华中科技大学-电子材料物理2012复习提纲-答案整理

《电子材料物理》复习提纲第一章电子材料的结构1.晶体的结构与对称性理解点阵结构与晶体结构之间的关系，能够根据晶体结构画出点阵图。将构成晶体的结构济源抽象成一个几何点，这些几何点在空间按一定的规则重复排列所形成的阵列。点阵反映晶体结构周期性的大小和方向。掌握晶胞的基本概念，并会计算晶胞中结点的个数；晶胞是从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。熟悉七大晶系的特征。理解4种晶胞类型7大晶系14种点阵类型32种点群和230种空间群之间的相互联系掌握晶体的宏观对称操作和微观对称操作，对于常见立方结构的晶体能够找出其中的对称操作元素；旋转、反映、反演及旋转-反演立方结构CsCl各三个4次转轴和4次反轴，各四个3次转轴和3次反轴，各六个2次转轴和2次反轴，九个反映面，一个反演中心掌握点群符号、空间群符号的含义以及空间群符号向同型点群符号的转变。点群反映的是晶体理想外形的宏观对称性，空间群反映的是晶体内部原子等规则排列而具有的微观对称性。空间群的数目多于点群，意味着微观对称性不同的晶体结构可能生长出相同的晶体外形，即同一个点群可能对应不同的空间群空间群转点群1、将滑移面转换为反映面2、将螺旋轴转换为旋转轴2.典型晶体结构掌握密堆积，配位数，电负性等基本概念；电负性：原子的电负性即是衡量分子中原子吸引电子的能力。电离能与亲和能之和则称为该元素的电负性。掌握物质理论密度的计算方法；理解鲍林规则的主要内容；1、鲍林第一规则：负离子配位多面体规则2、鲍林第二规则：电价规则3、鲍林第三规则：多面体组联规则4、鲍林第四规则：高价低配位多面体远离法则5、鲍林第五规则：结构简单化法则掌握典型离子晶体结构的类型及结构特征（重点AX型，钙钛矿型，正尖晶石型）。只考氯化铯，重点钙钛矿，正尖晶石第二章晶体中的缺陷与扩散熟悉点缺陷的定义及分类，ACNVnA引起几个原子范围的点阵结构不完整，亦称零维缺陷按产生原因：热缺陷，杂质缺陷，非化学计量缺陷，电荷缺陷，辐照缺陷等掌握点缺陷Kroger-Vink符号的书写及表示的含义，熟悉点缺陷形成的准化学反应方程式的书写原则，掌握热缺陷和MO型金属氧化物杂质缺陷准化学反应方程式的书写，并能根据质量作用定律计算平衡状态下缺陷的浓度。第三章电子材料的电导1.掌握表征电导的物理参数及相关公式，掌握电导的分类及相应的特征物理效应；熟悉各种散射机制对迁移率的影响规律。电导率μσnq，迁移率Eυμ。电子电导----霍尔效应：金属或半导体薄片置于沿z方向磁场中，当在x方向有电流流过时，在y方向上将产生电动势。离子电导----电解效应：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，即发生点解现象。2.对于金属氧化物半导体，熟悉杂质缺陷和组分缺陷对半导体电导性能的影响，能利用缺陷准化学反应方程式和质量作用定律来讨论组分缺陷其电导率与氧分压的关系；组分缺陷是重点！金属填隙型氧化物中中温区不考，3.对于共价键半导体，熟练计算本征半导体和杂质半导体的电导率。4.熟悉离子电导的影响因素与能斯特-爱因斯坦方程，熟悉稳定型ZrO2氧传感器的工作原理；可测扩散活化能爱因斯坦方程—能斯特Dw)kTwexp(DDkTqDnqkTnqD02μμσσ5.掌握界面电导中的晶界效应，根据晶界效应能对压敏效应以及电阻的正温度系数（PTC）效应的形成机理作出合理解释。晶界效应：主要发生n型多晶材料中，由于受主表面态使得在晶粒界面产生双肖特基势垒，该势垒根据材料本身特性的不同，可表现出压敏效应、PTC效应。压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应。当电压较低时，热激励电子，必须越过肖特基势垒而流过，故而电流很小；电压高于某值时，晶界上所捕获的电子，由于隧道效应通过势垒，致使电流急剧增大，从而呈现出异常的非线性关系。PTC效应：n型半导体陶瓷晶界具有表面能级；表面能及可以捕获载流子，产生电子耗损层，形成肖特基势垒；肖特基势垒高度与介电常数有关，介电常数越大，势垒越低；温度超过居里点，材料的介电常数急剧减小，势垒增高，电阻率急剧增加。第四章电子材料的介电性能克劳修斯方程、德拜方程、介质弛豫公式1.介质的极化理解极化、极化率、极化强度、电偶极矩等基本概念；若两侧存在氧分压，则氧离子从高氧分压测向低氧分压侧移动，结果在高氧分压测产生正电荷积累，低测则反之，按照能斯特理论，产生电动势。在一侧氧分压已知的条件下，可以检测另一侧的氧分压大学。电介质的极化：电介质在电场作用下产生感应电荷的现象。电偶极矩：极化强度：介质单位体积内的电偶极矩总和P=Vμ，极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大小称为质点的极化率。掌握介质的极化类型及其特征。（论述题）位移极化：一种弹性的、瞬时完成的、没有能量消耗的极化。电子位移极化：外加电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生位移而形成的极化。具有一个弹性束缚电荷在强迫振动中所表现出来的特性。可发生在一切介质中，与温度无关。15-14-10~10离子位移极化：电场作用下，正负离子发生相对位移形成的极化。只发生在离子键构成的电介质中，极化率随温度升高会增加，但增加的不大。13-12-10~10松弛极化：与热运动有关、完成极化需要一定时间、非弹性、消耗能量。离子松弛极化：介质中存在的某些弱联系离子在电场作用下，沿电场方向短程跃迁引起，只在由离子组成或含离子杂质的晶体中出现。极化率随温度变化有极大值。5-2-10~10电子松弛极化：有弱束缚电子引起。不可逆，有能量损耗。主要出现在折射率打、结构紧密。内电场大和电子电导打的电介质中。9-2-10~10。偶极子转向极化：主要发生在极性分子介质中。一般需要较长时间，10-2-10~10空间电荷极化：电场作用下，不均匀介质内部的正负间隙离子分别向负正极移动，引起不均匀介质内各点离子密度变化。常发生在不均匀介质中。极化随温度升高而下降建立需要较长时间，只对直流和低频下介质的介电性质有影响。自发极化：由晶体内部结构造成的，晶胞中存有固有电偶极矩。常发生在具有特殊结构的晶体中，如铁电体。理解克劳修斯-莫索蒂方程，并能根据各种极化形式极化率大小，计算直流电场下的介电常数0rr3n21εαεε。2.交变电场下介质的极化损耗掌握介质损耗的定义、产生的形式及表示方法；介质损耗：电介质在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。具体指单位时间单位体积介质内消耗的电能。产生形式：由各种介质极化的建立所造成的电流（极化损耗）；由介质的电导造成的电流（电导损耗）。表示方法：介质损耗率p=2Eσ熟悉复介电常数和复电导率；复电导率：；复介电常数：i''i'i-i*εεωσεωσε损耗角：tgδ=e’’/e’e’实部，描述电介质的极化。e’’虚部，描述电介质中出现的损耗掌握德拜方程以及复介电常数的实部与虚部、介质损耗与温度、频率的关系3.铁电性和压电性掌握铁电体、铁电畴、电滞回线，熟悉铁电体的重要特征；铁电体：在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。铁电体的极化强度不与施加的电场成线性关系，有明显的滞后，是一种非线性电介质。铁电畴：由许多晶胞组成，具有与自发极化方向一致的小区域。两个铁电畴之间的界面称为畴壁，畴壁两边的畴自发极化以首尾对接的方式拍刘，使系统能量最低。电滞回线：铁电体的极化强度与外加电场变现出电滞回线特征。它是判定晶体为铁电体的重要依据重要特征：电滞回线，居里温度，临界特性（介电弹性热学光学等性质在Tc附近出现反常现象）。掌握位移型铁电体产生自发极化的微观机理温度较低时，由于热涨落，钛离子向某一氧离子靠近并固定下来，发生自发极化，并使这个氧离子出现强烈的电子位移极化，使晶胞发生畸变，出现自发极化。可用极化强度突变的现象讨论。熟悉压电性、热释电性及其与晶体结构的关系。压电性：某些晶体材料能按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。压电效应反映了压电晶体弹性性能和介电性能之间的耦合作用。热释电效应：温度的变化引起晶体表面产生电荷（含有电偶极矩的晶体）第五章电子材料的磁学性能1.原子磁矩熟悉电子磁矩与角动量之间的关系，根据量子力学模型理解物质原子磁矩的产生机理；电子轨道磁矩：ωτεεεωεi1)0()(*r221)0('r221])0([r22)0(])0([tg2)0((0)2)0(0.011100电子自旋磁矩：产生机理：当电子填满电子壳层时，各电子的轨道运动以及自旋取向占据了所有可能的方向，形成了一个球形对称集合，电子本身具有的动量矩和磁矩相互抵消。因而凡是满电子壳层的总动量矩和总磁矩都为零。只有为填满电子的壳层上才有未成对电子磁矩对原子的总磁矩做出贡献。这种未满壳层称为磁性电子壳层。原子磁性电子壳层中的电子动量矩之间会产生耦合，最后得到的总角动量所对应的磁矩称为原子磁矩。根据原子核外电子排布式，会判断对原子磁矩有贡献的电子壳层（磁性壳层）；根据洪德规则，掌握自由原子磁矩计算方法。)1J(J2)1L(L)1S(S)1J(J1gJBJJ)1J(Jgμμ理解物质中d轨道电子在晶体场作用下发生的轨道角动量冻结，掌握晶体中3d族离子的离子磁矩计算方法。在晶体场中某些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。物理机理：过渡金属的d电子轨道暴露在外面，受晶场的控制，晶场的值大于自旋-轨道耦合能；晶场对电子轨道的作用是库伦相互作用，因而对电子自旋不起作用。随着d电子的轨道能级在晶场作用下劈裂，轨道角动量消失。3d的离子磁矩主要由自旋磁矩提供.BS)1S(Sμμ2.物质的磁性理解物质的各种磁性（抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性及亚铁磁性）产生的物理机理、特征及代表性物质抗磁性：当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变，感生一个磁矩，按照楞次定律，其方向应与外磁场方向相反，表现为抗磁性。抗磁性物质一般抗磁性很微弱，磁化率与磁场温度无关，。陶瓷材料顺磁性：受外场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优去向，表现出宏观磁性。称为顺磁性。特征：不论外加磁场与否，原子内部存在永久磁场。代表物质：过渡元素物质、稀土元素物质、铝铂等金属。铁磁性：在很小的外磁场作用下产生很强的磁化强度。外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性。称为铁磁性。来源于很强的内部交换场。如：过渡金属Fe，Co，Ni等。内部存在按磁畴分布的自发磁化；磁化率较大；有居里温度反磁性：有些材料，在奈尔温度以下时，相邻原子或离子呈反方向平行排列，结果总磁矩为零。叫反磁性。如Mn，Cr亚铁磁性：磁性来源于两种不同的磁矩：一种磁矩在一个方向相互排列整齐；另一种磁矩在相反方向排列。着两种磁矩方向相反，大小不等，两个磁矩之差产生自发磁化。温度较低时呈现于铁磁性相似的宏观磁性，温度较高时呈现顺磁性。铁氧体电阻率很高。熟悉铁磁体、反铁磁体和亚铁磁体中原子磁矩有序排列的特点和自发磁化产生的原因，并理解原子磁矩有序排列的物理本质——直接交换作用和超交换作用。超交换作用：磁性离子间的交换作用是通过隔在中间的非磁性离子为媒介实现的。（反铁磁性和亚铁磁性自发磁化的起因）熟悉铁氧体的分类，掌握尖晶石型铁氧体（正、反及混合型）的化学式和离子分布式的书写；尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙钛矿型、钛铁矿型、钨青铜型。化学式：离子分布式掌握反尖晶石铁氧体分子磁矩及饱和磁化强度的计算。3.磁畴及磁化理解磁畴产生的原因，磁畴的产生是自发磁化平衡分布要满足能量最小原理的结果：退磁场能最小要求是磁畴形成的根本原因；磁畴的数目和尺寸形状等由退磁场能喝磁畴壁能的平衡条件决定。理解磁化过程中的磁化机制，答：对于技术磁化过程可以分为四个阶段：（1）弱磁场范围的可逆畴壁位移（2）中等磁场范围的不可逆畴壁位移（3）较强磁场范围的可逆磁畴转动（4）强磁场范围的不可逆磁畴转动其中，不可逆畴壁