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1材料物理性能第一章考点1.电子理论的发展经历了三个阶段，即古典电子理论、量子自由电子理论和能带理论。古典电子理论假设金属中的价电子完全自由，并且服从经典力学规律；量子自由电子理论也认为金属中的价电子是自由的，但认为它们服从量子力学规律；能带理论则考虑到点阵周期场的作用。考点2.费米电子在T=0K时，大块金属中的自由电子从低能级排起，直到全部价电子均占据了相应的能级为止。具有能量为EF(0)以下的所有能级都被占满，而在EF(0)之上的能级都空着，EF(0)称为费米能，是由费米提出的，相应的能级称为费米能级。考点3.四个量子数1、主量子数n2、角量子数l3、磁量子数m4、自旋量子数ms考点4.思考题1、过渡族金属物理性能的特殊性与电子能带结构有何联系？过渡族金属的d带不满，且能级低而密，可容纳较多的电子，夺取较高的s带中的电子，降低费米能级。第二章考点5.载流子载流子可以是电子、空穴，也可以是离子、离子空位。材料所具有的载流子种类不同，其导电性能也有较大的差异，金属与合金的载流子为电子，半导体的载流子为电子和空穴，离子类导电的载流子为离子、离子空位。而超导体的导电性能则来自于库柏电子对的贡献。考点6.杂质可以分为两类一种是作为电子供体提供导带电子的发射杂质，称为“施主”；另一种是作为电子受体提供价带空穴的收集杂质，称为“受主”。掺入施主杂质后在热激发下半导体中电子浓度增加(np)，电子为多数载流子，简称“多子”，空穴为少数载流子，简称“少子”。这时以电子导电为主，故称为n型半导体。施主杂质有时也就称为n型杂质。在掺入受主的半导体中由于受主电离(pn)，空穴为多子，电子为少子，因而以空穴导电为主，故称为p型半导体。受主杂质也称为p型杂质。考点7.我们把只有本征激发过程的半导体称为本征半导体。考点8.在同一种半导体材料中往往同时存在两种类型的杂质，这时半导体的导电类型主要取决于掺杂浓度高的杂质。随着温度的升高本征载流子的浓度将迅速增加，而杂质提供的载流子浓度却不随温度而改变。因此，在高温时即使是杂质半导体也是本征激发占主导地位，呈现出本征半导体的特征(n≈p)。一般半导体在常温下靠本征激发提供的载流子甚少2考点9.n型半导体的电阻率在不同温区的变化规律在低温区费米能级高于施主能级，施主杂质并未全部电离。随着温度的升高，电离施主增多使导带电子浓度增加。与此同时，在该温度区内点阵振动尚较微弱，散射的主要机制为杂质电离，因而载流子的迁移率随温度的上升而增加。尽管电离施主数量的增多在一定程度上也要限制迁移率的增加，但综合效果仍然使电阻率下降。当温度升高到费米能级低于施主能级时，杂质全部电离，称为饱和区。由于本征激发尚未开始，载流子浓度基本上保持恒定。然而，这时点阵振动的声子散射已起主要作用而使迁移率下降，因而导致电阻率随温度的升高而增高。温度的进一步升高，由于本征激发，载流子随温度而显著增加的作用已远远超过声子散射的作用，故又使电阻率重新下降。考点10.电介质的极化包括电子极化、原子(离子)极化和取向极化考点11.绝缘体作为材料使用可以分为绝缘材料和介电材料两类。考点12.属于介电性的有压电性、电致伸缩性和铁电性。考点13.由于机械力的作用而激起表面电荷的效应称压电效应。考点14.为什么铁电体会有电滞回线主要是因为铁电体是由铁电畴组成的。研究表明，铁电体并不是在一个方向上单一地产生自发极化，而是在许多小区域内自发极化并具有不同的极化方向。每一极化方向相同的小区域称为铁电畴，而畴之间的界壁称为畴壁。在没有外电场存在时，晶体的总电矩为零。3考点15.现代超导理现代超导理论认为，在很低温度下，由于电子和声子(点阵振动)的强相互作用，使得电子能够成“对”地运动，在这些“电子对”之间存在着相互吸引的能量，这些成对的电子在材料中规则地运动时，如果碰到物理缺陷、化学缺陷或热缺陷，而这种缺陷所给予电子的能量变化又不足以使“电子对”破坏，则此“电子对”将不损耗能量，即在缺陷处电子不发生散射而无阻碍地通过，这时电子运动的非对称分布状态将继续下去。这一理论揭示了超导体中可以产生永久电流的原因。考点16.思考题1、试用能带论概念解释绝缘体和半导体满带：各能级都被电子填满的能带。满带中电子不参与导电过程。价带：由价电子能级分裂而形成的能带。价带能量最高，可能被填满，也可不满。空带：与各原子的激发态能级相应的能带。正常情况下没有电子填入。当温度接近热力学温度零度时，半导体和绝缘体都具有满带和隔离满带与空带的禁带。晶体电子恰好填满了最低的一系列能带，能量再高的能带都是空的，而且最高的满带与最低的空带之间存在一个很宽的禁带（如gE≥5eV），那么，这种晶体就是绝缘体。半导体晶体电子填充能带的状况与绝缘体的没有本质不同，只是最高满带与最低空带之间的带隙较窄（为Eg=1~3eV），这样，在T=0K时，晶体是不导电的，在T≠0K时，将有部分电子从满带顶部被激发到空带的底部，使最高的满带及最低的空带都变成部分填充电子的不满带，晶体因而具有一定的导电能力。导体中存在未满带未满带未满带未满带(由于电子未充满或能带重叠)。绝缘体的特征是价电子所处的能带都是满带，且满带与相邻的空带之间存在一个较宽的禁带禁带禁带禁带。例如，绝缘体金刚石禁带的能隙(Eg)为5.2eV(或500kJ·mol-1)，是个典型的绝缘体。半导体的能带与绝缘体的相似，但半导体的禁带要狭窄得多(一般在1eV左右)。例如，半导体硅和锗的禁带的能隙分别为1.12eV和0.67eV。2、一块n型硅材料，掺有施主浓度ND=1.5×1015/cm3，在室温T=300K时本征载流子浓度Ni=1.3×1012/cm3，求此时该块半导体的多数载流子浓度和少数载流子浓度。解：多数载流子浓度即为ND=1.5×1015/cm3由公式Ni2=ND×PD得PD=1.9×109/cm3此即为少数载流子浓度3、一硅半导体含有施主杂质浓度ND=9×1015/cm3和受主杂质浓度NA=1.1×1016/cm3，求在T=300K时（Ni=1.3×1010/cm3）的电子空穴浓度。解：由施主杂质浓度为ND=9×1015/cm3，以及受主杂质浓度为NA=1.1×1016/cm3可得净受主杂质浓度为PA=2×1015/cm3此即为净pD由Ni2=nD×pD得nD=8.5×104/cm3此即为电子空穴浓度4第三章考点17.概念辨析1、磁矩定义为M=ISn式中，M为载流线圈的磁矩；n为线圈平面的法线方向上的单位矢量；S为线圈的面积；I为线圈通过的电流。在磁性材料中存在磁矩。磁矩可看做由北极和南极组成的小磁棒，其方向由南指北2、磁场强度H：如果磁场是由长度为l，电流为I的圆柱状线圈(N匝)产生的，对于磁场强度，不考虑材料介质特性，仅由电流决定，则H=NI/lH的单位为安/米(A/m)。3、磁感应强度B：表示材料在外磁场H的作用下在材料内部的磁通量密度，对于磁感应强度，则考虑介质特性，由介质和电流共同决定。B的单位为特斯拉(T)或Wb/m2。注：B和H都是磁场向量，不仅有大小，而且有方向。4、单位体积的磁矩称为磁化强度，用M表示，即M为在外磁场日的作用下，材料中因磁矩沿外场方向排列而使磁场强化的量度。M的大小与外磁场强度成正比：M=χHχ称为磁化率，也是无量纲参数。考点18.磁场强度、磁感应强度、磁化强度及其关系磁场强度H：如果磁场是由长度为l，电流为I的圆柱状线圈(N匝)产生的，对于磁场强度，不考虑材料介质特性，仅由电流决定，则H=NI/lH的单位为安/米(A/m)。磁感应强度B：表示材料在外磁场H的作用下在材料内部的磁通量密度，对于磁感应强度，则考虑介质特性，由介质和电流共同决定。B的单位为特斯拉(T)或Wb/m2。B和H都是磁场向量，不仅有大小，而且有方向。磁场强度和磁感应强度的关系为B=μH式中，μ为磁导率，是材料的特性常数，表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下，材料内部的磁通量密度(见图3.3(b))。μ的单位为亨/米(H/m)。在真空中(见图3.3(a))，磁感应强度为B0=μ0H式中，μ0为真空磁导率，它是一个普适常数，其值为4π×10-7H/m。5描述固体材料磁性的参数有相对磁导率μr，磁化强度M和磁化率χ。相对磁导率μr是材料的磁导率μ与真空磁导率μ0之比。单位体积的磁矩称为磁化强度，用M表示，即M为在外磁场日的作用下，材料中因磁矩沿外场方向排列而使磁场强化的量度。M的大小与外磁场强度成正比：M=χHχ称为磁化率，也是无量纲参数。考点19.物质的磁性分类考点20.磁化曲线铁磁性物质的磁化曲线(M-H或B-H)是非线性的。如图OKB曲线所示随磁化场的增加，磁化强度M或磁感强度B开始时增加较缓慢，然后迅速地增加，再转而缓慢地增加，最后磁化至饱和。Ms称为饱和磁化强度，Bs称为饱和磁感应强度。磁化至饱和后，磁化强度不再随外磁场的增加而增加将一个试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H，则M也将减小，这个过程叫退磁。但M并不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变，如图中的BC段所示。减小到零时，M=Mr(或Br=4πMr)。Mr、Br分别称为剩余磁化强度、剩余磁感强度(简称剩磁)。如果要使M=0(或B=0)，则必须加上一个反向磁场以，称为矫顽力。通常把曲线上的CD段称为退磁曲线。从这里可以看出，退磁过程中M的变化落后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。6考点21.磁弹性能物体在磁化时要伸长（或收缩），如果受到限制，不能伸长（或收缩），则在物体内部产生压应力（或拉应力）。这样，物体内部将产生弹性能，称为磁弹性能。因此，物体内部缺陷、杂质等都可能增加其磁弹性能。考点22.技术磁化包含着两种机制：壁移磁化和畴转磁化。壁移磁化：在有效场作用下，自发磁化方向接近于H方向的磁畴长大，而与H方向偏离较大的近邻磁畴相应缩小，从而使畴壁发生位置变化其实质是：在H作用下，磁畴体积发生变化，相当于畴壁位置发生了位移。磁畴转动磁化过程：在H≠0时，铁磁体磁畴内所有磁矩一致向着H方向转动的过程。外磁场的作用是导致磁畴转动的根本原因及动力（即H≠0时，总自由能将发生变化，其最小值方向将重新分布，磁畴的取向也会由原来的方向——向H方向转动）考点23.改善铁磁材料磁导率的方法有：①消除铁中的杂质；②把晶粒培育到很大的尺寸；③造成再结晶织构，即在再结晶时使晶体的易轴(100)沿外磁场排列起来；④退火时在一定方向施加磁场，并在冷却过程中使磁场从居里点保持到材料只有很低范性的低温，这就是磁场中的退火。考点24.软磁材料容易磁化和退磁的磁性材料称为软磁材料，即这类材料的磁滞回线很窄。其特点是矫顽力低，磁导率高，每周期的磁滞损耗(Q)小。它可分为金属软磁材料和非金属软磁材料。考点25.思考题1、试说明下列磁学参量的定义和概念：磁化强度、矫顽力、饱和磁化强度、磁导率、磁化率、剩余磁感应强度、磁各向异性常数、饱和磁致伸缩系数。a、磁化强度：一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积内磁矩的多少来衡量，成为磁化强度Mb、矫顽力Hc：一个试样磁化至饱和，如果要μ=0或B=0，则必须加上一个反向磁场Hc，成为矫顽力。c、饱和磁化强度：磁化曲线中随着磁化场的增加，磁化强度M或磁感强度B开始增加较缓慢，然后迅速增加，再转而缓慢地增加，最后磁化至饱和。Ms成为饱和磁化强度，Bs成为饱和磁感应强度。d、磁导率：μ=B/H，表征磁性介质的物理量，μ称为磁导率。e、磁化率：从宏观上来看，物体在磁场中被磁化的程度与磁化场的磁场强度有关。M=χ·H，χ称为单位体积磁化率。f、剩余磁感应强度：将一个试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H，则M也将减少，但M并不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变，当H减少到零时，M=Mr或Br=4πMr。（Mr、Br分别为剩余磁化强度和剩余磁感应强度）g、磁滞消耗：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q（J/m3）h、磁晶各向异性常数：磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差代表磁晶各向异性能，用Ek表示。磁晶各向异性能是磁化矢量方向的函数。i、饱和磁致伸缩