材料分析方法

1、第一章材料的電子結構與物理性能1. 1.主量子數(shù) n (n =1、2、3、4) 主量子數(shù)確定核外電子離原子核的遠近和能級的高低。 2.次量子數(shù) l (l = 0、1、2、3) 次量子數(shù)反映的是電子軌道的形狀。 在由主量子數(shù)n確定的同一主殼層上的電子的能量有差異，可分成若干個能量水平不同的亞殼層，其數(shù)目隨主量子數(shù)而定，習慣上以s、p、d、f 表示 。 3.磁量子數(shù)m (m = 0、±1、±2、±3) 磁量子數(shù)表示電子云在空間的伸展方向，它確定軌道的空間取向。 4.自旋量子數(shù)ms (ms = +1/2、-1/2) 自旋量子數(shù)表示在每個狀態(tài)下可以存在自旋方向相反的兩個電

2、子。2. 三個基本原理：泡利不相容原理 在一個原子中不可能存在四個量子數(shù)完全相同（即運動狀態(tài)完全相同）的兩個電子?；蛘?，在同一個原子中，最多只能有兩個電子處在同樣能量狀態(tài)的軌道中，而且這兩個電子的自旋方向必定相反。 最低能量原理 電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)。 最多軌道規(guī)則（洪特規(guī)則） 相同能量的軌道（也稱等價軌道）上分布的電子將盡可能分占不同的軌道，而且自旋方向相同。 作為洪特規(guī)則的特例，對于角量子數(shù)相同的軌道，當電子層結構為全充滿、半充滿或全空的狀態(tài)是比較穩(wěn)定的。即：全充滿: p 6或d 10或f 14 ；半充滿: p 3或d 5或f 7 ； 全空: p 0或d

3、0或f 0 。3.能帶的形成p10：各個原子的能級因電子云的重疊產(chǎn)生分裂現(xiàn)象。能級分裂后，其最高和最低能級之間的能量差只有幾十個eV。 電子的能量或能級幾乎就是連續(xù)變化的，于是形成了能帶。能帶之間也存在著一些無電子能級的能量區(qū)域，稱為禁帶或能隙。4金屬的能帶結構重要概念：滿帶：被電子填滿的能帶。空帶：沒有被電子填充的能帶。價帶：被價電子占據(jù)的能量最高的能帶。導帶：價帶以上的空帶。5.6. 金屬的電阻率與溫度的關系一般而言，金屬的電阻率與溫度的關系是線性的，且具有正的溫度系數(shù)，即隨著溫度上升，電阻率增加。 原理：由于晶體熱擾動的強度隨溫度的上升而成比例地增加，減少了晶體的規(guī)則性而使電子的平均自由

4、程減小，從而減小了金屬中電子的遷移率m，使電阻率增大。7. 8. 9. 半導體導電特性的兩個顯著的特點：半導體的電導率對材料的純度的依賴性極為敏感。電阻率受外界條件（如熱、光等）的影響很大。 本征半導體的電荷遷移率 本征半導體的電導率與溫度的關系 當溫度升高，價帶中電子熱運動加劇，使電子能夠獲得更高的能量，從而使躍遷到導帶的電子數(shù)增加，電荷載流子數(shù)隨之增加，最終使電導率增大。本征半導體的電導率：10. 例：有某種半導體，實驗測出其在20°C下的電導率為250W-1·m-1，100°C時為1100W -1·m-1，問能隙Eg有多大？已知：玻耳茲曼常數(shù)：k1

5、.3805×10-23J/K，電子電荷：q1.6021×10-19C。11.12. p17-18解釋圖1.8 施主耗盡： 在n型半導體中，當溫度升高時，有越來越多的施主雜質電子能克服Ed進入導帶，最后直到所有雜質電子全部進入導帶，即出現(xiàn)施主耗盡。 施主耗盡出現(xiàn)時，n型半導體的電導率將不再發(fā)生變化。13. 零電阻效應（R0） 材料在某一溫度下突然失去電阻的現(xiàn)象，稱為零電阻效應。 邁斯納效應（B0） 處于超導態(tài)的物體完全排斥磁場，即磁力線不能進入超導體內部，這一特征叫完全抗磁性或邁斯納效應。超導體的臨界參數(shù)臨界溫度Tc臨界溫度即超導轉變溫度臨界磁場Hc將可以破壞超導態(tài)的最小磁場

6、，稱為臨界磁場。臨界電流Ic（臨界電流密度Jc）將產(chǎn)生臨界磁場的電流，即超導態(tài)允許流動的最大電流，稱為臨界電流。 14. 兩超導體中間的絕緣層能讓超導電流通過的現(xiàn)象，稱為超導隧道效應。15.沿電場方向產(chǎn)生電偶極矩或電偶極矩的改變，這種現(xiàn)象稱為電解質的極化極化機制電介質極化的三種主要基本過程：電子極化，離子極化，轉向極化微波爐工作原理？被加熱的介質一般可分為無極性分子電介質和有極性分子電介質。有極性分子在沒有外加電場時不顯示極性。若外加的是交變電場和磁場，極性分子將被反復交變磁化，交變電場的頻率越高，極性分子反復轉向的極化也就越快。此時，分子熱運動的動能增大，也就是熱量增加，食物的溫度也隨之升高

7、，便完成了電磁能向熱能的轉換。16. 極化強度的物理意義：電介質單位體積內電偶極矩的矢量和。電介質的極化強度：電介質中一個中性分子的電偶極矩：q 分子中正電荷的總量； l 正負電荷重心之間的位矢，由負電荷重心指向正電荷重心。17. 18. 電介質在交變電場作用下，以發(fā)熱的形式而耗散能量的現(xiàn)象稱為介電損耗。產(chǎn)生介電損耗的原因： 電介質中微量雜質而引起的漏導電流； 極化取向與外加電場由于相位差而產(chǎn)生的極化電流損耗。19. 固有磁矩與電子結構的關系： 當原子中某一電子層被電子填滿時，該層的電子軌道磁矩互相抵消，該層的電子自旋磁矩也相互抵消，即該層的電子磁矩對原子的磁矩沒有貢獻。如果原子中所有電子層全

8、被電子填滿（如惰性元素），則凈磁矩為零。此時稱該元素不存在固有磁矩。因此，能顯示固有磁矩的，必然是那些電子殼層未被填滿的元素。兩種情況的分析：內層全部填滿電子，外層未填滿電子，即有外層價電子內層未填滿電子20.21.磁性的分類P34 用磁疇解釋磁滯回線22. 自發(fā)磁化是鐵磁性物質的自旋磁矩在無外加磁場條件下自發(fā)地取向一致的行為。磁疇是指磁性材料內部磁矩方向和大小各不相同的小區(qū)域。23. 鐵磁性物質在交變磁場中工作時要發(fā)生能量損耗，稱為鐵芯損耗，簡稱鐵損或磁損。 鐵損一般包括三個部分，即渦流損耗Pe、磁滯損耗Ph和剩余損耗Pr24.判斷一定頻率的光是吸收還是透過？hv>Eg,吸收。hv&l

9、t;Eg，透過。25. 發(fā)光的特征發(fā)光的第一個特征顏色發(fā)光的第二個特征強度：發(fā)光的第三個特征發(fā)光持續(xù)時間：發(fā)光的種類：熒光，磷光，激光26. 例：ZnS的能隙為3.54eV，要激發(fā)ZnS的電子需要光子的波長是多少？如在ZnS中加入雜質，使之在導帶下的1.38eV處產(chǎn)生一能量陷阱，試問發(fā)光時的波長是多少？已知：普朗克常數(shù)h6.62×10-34J/s，光速c3×108m·s-1，電子電荷q1.6×10-19C。27. 激光的產(chǎn)生的原理 材料在外界光子的作用下，電子從基態(tài)E1躍遷到激發(fā)態(tài)E2，產(chǎn)生光的吸收；而處于激發(fā)態(tài)E2的電子返回到基態(tài)E1，它就會以放出一個

10、光子的形式輻射能量條件：1受激輻射 2粒子數(shù)反轉28.29.光生伏特效應光照射到半導體的p-n結上時，在p-n結的兩端會出現(xiàn)電勢差，p區(qū)為正極，n區(qū)為負極。這一電勢差可以用高內阻的電壓表測量出來，這種效應稱為光生伏特效應，簡稱光伏效應。如何產(chǎn)生電勢？當光照射到p-n結上時，只要光子能量hn >Eg，就可以在p區(qū)、n區(qū)和p-n結區(qū)激發(fā)出電子空穴對，打破原有的平衡狀態(tài)。在p-n結附近區(qū)域產(chǎn)生的電子在自建電場作用下將穿過勢壘到達n區(qū)，并積累起來。同樣，p-n結附近區(qū)域產(chǎn)生的空穴也以這樣的方式到達p區(qū)，也積累起來。這樣，在n區(qū)就積累了較多的負電荷，在p區(qū)就積累了較多的正電荷，這相當于在p-n結上

11、加上了正向電壓，即由于光照而在p-n結的兩端出現(xiàn)了電動勢（稱為光生電動勢）。30. 光電發(fā)射效應 當金屬或半導體受到光照射時，其表面和體內的電子因吸收光子能量而被激發(fā)，如果被激發(fā)的電子具有足夠的能量，足以克服表面勢壘而從表面離開，即產(chǎn)生光電發(fā)射效應。第二章電性材料1.導電率由大到?。恒y銅金鋁鎂2. 典型半導體材料的代表：元素半導體Ge（鍺）、Si（硅）Se（硒），化合物半導體 砷化鎵(GaAs)，其他化合物半導體 碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，固溶體半導體 鎵砷磷 鎵鋁砷3典型的半導體器件 1、半導體溫度計 原理：本征半導體的電導率與溫度的依賴關系：選擇適當?shù)陌雽w材料，用靈敏度足夠高的

12、儀器測出其電導率的變化，從而測定出對應的溫度。2、光敏器件 原理：具有足夠能量的光子（E >Eg）能夠激發(fā)產(chǎn)生額外的載流子，同時使半導體的電導率增大。通過檢測電導率，確定光線的強度。3、二極管P644. “半導體超晶格” 概念：使兩種或兩種以上性質不同的半導體單晶薄膜(厚度是晶格常數(shù)的幾倍到十幾倍)交替周期性生長，從而給天然材料加上一個人造周期勢場，人為改變電子的行為，最終改變半導體材料的性質。超晶格種類（1）組分超晶格（2）摻雜超晶格（3）多維超晶格（4）應變超晶格5. 高溫超導體的特征 具有變形鈣鈦礦原胞的層狀堆砌結構； 晶胞具有很強的低維特點，三個晶格常數(shù)往往相差34倍； 輸運系數(shù)

13、（電導率、熱導率等）具有明顯的各向異性； 均屬第二類超導體； 載流子濃度低，且多為空穴型導電； 隧道實驗表明存在能隙。第三章磁性材料1. 磁致伸縮效應在磁場中磁化狀態(tài)改變時，鐵磁和亞鐵磁材料引起尺寸或體積微小的變化，稱為磁致伸縮。2. 軟磁材料的特性:1矯頑力低2易磁化3易退磁軟磁材料的基本性能要求:1貯能高2靈敏度高3效率高4回線矩形比高5穩(wěn)定性好3. 硬磁材料是在磁場中被磁化后能夠顯示磁性，磁場撤除之后仍然保持較強磁性的一類鐵磁物質，又稱永磁材料、恒磁材料。硬磁材料的基本性能要求:1最大磁能積(BH )m大2磁穩(wěn)定性好4.內稟矯頑力P965.硬磁材料在磁場撤去后保持較強磁性的一般原理6.

14、磁記錄模式三種記錄模式：1、縱向（水平）記錄2、垂直記錄3、磁光記錄7. 磁記錄系統(tǒng)四個基本單元：1、存儲介質2、換能器3、傳送介質裝置4、電子線路第四章光學材料1.激光的特性P1142. 激光器的基本結構及作用3. 固體激光工作物質由激活離子和基質晶體兩部分構成。激活離子的作用：實現(xiàn)粒子數(shù)反轉?；|晶體一般是單晶體，應有良好的機械強度、良好的導熱性和較小的光彈性，對產(chǎn)生激光的吸收應接近零，且光學性能均勻4. 5. 半導體激光器產(chǎn)生激光的條件 （1）利用電流注入的少數(shù)載流子復合時放出的能量須高效率變換為光。（2）在引起反轉分布時要注入足夠濃度的載流子。（3）具備諧振器。6.直接帶隙半導體間接帶

15、隙半導體7.8. 全反射：當光從光密介質射向光疏介質，且入射角大于臨界角c時，光線被100%反射的現(xiàn)象。此時不再有折射光線，入射光的能量全部回到第一介質中。9. 光的傳輸模式 具有一定頻率、一定的偏振狀態(tài)和傳播方向的光波叫做光波的一種模式，或稱為光的一種波型。兩種模式的光纖：單模光纖：直徑僅310mm，與光波的波長相近，只允許傳輸一個模式的光波。多模光纖：直徑為幾十至上百微米，允許同時傳輸多個模式的光波。10. 光脈沖質量的劣化程度兩方面：由光學損耗引起的光脈沖振幅衰減由光學色散引起的光脈沖失真11. 12. 發(fā)光物質中發(fā)揮重要作用的物理過程：通過激活劑、敏化劑、或基質吸收能量的過程，即激發(fā)過

16、程；激活劑發(fā)光非輻射回到基態(tài)（此過程降低物質的發(fā)光效率）發(fā)光中心之間的能量轉移13. 兩種常見的磷光材料：1、鹵磷酸鹽熒光粉2、稀土三基色熒光粉14熒光燈（日光燈）發(fā)光原理：傳統(tǒng)型熒光燈內裝有兩個燈絲，燈絲上涂有電子發(fā)射材料三元碳酸鹽（碳酸鋇、碳酸鍶和碳酸鈣），俗稱電子粉。在交流電壓作用下，燈絲交替地作為陰極和陽極，燈管內壁涂有熒光粉，管內充有400Pa-500Pa壓力的氬氣和少量的汞。通電后，液態(tài)汞蒸發(fā)成壓力為0.8 Pa的汞蒸氣，在電場作用下，汞原子不斷從原始狀態(tài)被激勵成激發(fā)態(tài)，繼而自發(fā)躍遷到基態(tài)，并輻射出波長253.7nm和185nm的紫外線。熒光粉吸收紫外線的輻射能后發(fā)出可見光。15.

17、 上轉換發(fā)光：發(fā)光體在紅外光的激發(fā)下，發(fā)射可見光，這種現(xiàn)象稱為上轉換發(fā)光，這種發(fā)光體稱為上轉換發(fā)光材料。 上轉換發(fā)光的三種情況： 原子能級中存在一個中間能級，處于基態(tài)的電子在光激發(fā)下躍遷至該中間能態(tài)，并停留足夠長的時間，以致它還能吸收另一個光子而躍遷到更高的能級。電子從這個更高的能態(tài)向基態(tài)躍遷時，就發(fā)射出波長比激發(fā)光的波長更短的光。原子能級中雖沒有中間能級，但發(fā)光體可以連續(xù)吸收兩個光子，使基態(tài)電子直接躍遷到比激發(fā)光光子的能量大得更多的能級，從而發(fā)出波長更短的光。材料中有兩個敏化中心被激發(fā)，它們把激發(fā)能按先后順序或同時傳遞給發(fā)光中心，使其中處于基態(tài)的電子躍遷到比激發(fā)光光子能量更高的能級，然后弛豫

18、下來，從而發(fā)出波長短得多的光。16. 液晶的特性：性質介于晶體與液體之間具有晶體的各向異性和液體的流動性。分子之間作用力微弱。17. 液晶分子的三種排列方式：(a) 向列型；(b) 近晶型；(c) 膽甾型1、向列型液晶特點：分子的形狀呈雪茄狀，分子的長軸近于平行，分子重心隨機分布。2、近晶型液晶特點：分子的形狀呈雪茄狀，分子的長軸互相平行，且排列成層，層與層之間相互平行。分子排列較整齊，近似于晶體的排列狀況。3、膽甾型液晶特點：分子的形狀呈雪茄狀，分子分層排列，在每一層中，分子平行排列，取向一致。但相鄰兩層分子的排列方向扭轉一定的角度，因而多層分子鏈的排列方向逐層扭轉，呈現(xiàn)螺旋形結構。18.第五章功能轉換材料1. 由應力作用使材料發(fā)生電極化(即帶電)或電極化的變化的現(xiàn)象稱為正壓電效應由電場作用使材料產(chǎn)生形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應。2. 熱釋電效應是晶體因溫度變化而引起電極化的變化，即晶體表面產(chǎn)生等量異號電荷的現(xiàn)象。熱釋電效應產(chǎn)生的前提條件：晶體具有自發(fā)極化現(xiàn)象，即在晶體結構的某些方向存在固有電矩。熱釋電材料與壓電材料的比較 壓電晶體不一定有熱釋電