電子材料期末總結

1、電子材料期末總結固體物理學部分固體物理學是電子材料物理的理論基礎1、電子材料的結晶狀態(tài)分類：晶體：長程有序 有固定熔點非晶體：短程有序 沒有固定熔點準晶體：有準周期性 無長程有序性2、電子材料的學科領域：1）、半導體材料2）、電介質(zhì)材料3）、磁性材料4）、金屬材料5）、超導材料其中半導體材料又包括光電材料、溫差電阻材料、集成電路材料、太陽能電池；磁性材料包括：軟磁材料、硬磁材料、磁記錄材料。第一章 晶體結構1、七大晶系：三斜、單斜、立方、四方、正交、三角、六角。十四種布拉伐格子，32種點群，230種空間群。2、晶列和晶面指數(shù)晶列：通過一格點可以有無限 多個晶列，其中每一晶列都有一族平行的晶列與

2、之對應，在一平面中，同族的相鄰晶列之間的距離相等。晶面指數(shù)：晶體內(nèi)三個非共線結點組成的平面，同族晶面中，相鄰兩晶面的距離。通常用彌勒指數(shù)表示。3、倒格子 倒格子并非物理上的格子，只是一種數(shù)學處理方法，它在分析與晶體周期性有關的各種問題中起著重要作用。倒格子基矢與正格子基矢的關系：計算表明fcc的倒格子是bcc，bcc的倒格子是fcc。4、倒格矢的性質(zhì)： 是密勒指數(shù)為 所對應的晶面族的法線。其中：5、倒易點陣和布里淵區(qū)在倒易點陣中，以某一格點為坐標原點，做所有倒格矢的垂直平分面，道義空間被這些平面分成許多包圍原點的多面體區(qū)域，這些區(qū)域稱做布里淵區(qū)，其中最靠近原點的平面所圍成的區(qū)域稱做第一布里淵區(qū)

3、。倒易點陣和14種晶體點陣是一一對應的，因此，只有14種類型的倒易點陣和14中不同形狀的第一布里淵區(qū)。第一布里淵區(qū)的形狀只與晶體的布拉伐點陣的幾何性質(zhì)有關，與晶體的化學成分、晶胞中的原子數(shù)目無關。6、布拉格定律：7、布拉格定律的應用：1）、用已知波長的X射線去照射晶體，通過衍射角的測量求得晶體中各晶面的晶面間距d，這就是結構分析X射線衍射學；2）、用一種已知面間距的晶體來反射從試樣發(fā)射出來的X射線，通過衍射角的測量求得X射線的波長，這就是X射線光譜學。該法除可進行光譜結構的研究外，從X射線的波長還可確定試樣的組成元素。8、系統(tǒng)消光（或結構振幅）定義結構振幅為F：各種晶胞的結構振幅：Bcc結構：

4、a. 當H+K+L=奇數(shù)時，F(xiàn)=0 b當H+K+L=偶數(shù)時，F(xiàn)=4ffcc結構：h+k=2n，k+l=2n，l+h=2n，F(xiàn)=4f簡單立方：該種點陣其結構因數(shù)與HKL無關，即HKL為任意整數(shù)時均能產(chǎn)生衍射。9、晶體結構金屬晶體：金屬鍵；無方向性；原子呈圓球狀密堆積 共價晶體的晶體結構：共價鍵方向性、飽和性， 配位數(shù)和方向受限制（配位須成鍵）分子晶體的晶體結構：組元為分子范氏力和氫鍵。離子晶體的晶體結構：離子鍵，無方向性。其他幾種材料結構：非晶體、準晶體、液晶體。10、典型晶體結構：配位數(shù)：指晶體結構中與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù),表征晶體中原子排列的緊密程度。（離子的配位數(shù)越高，離子半徑越

5、大。）密堆度(APF)：是晶胞中原子所占的體積分數(shù) APFnv/V式中n為晶胞中的原子數(shù)，v單個原子的體積，V晶胞的體積。原子個數(shù)配位數(shù)密堆度Bcc280.68Fcc4120.74Hcp2120.7411、晶體中的固溶現(xiàn)象定義：凡溶質(zhì)原子完全溶于固態(tài)溶劑中，并能保持溶劑元素的晶格類型所形成的物質(zhì)相稱為固溶體。固溶體的分類：1）、 根據(jù)外來組元在主晶相中所處位置 ，可分為置換固溶體和間隙固溶體。2）、按外來組元在主晶相中的固溶度，可分為連續(xù)型(無限型)固溶體和有限型固溶體。影響因素：1）、原子或離子尺寸的影響 2）、晶體結構類型的影響 3）、離子類型和鍵性的影響 4）、電價因素影響12、晶體中原

6、子的兩種堆垛方式六方密堆：(0001)面沿0001方向逐層堆垛而成，其剛球模型原子按ABABAB排列。立方密堆: 第一層與第二層與密排六方完全相同，第三層不與第一層重合，而是占據(jù)第一層的另三個三角形間隙，形成ABCABC順序堆垛。第二章 金屬電子論2.1 Sommerfeld的自由電子論1、自由電子模型1）、電子在一有限深度的方勢阱中運動，電子間的相互作用可忽略不計； 2）、電子按能量的分布遵從FermiDirac統(tǒng)計； 3）、電子的填充滿足Pauli不相容原理；4）、電子在運動中存在一定的散射機制。2、在k空間中，電子態(tài)的分布是均勻的，只與金屬的體積有關；在k空間中，電子的能態(tài)密度并不是均勻

7、分布的，電子能量越高，能態(tài)密度就越大。3、FermiDirac統(tǒng)計由于電子的填充必須遵從Pauli原理，所以，當T=0 K時，在 k空間中，電子從能量最低的原點開始填起，能量由低到 高逐層向外填充，其等能面為球面，一直到所有電子都填完為止。由于等能面為球面，所以，在k空間中，電子填充的部分為球體，稱為Fermi球。將Fermi球的表面稱為Fermi面，F(xiàn)ermi面所對應的能量稱為Fermi能EF0。費米能：費米半徑：費米動量：費米速度：FermiDirac分布函數(shù)：系統(tǒng)的自由電子總數(shù)為：其中N(E)為能態(tài)密度：，結論與討論：1）、常溫下可以不必考慮電子熱容量的貢獻。2）、對電子Pauli順磁有

8、貢獻的并不是金屬所有的自由電子，而只是在費米面附近的一小部分電子。2.2 Sommerfeld展開式及其應用在定量計算金屬性質(zhì)時，常會遇到以下形式的積分：和，這里，f(E)為FD分布函數(shù)，這種積分不能用精確的解析表達式積出，因而給定量計算金屬的性質(zhì)帶來困難。因此，我們對上述積分進行近似處理。2.3 功函數(shù)和接觸電勢1、實驗表明，熱電子發(fā)射的電流密度為：上式稱為RichardsonDushman公式，其中，A為常數(shù)，W為功函數(shù)（或脫出功），即電子逸出金屬所需克服的勢壘。2、不同的金屬有不同的功函數(shù)，由于熱膨脹，W是溫度的函數(shù)。2.4 Hall效應1、定義：將一通電的導體放在磁場中，若磁場方向與電

9、流方向垂直，那么，在第三個方向上會產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象稱為Hall效應。2、由Hall系數(shù)的測量不僅可以判斷載流子的種類（帶正電還是帶負電），而且還是測量載流子濃度的重要手段。載流子濃度越低，Hall系數(shù)就越大，Hall效應就越明顯。2.5 自由電子模型的局限性1、根據(jù)自由電子論，金屬的電導率sµ 電子密度n，但為什么電子密度較大的二價金屬（如Be、Mg、Zn、Cd等）和三價金屬（如Al、In等）的電導率反而低于一價金屬（如Cu、Ag、Au等）；2、自由電子論無法解釋為什么有些金屬的Hall系數(shù)會大于0（如Al、In、Zn、Cd等）；3、 自由電子論不能解釋為什么電子的平均自由程l會

10、比相鄰原子間距大得多；4、自由電子論不能解釋為什么固體材料會分成導體、半導體和絕緣體；5、自由電子論認為金屬費米面的形狀為球面，但是，實驗結果表明，在通常情況下，金屬費米面的形狀都不是球面。因此，為了解決這些困難，我們需要考慮電子與晶格之間的相互作用的更復雜的理論。第三章 能帶理論產(chǎn)生的背景：由于Sommerfeld自由電子近似在處理金屬問題時遺留了許多問題，這樣便需要一個更為先進的理論來解決金屬中的問題，所以能帶論就產(chǎn)生了，能帶論中的電子運動受到晶格勢的作用，不再只是在一個原則周圍運動，而是可以在整個固體中運動。兩個基本假設：1）、BornOppenheimer絕熱近似：所有原子核都周期性地

11、靜止排列在其格點位置上，因而忽略了電子與聲子的碰撞。2）、HatreeFock平均場近似：即假設每個電子所處的勢場完全相同，電子的勢能只與該電子的位置有關，而與其他電子的位置無關。3.1 Bloch定理1、在周期性勢場中，電子波函數(shù)是布洛赫函數(shù)：，這里，uk(r) = uk(r+Rl) 是以格矢Rl為周期的周期函數(shù)。2、Bloch函數(shù)具有類似行進平面波的形式。3.2 一維周期場中電子運動的近自由電子近似1、近自由電子近似：在周期場中，電子的運動幾乎是自由的，我們可以把自由電子看成是它的零級近似，而將周期場的影響看成小的微擾。3.3 緊束縛近似（TBA）1、背景：由于近自由電子近似只能處理金屬中

12、的價電子，對內(nèi)層電子無能為力，事實上內(nèi)層電子受到原子實強烈的束縛作用。2、定義： 當晶體中原子的間距較大，因而原子實對電子有相當強的束縛作用。因此，當電子距某個原子實比較近時，電子的運動主要受該原子勢場的影響，這時電子的行為同孤立原子中電子的行為相似。這時，可將孤立原子看成零級近似，而將其他原子勢場的影響看成小的微擾。這種方法稱為緊束縛近似 (Tight Binding Approximation)。3、原子能級與能帶的對應對于原子的內(nèi)層電子，形成的能帶較窄，原子能級與能帶之間有簡單的一一對應關系。對于原子外層電子，形成的能帶就較寬，原子能級與能帶之間就比較復雜，不一定有簡單的一一對應關系，可

13、能會出現(xiàn)能帶的重疊。磁性材料部分1.磁性材料的物理基礎 物質(zhì)的磁性、磁性的基本物理量2.磁性材料的分類 軟磁材料、永磁材料、磁記錄材料 3.磁性材料的基本性能與應用1、物質(zhì)的磁性：原子磁矩包括電子軌道磁矩和電子自旋磁矩Pl =，Ps =物質(zhì)磁矩等于所以原子磁矩的和。2、基本磁性參量磁場強度、磁化強度(M )、磁感應強度(B )、磁導率和磁化率、3、物質(zhì)磁性分類：順磁性：起因于原子或分子磁矩，在外加磁場作用下趨于沿外場方向排列，使磁質(zhì)沿外場方向產(chǎn)生一定強度的附加磁場，順磁性是一種弱磁性?？勾判裕菏怯捎谕獯艌鲎饔孟拢觾?nèi)的電子軌道繞場向運動，獲得附加的角速度和微觀環(huán)形電流，從而產(chǎn)生與外磁場方向相

14、反的感生磁矩?？勾判裕菏怯捎谕獯艌鲎饔孟?，原子內(nèi)的電子軌道繞場向運動，獲得附加的角速度和微觀環(huán)形電流，從而產(chǎn)生與外磁場方向相反的感生磁矩。亞鐵磁性：起因于原子或分子磁矩，在外加磁場作用下趨于沿外場方向排列，使磁質(zhì)沿外場方向產(chǎn)生較高強度的附加磁場。反鐵磁性：起因于原子或分子磁矩，在外加磁場作用下趨于沿外場方向排列，使磁質(zhì)沿外場方向產(chǎn)生一定強度的附加磁場。4、磁各向異性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。包括：磁晶各向異性，形狀各向異性，感生各向異性和應力各向異性等。5、磁性材料磁化過程中發(fā)生沿磁化方向伸長(或縮短)，在垂直磁化方向上縮短(或伸長)的現(xiàn)象，叫做磁致伸縮。6、每一個磁矩取向一

15、致的自發(fā)磁化區(qū)域就叫做一個磁疇。7、磁化過程：磁性材料在外磁場作用下由宏觀的無磁狀態(tài)轉變?yōu)橛写艩顟B(tài)的過程。磁化是通過磁疇的運動來實現(xiàn)。8、磁性材料的穩(wěn)定性（1）溫度穩(wěn)定性：磁性能隨溫度的變化。（2）時間穩(wěn)定性：在某一特定工作環(huán)境下長期工 作過程中磁性隨時間的變化。 （3）化學穩(wěn)定性：在腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中磁性隨時 間的變化。9、磁性材料分類:軟磁材料 Hc<100A/m(1.25 Oe)半硬磁材料 Hc :1001000A/m(1.2512.5Oe)硬（永）磁材料 Hc>1000A/m(12.5Oe)第一章 軟磁材料1、定義：能夠迅速響應外磁場的變化，能低損耗地獲得高磁感應強度，既容易

16、受外加磁場磁化和退磁的材料。2、用途：變壓器、電機、電感與繼電器的鐵(磁)心；磁頭與磁記錄介質(zhì)；計算機磁心等。3、對軟磁材料的基本要求有：a. 初始磁導率µi和最大磁導率µ max要高；b.飽和磁感應強度Ms要高c. 矯頑力Hc??；d. 功率損耗P要低；e. 高的穩(wěn)定性4、提高起始磁導率的途徑: 必要條件：提高Ms并降低K1、s ：的值。充分條件：降低雜質(zhì)濃度，提高密度，增大晶粒尺寸，結構均勻化，消除內(nèi)應力和氣孔的影響。這都與配方的選擇和工藝條件密切相關。5、金屬軟磁材料包括：1）、電工純鐵 2）、硅鋼 3）、坡莫合金 4）、其他軟磁合金 6、鐵氧體的制備方法：鹽類分解法、

17、化學共沉淀法、熱壓法等。7、非晶態(tài)軟磁材料：高磁導率和低矯頑力，磁各向同性；渦流損耗小；強度較高且硬度較高；抗化學腐蝕能力強。第二章 磁記錄材料1、用途：磁帶，磁盤等。2、要求：材料具有高的剩余磁化強度、陡的B-H曲線、大的B/H值、微細的粒子尺寸、粒子磁性的一致性及合適的矯頑力值。第三章 永磁材料1、用途：提供永磁場。2、主要性能要求：高的磁能積，高的轎頑力，高的居里點，高穩(wěn)定性，好的經(jīng)濟性。3、主要種類：鋁鎳鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、鐵鉻鈷系永磁合金、稀土永磁材料和復合粘結永磁材料。4、主要永磁材料1）、鋁鎳鈷系合金2）、永磁鐵氧體3）、鐵鉻鈷系合金5、永磁體的制備方法主要包括鑄造法、粉末

18、冶金(燒結)法和粘結法。材料的介電性質(zhì)部分第一節(jié) 介質(zhì)的極化1、 極化的定義：介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點（原子、分子、離子）正負電荷重心的分離，從而轉變成偶極子的過程。2、 極化率:3、 極化強度P：4、 電介質(zhì)極化系數(shù)：P=0E5、 克勞修斯-莫索蒂方程：宏觀介電常數(shù)r與微觀極化率之間的關系。6、 介質(zhì)極化類型：電子極化、離子極化、偶極子轉向極化、空間電荷極化和自發(fā)極化等。7、 極化基本形式：1）位移式極化 2）松弛極化 3）轉向極化 4）空間電荷極化 5）自發(fā)極化8、 介電常數(shù)的溫度系數(shù)：指隨溫度變化，介電常數(shù)的相對變化率。第二節(jié) 電介質(zhì)的損耗1、 定義：電場作用下的能量損耗，由電能轉變?yōu)槠渌问降哪?，如熱能、光能等，統(tǒng)稱為介質(zhì)損耗。2、 介質(zhì)損耗的形式：1）電導損耗 2）極化損耗 3）游離損耗3、 復介電常數(shù)的意義是：電介質(zhì)在交變電場作用下，電位移D或極化強度P將比電場強度E落后相角，此時的介電常數(shù)用復介電常數(shù) * 表示。4、 介質(zhì)弛豫：在外電場施加或移去后，系統(tǒng)逐漸達到平衡狀態(tài)的過程叫介質(zhì)弛豫。5、 直流電壓下，介質(zhì)損耗功率p，6、 介質(zhì)損耗受