材料物理复习题

材料物理复习题.电导率：电阻率的倒数定义为电导率匕，即：Z=1/p。口.离子电导：在离子晶体中，由于热缺陷或杂质的引入而形成的缺陷，在电场作用下，脱离格点的填隙离子或空格点的正、负离子才能够在电场的作用下做定向移动，参与导电过程。载流子是材料本身的本征离子或杂质离子及其空格子。电子电导：主要是由杂质本身以及有杂质形成的各种缺陷，特别是俘获了电子或空穴的各种缺陷在电场的作用下发生电离造成的。.霍尔效应：霍尔效应的产生是由于电子在磁场作用下，产生横向移动的结果，由于离子的质量比电子的大的多，磁场的作用力不足以使它产生横向位移，因此纯离子电导不呈现霍尔效应。.本征电导：源于晶体中，运动的正负离子自身随热运动而离开晶格形成热缺陷或晶体受热激发而产生可动电子和空穴，并且在电场作用下，热缺陷或激发的电子和空穴能定向移动及电离，从而参与导电的过程。两种载流子的浓度相等，电导率与温度有关。非本征电导（杂质电导）：是通过引入外来杂质而产生缺陷（填隙离子或空格点的正负离子）或可动的电子、空穴在电场作用下参与导电的过程。两种载流子的浓度不等，电导率取决于杂质数量。.压电效应：在机械应力的作用下介质发生极化，形成晶体表面电荷的效应。正压电效应：某些电解质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态的现象。逆压电效应：当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失的现象。.P型半导体：四价的本征半导体，掺入少量三价的杂质元素，形成空穴半导体，称P型半导体。n型半导体：四价的本征半导体，掺入少量五价的杂质元素，形成电子半导体，称n型半导体。口.超导体：随着温度的降低，电阻率会逐渐降低。有些材料在冷却到某一低温Tc时，材料的电阻变为零，电流可以在材料中无限的流动，材料呈现超导状态，称此材料为超导体。.电介质四大基本参数：介电常数：以电极化的方式传递、存贮或记录电的作用。电导：电介质在电场作用下存在泄露电流。介电损耗：电介质在电场的作用下存在电能的损失。击穿：在强电场下可能导致电介质的破坏。.极化：在外电场作用下，电介质内部产生感应偶极矩的现象。自发极化：在无外电场作用的时候，晶体的正负电荷中心不重复而呈现电偶极矩的现象。.偶极子：在电场作用下，正负束缚电荷只能在微观尺度上作相对位移，不能作定向移动。正负束缚电荷的相对偏移产生感应偶极矩，正负电荷形成一个偶极子。.极化率：单位局部电场强度下，质点电偶极矩的大小称为质点的极化率x=p/E£0表征材料的极化能力。口.束缚电荷：在电介质中，原子，分子或离子中的正负电荷以共价键或离子键的形式被相互强烈地束缚着，通常称为束缚电荷。.介电强度：介质材料在电场作用过程中，常因承受的超过一定数值而失去绝缘能力，出现击穿现象。击穿时的电场强度称为介电强度或击穿场强Eb。14.施主掺杂：通过引入高价金属离子或在晶格内形成氧空位或填隙金属离子缺陷，在晶格周围产生剩余电子，被由高价金属离子或氧空位或填隙金属离子所形成的正电中心所束缚，这种束缚是弱束缚，在导带下面形成施主能级的掺杂形式。受主掺杂：通过引入低价金属离子或形成金属离子空位缺陷，形成负电中心，在价带顶部形成受主能级的掺杂形式。.薄膜：1）薄膜是两个几何学平面所夹的物质，即在二维空间拓展，呈很薄的形态；2）薄膜的厚度，其尺寸范围从几个纳米到几十微米。薄膜表面：薄膜可以看作是某、丫平面上无限的，在Z方向上距离很小，薄膜在Z方向上与真空或者空气之间的面。薄膜界面：薄膜与薄膜之间，薄膜与基片材料之间的分界面。.铁电体：具有自发极化且自发极化方向能随外场改变的晶体。介电体：在电场作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物质，通常不导电。热释电体：具有自发极化的晶体，但因受到表面电荷等补偿作用，其电矩不能显现出来。只有当温度改变，电矩发生变化（电矩有异于零的温度系数）不能被抵消时，才显现其固有的极化。.液晶：一些有机化合物和高分子聚合物，在一定温度或浓度的溶液中，既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性。含热致液晶和溶致液晶。.电畴：晶体中存在一些不同方向的自发极化区域，在铁电体中，固有电极矩在一定的子区域内取向相同这些区域。.电滞回线：铁电体的自发极化在外电场作用下的重行定向并不是连续发生的，而是在外电场超过某一临界电场强度时发生的。这就使得极化强度P滞后于外加电场E。当电场发生周期性变化时，P和E之间便形成电滞回线关系。20.居里温度:材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁电相转变成顺电相引的相变温度。居里外斯定律：描述介电常数或磁化率在居里温度以上顺电相或顺磁相的关系。£0-£=C/(T-Tc),其中£0和£分别是低频相对电容率和光频相对电容率，C为居里常量，Tc为居里外斯温度。口一.电导率：材料的导电现象，其微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。设单位截面积的载流子浓度为n(cm-3)每一载流子的荷电量为q,则参加导电的自由电荷的浓度为nq,当电场E作用于材料上时，则作用于每一个载流子的电场强力为qE。在这个力的作用下，每一载流子在所受力的方向发生定向移动，其平均速度Vcm/则电流密度：J=nqv,根据欧姆定律的微分形式：Z=1/P,电阻率的倒数定义为电导率；电流密度是指通过垂直于电流方向的单位面积的电流即：)=△1/△$;单位为A/m2或cm2；J=ZE；(1)体积电阻Rv：体积电阻Rv与材料性质及样品的几何尺寸有关，对于板状试样：Rv=Pv某n/；式中，n为板状样品的厚度(cm),S为试样的面积(加2)；Rv为体积电阻(。)；Pv为体积电阻率是描述材料电阻性能的参数，它表示当电流从边长为1cm的正方体的相对两面通过时，立方体电阻的大小。(2)表面电阻R：在一材料试样表面放置的两块长条电极；两电极间的表面电阻R由下式决定：R=P某l/b,l为电极间的距离，b为电极的长度，P为样品的表面电阻率，P和R的单位相同均为。。表面电阻表示材料的表面上；电流从任意大小的正方形相对两边通过时,正方形电阻的大小。二.各种材料的载流子？为何无机材料的导电性比金属差？如何让检验材料发生离子电导？离子电导存在于何种材料中？金属材料的载流子为自由电子；离子材料的载流子为离子；高分子材料以电子为载流子；大多数无机材料都是以离子键和共价键结合形成的物质；离子材料中，电荷的流动需要通过离子的移动来实现，而这些离子的尺寸通常很大，不像电子那样容易移动。而以共价键结合的无机材料中，当电子发生移动时，首先要使共价键断开，而这需要很大的能量才能实现。在金属材料中，金属的价电子贡献出来，作为整个原子集团的共有电子，电子呈现共有化，这些电子组成所谓的电子云或电子气，在点阵的周期场中，按量子力学规律运动。而失去了价电子的原子成为正离子，镶嵌在这种电子云中，并依靠这些共有化的电子来实现电荷平衡，由于失去的这些价电子不在固定于某一原子位置，所以金属键的物质具有良好的导电性能。而无机材料禁带宽度较大，电子难以跃迁到导带，故导电性较差。离子电导的特征是存在电解效应，所以通过电解效应可以判断材料是否存在离子电导，并可以判断载流子是正离子还是负离子。电子电导可以通过霍尔效应检验。三.影响离子电导的因素：1.载流子的浓度与种类2.导电离子的迁移率3.离子的电导率。1）浓度：由于杂质活化能比晶格点阵离子的活化能小很多，在低温下杂质电导占主要地位；高温下，热运动加剧，使本征电导的载流子数目显著增加，本征电导占主要地位。2）晶体结构：随着晶体结合力的增大，相应的活化能也高，电导率降低。对于碱卤化合物，随着负离子半径增大，晶体的结合力减小，正离子活化能显著降低；一价正离子尺寸小，电荷少，活化能小，高价正离子，价键强，所以活化能大，所以迁移率低。3）晶格缺陷：在晶体中，由于热激发；不变价固溶掺杂及气氛的变化形成了多种类型的载流子，因此大多数情况下，材料的电导率为所有电导率之和。四.半导体的电导率与温度的关系：施主的富裕电子所处于杂质原子的电子能级低于半导体的导带，此时影响电导率的禁带不是Eg而是Ed,施主能级的价电子进入导带后，不会在价带产生空穴。随着温度的升高，越来越多的施主电子跃迁到导带，最后所有的施主电子都进入导带，此时称为施主耗尽。如果温度继续升高，电动率将维持一个常量，因为在没有更多的施主电子可用，而对于本征半导体的电子和空穴来说，此时的温度又太低；不足于跃迁进入导带，在更高的温度下，才会出现本征半导体产生的导电性。五.半导体Si掺杂P，B形成n、p-型半导体：如果Si或Ge添加的是P或Sb等五价元素，那么P或Sb中的四价电子会参加共价键结合，富裕的那个价电子有可能进入导带，参加导电。向半导体提供电子做为载流子的元素称为施主。掺入后的半导体以电子做为载流子称为n-型半导体。如果掺入的是Ga,B一样的3价元素，没有足够的电子参与共价键的结合，如果价带其他电子过来填充这个空穴，在价带上就会产生一个空穴参与导电。向本征半导体提供空穴做为载流子的元素称为受主，掺入了受主杂质的非本征半导体以正电荷（空穴）做为载流子，称为p-型半导体口六.导体，绝缘体，半导体的能带理论的区别：导体：导体中大多数金属材料的能带结构中没有禁带，金属中的价电子只要受到外来能量的激发，就可以跃迁，既金属中电子的跃迁所需的能量很小，所以金属具有良好的导电性能。另一方面有些金属的能带有重叠现象，使得导电性较好，有时重叠后能带之间的复杂的相互作用使得金属导电性不够理想，有时会使导电性良好，比如Cu；绝缘体：无价带电子，禁带较宽，与半导体相似，价带上都排满了电子，而导带上则没有电子，禁带宽度Eg较大，电子很难跃过禁带进入导带，所以绝缘体无导电性。半导体：价带充满电子，禁带较窄，半导体材料中禁带宽度Eg相对于绝缘体来说较小，处于价带上的电子受到外来能量的激发，△£外〉^Eg,电子就可以从价带跃迁到导带，不同禁带宽度的半导体吸收相应的能量，从而表现出不同的特性，如导电性。七.玻璃材料中载流子高温导电低温绝缘的原因：在玻璃中，硅氧骨架是无序的，骨架外的M+或M2+（金属阳离子）统计分布于骨架的空腔内起着平衡氧负电荷的作用。骨架出离子均能发生互相置换，在玻璃中氧化物可以非化学计量所说比例混合，玻璃电熔是利用熔体的电导率，玻璃的导电主要由碱金属离子的电导决定。在任何温度下，碱金属离子的迁移能力远比网络形成离子大。低温条件下，玻璃材料未能转变为熔体，其载流子（建金属离子）存在于网络空腔中，迁移率较小，未参与导电机制，另一方面，熔体的电导率遵循：Z=Z0e某p（-E/RT），随着温度升高，载流子迁移率增大，Z增大，同时在高温下，玻璃转变为熔体，碱金属离子变成自由移动的离子，游离于熔体中，迁移率增大，数目增多，在外加电场作用下参与导电，并且表现为离子电导。玻璃和电导率的关系在玻璃的转变范围内表现出不连续性。熔体的电导率决定于网络变性体离子的种类和数量（碱金属离子），这些离子的数量及种类影响玻璃转变温度及变为熔体的温度，并且改变熔体中载流子的数目及种类，进而影响玻璃导电的条件即温度。八.陶瓷多晶体影响陶瓷电导率的主要因素：多晶体陶瓷具有以下几个相：气孔、半导体、玻璃相和绝缘晶体。1）温度：Z=Z0e某p（-E/KT），气孔为低电导率相，半导体具有可观的电导率；玻璃相由于结构松驰，活化能比较低，而且电导率较高，特别是高温时具有可观的电导率。绝缘晶体是低电导率相，随着气孔率的增加，电导率成比例减少，随温度升高，离子电导率成指数规律增加，低温下杂质电导高温时本证电导为主2）晶体结构：气孔的影响，气孔吸附杂质，对电导有很大的影响3）杂质浓度和晶界中组成变化对电导有明显的影响4）随着温度升高，玻璃的电导率比晶相显著，结果系统的电导率随温度的增加增加的更为迅速。5）半导体陶瓷的晶界比晶粒内部有较高的电阻率。由于晶界包围晶粒，所以整个材料有很高的直流电阻。6）对于氧化物半导体陶瓷，非化学配比组成和气氛形成不同类型的载流子，烧成条件和冷却条件对其电导有影响，快速冷却的速率趋于保存高温、高电导的结构。材料的电导很大程度上决定于电子电导：电子或空穴易被激发；电子迁移率比离子迁移率要大许多个数量级。九.能带理论：重叠现象、价带、导带、费米能级？十.半导体的物理效应：光致发光效应（荧光效应）：价带的电子受到入射光子的激发后，会越过禁带进入导带，如果导带上的这些被激发的电子又跃迁回到价带时，会以放出光子的形式释放能量。余辉现象：如果荧光材料中含有一些微量杂质，且这些杂质的能级位于禁带，相当于陷阱能级Ed,从价带被激发的电子进入导带后，又会掉入这些陷阱能级。这些被陷阱能级所捕获的激发电子必须首先脱离陷阱能级进入导带后才能跃迁回到价带，所以他们被激发后，需要延迟一段时间才会发光。电致发光效应（发光二极管，激光二极管）：给p-n结加上正向偏压，在正向偏压的作用下，势垒降低，势垒区内建电场也相应减弱，载流子也会在正向偏压的作用下发生扩散。n型半导体区内的多数载流子电子扩散到p型半导区，同时，p型半导区内的多数载流子空穴扩散到n型半导区。这些注入到p区的载流子电子和注入到n区的载流子空穴都是非平衡的少数载流子，这些非平衡的少数载流子不断与多数载流子复合而发光，这就是p-n结工作原理。几乎所有的p-n结都会出现这种发光现象，而发光强度较大的那些p-n结半导体被利用来制成发光二极管。光伏特效应：p-n结受光激发后，在二者的结合区域，会产生大量的空穴载流子和电子载流子。当然，这些正负电荷载流子还有可能再次相互结合，但一部分电子载流子会移动到能级较低的n型导带，空穴载流子会移动到能级较低的p型价带。其结果是在n型中负电荷增加，在p型中正电荷增加，形成电流。但是，这种电荷的增加不会无限进行下去，正负电荷相互分离后，会产生反电位，而阻止正负电荷进一步积累。这种反电位与正负电荷移动趋势相互平衡所到达的平衡，就是该太阳能电池产生的电动势的最大值。十一.结合键与陶瓷材料的性能关系：陶瓷材料的结合方式属于离子键或部分、全部的共价键，由于共价键的结合力较强，以这种方式结合的材料常常塑性很差，而且导电性和导热性都不好，当电子发生移动时，首先要使共价键断开，这需要有高的温度和压力下才能实现。离子晶体中，离子键无方向性，无饱和性，并且导电性能一般不好，由于电荷的流动需要通过离子的移动而实现，而这些离子的尺寸通常大，迁移率通常小于电子的迁移率，不易移动。十二.电介质极化机制：1.位移型极化：不消耗电场，不破坏平衡，是瞬时完成的且外电场撤销时可回复到原来状态。①电子位移型极化：在外电场作用下，电子云发生畸变，电子云和原子核发生相对位移。在电场力和恢复力的作用下，原子产生电偶极矩的极化方式。②离子位移型极化:当外电场为零，离子晶体和玻璃等无机电介质中的正负离子处于平衡位置，电偶极矩为零。在外电场作用下，离子发生位移，正负离子将沿着或逆着电场方向运动，正负离子产生位移形成电荷中心不重合产生电偶极矩。2.松弛式极化：消耗电场，破坏平衡，非瞬时完成的不可逆的极化方式。①离子松弛式极化：陶瓷是多晶材料，存在各种缺陷，使结构中存在弱束缚离子，这些弱束缚离子在热激发下从一个平衡位置迁移到另一平衡位置，且方向是不定的。在电场作用下，正负离子沿着或逆着电场方向移动最后在一个温度下发生极化。②电子松弛式极化：由