页第五十二页，共101页。第五节材料的介电性

一、电介质的极化极化现象材料按对外电场响应方式的不同的分类：导电材料电荷以长程迁移即传导的方式对外电场作出响应。电介质(介电材料)电荷以感应的方式对外电场作出响应，即沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变。极化第一章材料的电子结构与物理性能－§1.5材料的介电性

第53页/共100页第五十三页，共101页。非极性电介质由非极性分子组成，在无外加电场时分子的正负电荷重心互相重合，不具有电偶极矩，只是在外加电场作用下正负电荷出现相对位移，才出现电偶极矩。极性电介质由极性分子组成，即使在无外电场时每个分子的正负电荷重心也不互相重合，具有固有电偶极矩。电解质的分类：第一章材料的电子结构与物理性能－§1.5材料的介电性

第54页/共100页第五十四页，共101页。

极化机制电介质极化的三种主要基本过程：电子极化由材料中原子核外电子云畸变产生。离子极化由材料的分子中正、负离子相对位移造成。又称原子极化。转向极化由材料分子的固有电矩在外电场作用下转动而导致。又称分子极化、取向极化。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.5材料的介电性

第55页/共100页第五十五页，共101页。+----电子原子核E=0+----E0-+++--E0-++--+正离子负离子E=0+--+--+--+--+--+--E=0偶极子+--+--+--+--+--+--E0c)b)a)固体中的极化机制

a）电子型——电子云中心与正电荷中心不重合b）离子型——正离子与负离子相对位置发生移动c）分子型——永久性的偶极子沿外电场进行取向第56页/共100页第五十六页，共101页。

极化强度电介质中一个中性分子的电偶极矩：q——分子中正电荷的总量；

——正负电荷重心之间的位矢，由负电荷重心指向正电荷重心。电介质的极化强度：极化强度的物理意义：电介质单位体积内电偶极矩的矢量和。

(C/m2)第一章材料的电子结构与物理性能－§1.5材料的介电性

第57页/共100页第五十七页，共101页。二、介电常数与电容介电常数现象：

由于极化的结果，电介质的表面形成了符号相反的感应电荷，它将一个与外电场方向相反的电场，使外电场受到削弱。显然，介质的极化能力越强，其形成的反向电场越大。介电常数：反映电介质极化能力的物理量。——电介质的介电常数；

D——介质中的电位移。D值的大小与极板上自由电荷的密度有关；

E——介质中的电场强度。为外加电场与束缚电荷形成的合电场。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.5材料的介电性

第58页/共100页第五十八页，共101页。

电容最简单的电容器的构造：

+++++－－－－－-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+VQQP间隙中的介电材料（被极化）l+++++-+－－－－－VQQ极板面积A间隙中电介质为空气或真空平板电容器的构造a）电介质为空气或真空b）电介质为比空气或真空易于极化的材料a)b)第一章材料的电子结构与物理性能－§1.5材料的介电性

第59页/共100页第五十九页，共101页。

电容器的电容值：储存于一块极板上的电量Q正比于所加的电压V，即：Q=C×V。比例常数C定义为电容，其单位是法拉第，F。

电容C与所加电压的大小无关，而决定于电容器的几何尺寸。如果每个极板的面积为A(m2)，而两极板间的距离为l（m），则有：C=A/l

——介电常数

两极板之间为真空，则称真空介电常数0。

r

——相对介电常数

r=/0

（无因次）

r表征了电介质贮存电能能力的大小。介电常数

与极化强度P之间的关系：

=

0+P/E

第一章材料的电子结构与物理性能－§1.5材料的介电性

第60页/共100页第六十页，共101页。材料的相对介电常数材料

r材料

r空气（或真空）1.0镁橄榄石（2MgO·SiO2）6.2水80.4堇青石（2MgO2·Al2O3·5SiO2）4.5～5.4陶瓷聚合物金刚石5.5～6.6酚醛树脂5.0

Al2O3（多晶体）≈9.0硅橡胶2.8

SiO23.7～3.8环氧树脂3.5MgO9.6尼龙6,64.0NaCl5.9聚碳酸酯3.0BaTiO33000聚苯乙烯2.5

云母5.4～8.7高密度聚乙烯2.3派热克斯玻璃4.0～6.0聚四氟乙烯2.0滑石（2SiO2·MgO）5.5～7.5聚氯乙烯3.2第一章材料的电子结构与物理性能－§1.5材料的介电性

第61页/共100页第六十一页，共101页。

三、介电损耗电介质在交变电场作用下，以发热的形式而耗散能量的现象称为介电损耗。产生介电损耗的原因：①电介质中微量杂质而引起的漏导电流；②极化取向与外加电场由于相位差而产生的极化电流损耗。②是主要原因。影响介电损耗的因素：

介电损耗与所加电场的频率f、电场强度E、材料的介电常数和损耗因子tan等有关。因此，电介质单位体积的功率损耗W：

W=fE2tan

（W/m2）式中的tan为损失角正切，即损耗因子，反映电介质中分子磨擦的强度一个量，用以表征电介质介电损耗的大小。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.5材料的介电性

第62页/共100页第六十二页，共101页。部分材料的介电损耗材料tan材料tan陶瓷聚合物Al2O30.0002～0.01

酚醛树脂（电木）0.06～0.10SiO20.00038

硅橡胶0.001～0.025BaTiO30.0001～0.02

环氧树脂0.002～0.010

云母0.0016

尼龙6,60.01

派热克斯玻璃0.006～0.025

聚碳酸酯0.0009

滑石（2SiO2·MgO）0.0002～0.004

聚苯乙烯0.0001～0.0006

镁橄榄石（2MgO·SiO2）0.0004

高密度聚乙烯<0.0001堇青石（2MgO2·Al2O3·5SiO2）0.004～0.012

聚四氟乙烯0.0002

聚氯乙烯0.007～0.020第一章材料的电子结构与物理性能－§1.5材料的介电性

第63页/共100页第六十三页，共101页。

四、介电强度与击穿在强电场中，当电场强度超过某一临界值时，电介质就丧失其绝缘性能，这种现象称为介电击穿。

介电强度是一种介电材料在不发生介电击穿或者放电的情况下所能承受的最大电场：

E

max=（V/d）max式中的E

max为介电强度或击穿强度（MV·m-1），下标max代表发生击穿的起始值。电介质的介电击穿大约可分为特征击穿、热击穿、电机械击穿和放电击穿等几类。

第一章材料的电子结构与物理性能－§1.5材料的介电性

第64页/共100页第六十四页，共101页。部分材料的介电强度材料介电强度/106V/cm材料介电强度/106V/cm陶瓷

派热克斯玻璃(0.003cm)5.8Al2O3(0.03m)7.0

派热克斯玻璃(0.0005cm)6.5Al2O3(0.6m)1.5

滑石

(SiO2+MgO+Al2O3，0.63cm)0.1Al2O3(0.63cm)0.18

镁橄榄石(2MgO·SiO2，0.63cm)0.15SiO2(石英，0.005cm)0.6聚合物NaCl(0.002cm)2.0

酚醛树脂(电木)120～160NaCl(0.014cm)1.3

硅橡胶220BaTiO3(0.02cm，单晶)0.04

环氧树脂160～200BaTiO3(0.02cm，多晶)0.12

尼龙6,6240PbZrO3(单晶，空隙度0%，0.016cm)0.08

聚碳酸酯160PbZrO3(多晶，空隙度10%，0.16cm)0.03

聚苯乙烯200～280PbZrO3(多晶，空隙度22%，0.16cm)0.02

高密度聚乙烯190～200

云母(0.002cm)10.1

聚四氟乙烯160～200

云母(0.006cm)9.7

聚氯乙烯160～59第一章材料的电子结构与物理性能－§1.5材料的介电性

第65页/共100页第六十五页，共101页。第六节材料的磁性一、原子的磁矩

磁性的强弱是指物质本身固有的磁矩大小，与原子磁矩有关。原子的磁矩由电子轨道磁矩和电子自旋磁矩两部分组成。电子轨道磁矩B＝，称为玻尔磁子，是计算磁矩的最小单位，其值为9.27×10-24A·m2；l为决定轨道角动量的量子数；h为普朗克常数；

“－”表示轨道角动量PL的方向与

L的方向相反。erlPL电子的轨道运动第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第66页/共100页第六十六页，共101页。

电子自旋磁矩磁性物质的电子自旋磁矩一般要比电子轨道磁矩大，因此，很多固态物质的磁性，主要不是由电子轨道磁矩引起的，而是来源于电子的自旋磁矩。由此可见，电子的自旋磁矩在一定条件下是物质内部建立起磁性的根源。电子的自旋运动PSS第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第67页/共100页第六十七页，共101页。

固有磁矩

物质是否呈现磁性与其是否存在固有磁矩有关。固有磁矩与电子结构的关系：当原子中某一电子层被电子填满时，该层的电子轨道磁矩互相抵消，该层的电子自旋磁矩也相互抵消，即该层的电子磁矩对原子的磁矩没有贡献。如果原子中所有电子层全被电子填满（如惰性元素），则净磁矩为零。此时称该元素不存在固有磁矩。因此，能显示固有磁矩的，必然是那些电子壳层未被填满的元素。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第68页/共100页第六十八页，共101页。两种情况的分析：①内层全部填满电子，外层未填满电子，即有外层价电子价电子虽有净磁矩，但对多原子聚合体来说，各原子的净磁矩将互相抵消，因此不显示固有磁矩。②内层和外层均未填满电子各原子的净磁矩将不能相互抵消，如过渡族元素——铁、钴、镍，稀土元素——钆(Gd)，这些元素具有固有磁矩。特别提示：电子壳层未被电子填满，只是物质是否显示磁性的必要条件，而非充分条件。举例：铜、铬、钒以及所有的镧系元素都有未被填满的电子层，但上述三个元素以及除钆和一些重稀土元素以外的所有镧系元素，都不会显示出磁性。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第69页/共100页第六十九页，共101页。二、磁化强度与磁化率

磁化强度

磁化强度是描述物质磁性强弱和磁化状态的物理量，它表示物质固有磁矩的大小，其物理意义是物质单位体积的原子磁矩的总和：磁化率物质在磁场中磁化后，其磁化强度与磁场强度的关系是：

是磁化率，代表物质磁化的难易程度。

(A/m)第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第70页/共100页第七十页，共101页。、

0、

r分别是材料的磁导率、真空磁导率和相对磁导率。相对磁导率取决于物质的本性及磁场强度的大小，无量纲，

0＝4×10-7H/m。

磁化强度与磁感应强度的关系

在磁场中，不同的物质所引起的磁场的变化是由于它们的磁化强度不同而造成的。因此，的作用相当于在物质中产生的一个附加磁场。磁化强度与磁感应强度的关系：地球的磁感应强度为6×10-5T

典型棒状磁体的磁感应强度为1T。

(T)第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第71页/共100页第七十一页，共101页。三、磁性的分类抗磁性物质特征：<0，与方向相反，使通过该物质的磁力线减少。抗磁物质的很小，只有10－6～10－5数量级，其磁化曲线为一直线。这类物质的磁性称抗磁性。典型抗磁性物质：具有良好导电性的Cu、Ag、Au等。顺磁性物质特征：

>0，与方向相同。顺磁物质室温下的很小，为10－6～10－3数量级，使通过该物质的磁力线略有增加，其磁化曲线也是一条直线。这类物质的磁性称顺磁性。典型顺磁性物质：空气、奥氏体等。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第72页/共100页第七十二页，共101页。

铁磁性物质特征：>>1，达104数量级，使通过该物质的磁力线强烈增加。这类物质的磁性称铁磁性。典型铁磁性物质：铁、钴、镍、钆等。反铁磁性物质特征：

>

0，r

>

1。在10－5～10－3之间，大小近乎于强顺磁物质，属于弱磁性。反铁磁物质存在磁性转变温度TN，称为奈尔温度。典型反铁磁性物质：部分金属(Mn、Cr等)，部分铁氧体(ZnFe2O4等)。亚铁磁性物质特征：>>0，r>>1，磁性强于反铁磁性而弱于铁磁性。亚铁磁性和铁磁性具有许多相似的磁性特征。典型亚铁磁性物质：

①尖晶石型、石榴石型等几种晶体结构的铁氧体；②稀土钴金属间的化合物；③一些过渡金属、非金属的化合物。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第73页/共100页第七十三页，共101页。M，A/mH，A/m顺磁体（<0）抗磁体（<0）抗磁质和顺磁质的磁化曲线M，A/mB，A/mH，A/m铁磁质的磁化曲线M－HB－HHsBsMs第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第74页/共100页第七十四页，共101页。四、铁磁性物质的磁性特点易磁化现象

铁磁体的>>1，数值很大，其随的变化（M－H磁化曲线）已不是直线。①在很小（弱磁场中）时即有很大的值；②当达到某一值时，M＝Ms，称为饱和磁化强度，以后H增大而M不增加，为一水平直线，即达到磁饱和；③在B－H磁化曲线中，H>Hs后，B也增加，且呈直线变化，称H＝Hs时的B值为饱和磁感应强度Bs。磁滞现象与磁滞回线磁滞现象是磁化的不可逆性的表现，是铁磁体在磁化时，B值的减小滞后于H值减小的现象。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第75页/共100页第七十五页，共101页。BHHc-HcBs-BsBr-BrOas-HsHs铁磁体的磁化曲线与磁滞回线第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第76页/共100页第七十六页，共101页。Br和Hc的重要意义：

Br——剩余磁感应强度，又称剩磁或余磁，它表示了铁磁体磁化到饱和后，去除磁场后的磁感应强度。

Hc——矫顽力，代表铁磁体达到磁饱和后，使其B＝0所需施加的反向磁场强度的大小，表征了铁磁体显示磁性的顽强性。居里点（Tc）当温度上升时，高温使磁化强度、剩磁和矫顽力都趋于减小，当升高到某一温度时，铁磁性消失，铁磁物质转变为顺磁物质，此温度称为居里点或居里温度。如铁的居里点为770C，钴的居里点为1131C，镍的居里点为358C。只有低于居里点时，铁磁物质才具有铁磁性，铁素体和奥氏体之间的磁性转变就是典型代表。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第77页/共100页第七十七页，共101页。中等[110]易磁化[001]难磁化[111]中等[110]易磁化[111]难磁化[100]中等[1120]难磁化[1010]易磁化[0001]铁、镍、钴单晶体的易磁化方向和难磁化方向

磁晶各向异性

铁磁单晶体沿不同结晶方向磁化难易程度不同，即需要能量不同的现象称为磁晶各向异性。在铁磁单晶体中，沿某些晶向，在最弱的磁场中即可达到磁饱和，即达到磁饱和时所需要的能量（磁场能）最小，这些方向称为易磁化方向；而沿另一些晶向磁化到饱和最难，称为难磁化方向。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第78页/共100页第七十八页，共101页。

磁畴结构自发磁化：自发磁化是铁磁性物质的自旋磁矩在无外加磁场条件下自发地取向一致的行为。某些原子的核外电子的自旋磁矩不能抵消，从而产生剩余的磁矩。如果每个原子的磁矩排列混乱，则整个物质不具有磁性。只有所有原子的磁矩沿着一个方向整齐地排列，就像很多小磁铁首尾相接时，才能使物质对外显示磁性，成为磁性物质。上述原子磁矩的整齐排列现象，就是自发磁化。问题：既然磁性物质内部存在自发磁化，那么是不是物体中所有原子的磁矩都沿一个方向排列整齐了呢？不是。否则，凡是钢铁等就会永远带有磁性。事实上，磁性物质绝大多数都具有磁畴结构，使得它们没有磁化时不显示磁性。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第79页/共100页第七十九页，共101页。磁畴结构

磁畴：海森堡（Heisenberg）和魏斯（Weiss）磁畴理论：①铁磁性物质由许多小磁畴组成的。磁畴尺寸大小不等，平均小于晶粒尺寸。每一磁畴含109～1015原子。②在每一磁畴内电子的自旋磁矩方向相同（即产生自发磁化），且通常沿着易磁化方向，从而使单个磁畴具有很高的磁饱和强度。由于晶体中易磁化方向有多个，如铁的易磁化方向有6个，镍有8个，所以，铁磁性物质在宏观上并不呈现磁性。③磁化曲线可用磁畴移动给予解释。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第80页/共100页第八十页，共101页。MHabc磁矩转动不可逆壁移可逆壁移OM－H技术磁化曲线磁畴的运动，按磁化曲线可分为三个区域：①O～a点，即磁场强度较低时，磁畴壁的运动是可逆的，去磁时，磁化强度沿着原路线减小。②a～b点，即磁场强度再增加时，磁畴壁的运动就不可逆了，这种不可逆的运动方式决定了去磁时必然有剩磁存在，即有一部分磁畴的磁矩仍沿着外磁场的方向。③b～c点，即当磁场强度继续增加，由于有的磁畴长大，有的磁畴缩小，大磁畴磁矩会逐渐转向外磁场的方向，最后使磁化趋于饱和。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第81页/共100页第八十一页，共101页。

磁损耗

铁磁性物质在交变磁场中工作时要发生能量损耗，称为铁芯损耗，简称铁损或磁损。铁损一般包括三个部分，即涡流损耗Pe、磁滞损耗Ph和剩余损耗Pr：

P＝Pe＋Ph＋Pr

(W/kg)①涡流损耗铁磁性物质内部在交变磁场中产生的涡流状感应电流所引起的损耗。

Pe＝2t2f2Bm2/6

(W/kg)

（f＜500Hz）

f：交变磁场频率；Bm：磁感应强度峰值；t：材料尺寸；：电阻率。结论：材料的电阻率越大，厚度越薄，则涡流损耗越小。②磁滞损耗

铁磁性物质反复磁化一周，由于磁滞原因所造成的损耗。

Ph＝KhfBmn

(W/kg)③剩余损耗剩余损耗是指除涡流损耗和磁滞损耗以外的其他所有损耗。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.6材料的磁性第82页/共100页第八十二页，共101页。第七节材料的光学性质

光具有波粒二象性，光子学说认为：光是由一些以光速c传播的物质单元——光子所组成。光的能量不是连续地分布在其传播的空间，而是集中在一个个光子上，光子的能量为：

式中，h为普朗克常数，6.62×10-34J/s；为光的频率；c为光速，3×108m·s-1；为波长。当电子吸收光子时，每次总是吸收一个光子，而不能只吸收光子的一部分。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第83页/共100页第八十三页，共101页。一、光的吸收与透射光的吸收与透射I0吸收反射束透射束If=I0－I吸收－I反射第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第84页/共100页第八十四页，共101页。被照射物质的电子与光子的交互作用结果：

吸收电子从价带被激发至导带电子不能从价带被激发至导带不透明透射透明光的吸收与透射的物理本质：价带导带EgEfEcEv价带导带EcEv价带导带Ev半导体导体绝缘体Eg第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第85页/共100页第八十五页，共101页。例：求硅和锗中能透过的最短波长。已知普朗克常数h＝6.62×10-34J/s，光速c＝3×108m·s-1，电子电荷q＝1.6×10-19C。

根据＝hc/Eg：对于硅：＝hc/Eg＝(6.62×10-34)×(3×108)/1.1×(1.6×10-19)m

＝1128.4nm。（不可见光）对于锗：＝hc/Eg＝(6.62×10-34)×(3×108)/0.67×(1.6×10-19)m

＝1773.2nm。（不可见光）小提示：可见光的波长范围：300～700nm

红外光的波长范围：800～100000nm第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第86页/共100页第八十六页，共101页。二、材料的发光性能发光：

指材料在吸收外界能量后，其中部分能量以频率在可见光范围的光子向外发射的现象。发光的特征发光的第一个特征——颜色：材料发光光谱（又称发射光谱）的三种类型：宽带：半宽度——100nm，如CaWO4；窄带：半宽度——50nm，如Sr2(PO4)Cl:Eu3+；线谱：半宽度——0.1nm，如GdVO4:Eu3+。一种材料的发光光谱属于哪一类，既与基质有关，又与杂质有关。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第87页/共100页第八十七页，共101页。

发光的第二个特征——强度：表征材料的发光本领通常用发光效率。发光效率的三种表示方法：①量子效率：指发光的量子数与激发源输入的量子数的比值。②能量效率：指发光的能量与激发源输入的能量的比值。③光度效率：指发射出来的光通量（又称流明，单位：lm）与激发源输入的能量的比值(lm/W)，也称为流明效率。发光的第三个特征——发光持续时间：根据发光持续时间的长短，发光最初被分为荧光及磷光两种。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第88页/共100页第八十八页，共101页。

发光的种类荧光：材料价带中的电子受外界激发跃迁到导带，并在那里停留很短的时间(10－8s左右)，然后自发地返回到价带中，并相应地放出光子，即为荧光，其波长由＝hc/Eg确定。当外界激发源去除，荧光这种发光现象随即很快消失。磷光：由微量杂质引入了施主能级后，被激发到导带中的电子在返回价带之前，首先落入施主能级并被俘获，停留一段较长的时间(大于10－8s)，然后才返回价带，这时也相应地放出光子，便称为磷光，其波长由＝hc/(Eg－Ed)确定。磷光能持续一段较长的时间。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第89页/共100页第八十九页，共101页。例：ZnS的能隙为3.54eV，要激发ZnS的电子需要光子的波长是多少？如在ZnS中加入杂质，使之在导带下的1.38eV处产生一能量陷阱，试问发光时的波长是多少？已知：普朗克常数h＝6.62×10-34J/s，光速c＝3×108m·s-1，电子电荷q＝1.6×10-19C。第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第90页/共100页第九十页，共101页。激光：

Laser——LightAmplifiedbyStimulatedEmissionofRadiation“受激辐射而放大的光”

1958年，贝尔实验室的CharlesH.Townes和AlkerL.Schalow公布了激光的理论和方案，1960年，梅曼（TheodoreMaiman）第一次在Hughes飞机公司完成激光的实验。Townes和Schalow因为他们的发明先后于1964年和1981年获得诺贝尔物理学奖。

①激光的产生材料在外界光子的作用下，电子从基态E1跃迁到激发态E2，产生光的吸收；而处于激发态E2的电子返回到基态E1，它就会以放出一个光子的形式辐射能量，其辐射频率为：第一章材料的电子结构与物理性能－§1.7材料的光学性质

第91页/共100页第九十一页，共101页。辐射能量的两种途径：自发辐射：电子无规则地从激发态跃迁到基态。受激辐射：具有一定能量的光子与处于激