材料物理性能1

1、材料物理性能Physical Properties of Materials 主 講：胡木林E-Mail: 2013年02月緒言 本課程的特點(diǎn)： 本課程的內(nèi)容： 教學(xué)安排： 學(xué)習(xí)本課程的要求： 教材及參考文獻(xiàn)：材料物理性能課程特點(diǎn) 背景材料是人類(lèi)社會(huì)生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料、信息和能源當(dāng)今世界的三大支柱。材料：概念廣泛而抽象，在實(shí)際生活中則是具體而生動(dòng)的，往往體現(xiàn)在每一應(yīng)用典范上，以某一特定性能呈現(xiàn)在人們面前。性能的體現(xiàn)：力學(xué)性能（機(jī)械性能）、電學(xué)性能、光學(xué)性能、磁學(xué)性能、熱學(xué)性能和聲學(xué)性能等。分類(lèi)：結(jié)構(gòu)材料和功能材料材料物理性能課程特點(diǎn) 前景高技術(shù)發(fā)展對(duì)材料的性能要求不斷提高；材料設(shè)計(jì)技術(shù)

2、正在興起智能材料；材料研究的一種方法揭示材料物理性能的物理本質(zhì)，物理性能與材料成分、結(jié)構(gòu)工藝過(guò)程的關(guān)系及環(huán)境穩(wěn)定性。材料物理性能課程內(nèi)容 初步介紹材料的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)及彈性和內(nèi)耗性能的物理本質(zhì)； 描述這些性能與材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、工藝過(guò)程的關(guān)系及變化規(guī)律； 介紹與物理性能相關(guān)的特殊材料； 介紹與這些物理性能相關(guān)的測(cè)試技術(shù)與分析方法。2013 春季季春季季材料物理性能材料物理性能課程教學(xué)計(jì)劃課程教學(xué)計(jì)劃 2013 Date Outline02/23緒言緒言; 材料物理性能的固體物理學(xué)基礎(chǔ)（簡(jiǎn)介）材料物理性能的固體物理學(xué)基礎(chǔ)（簡(jiǎn)介）02/25材料的電性能：材料的電性能： 電子類(lèi)載流子導(dǎo)電

3、；離子類(lèi)載流子導(dǎo)電電子類(lèi)載流子導(dǎo)電；離子類(lèi)載流子導(dǎo)電03/02半導(dǎo)體及超導(dǎo)體；電性能測(cè)量及其應(yīng)用舉例半導(dǎo)體及超導(dǎo)體；電性能測(cè)量及其應(yīng)用舉例03/04材料的介電性能：電介質(zhì)及其極化材料的介電性能：電介質(zhì)及其極化03/09壓電性；鐵電性；介電測(cè)量壓電性；鐵電性；介電測(cè)量03/11材料光學(xué)性能：光和固體的相互作用材料光學(xué)性能：光和固體的相互作用 03/16材料光學(xué)性能：電材料光學(xué)性能：電-光效應(yīng)、光折變效應(yīng)光效應(yīng)、光折變效應(yīng)03/18材料光學(xué)性能：材料光學(xué)性能： 非線性光學(xué)效應(yīng)非線性光學(xué)效應(yīng)03/23材料的磁性能：磁學(xué)基本量及磁性分類(lèi)；鐵磁性材料的磁性能：磁學(xué)基本量及磁性分類(lèi)；鐵磁性03/25磁性材

4、料的磁化及其動(dòng)態(tài)特征磁性材料的磁化及其動(dòng)態(tài)特征03/30磁性材料；磁性測(cè)量及其在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用磁性材料；磁性測(cè)量及其在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用04/01材料的熱性能：材料的熱容、導(dǎo)熱性；材料的熱性能：材料的熱容、導(dǎo)熱性；04/06 材料的熱性能：熱電性材料的熱性能：熱電性04/0804/1304/15本課程學(xué)習(xí)要求： 建議先修課程：普通物理、物理化學(xué)、固體物理(或材料物理) 及相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)（張量、矩陣） 本課程：掌握材料物理性能的基本參數(shù)的物理意義及其本質(zhì)；熟練掌握材料物理參數(shù)與成分、結(jié)構(gòu)的關(guān)系及影響因素，為設(shè)計(jì)新材料和材料改性打下一定基礎(chǔ)；熟練掌握材料物理性能的測(cè)量方法及其分析方法。材

5、料物理性能教材及參考資料 教材及參考資料 ： 1 材料物理性能，田 蒔 主編，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004年 2 無(wú)機(jī)材料物理性能，關(guān)振鐸，張中太，焦金生，清華大學(xué)出版社3 晶體的物理性質(zhì)，J. F. Nye，孟中巖等譯，西安交通大學(xué)出版社，1994年 3 Properties of Materials, Mary Anne White, Oxford University Press4 功能材料學(xué)，周馨娥，北京理工大學(xué)出版社5 半導(dǎo)體物理學(xué)，李名復(fù)等，科學(xué)出版社6 電介質(zhì)物理學(xué)，殷之文，科學(xué)出版社7 鐵電體物理學(xué)，鐘維烈，科學(xué)出版社8 鐵電與壓電材料，許煜寰，科學(xué)出版社9 鐵磁學(xué)，

6、戴道生，錢(qián)昆明，科學(xué)出版社第一章 固體中電子能量結(jié)構(gòu)主講：胡木林2013年02月材料物理性能1.1 概述 材料的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等性能是由物質(zhì)不同層次的結(jié)構(gòu)所決定的。例如：電子能帶結(jié)構(gòu)的不同性質(zhì)決定了材料的導(dǎo)電性差異良導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電介質(zhì)和超導(dǎo)體；材料的磁性決定于原子中次殼層電子是否填滿以及它們之間的“交換作用”產(chǎn)生不同原子取向的結(jié)果抗磁體、順磁體和鐵磁體；微觀結(jié)構(gòu)的差異，材料的鐵磁性中又分為永磁、軟磁、矩磁和旋磁；材料物理性能固體中電子能量結(jié)構(gòu)和狀態(tài) 材料的物理性能強(qiáng)烈地依賴于材料原子間的鍵合、晶體結(jié)構(gòu)和電子能量結(jié)構(gòu)與狀態(tài)。 而原子間的鍵合方式、晶體結(jié)構(gòu)影響固體的電子能量結(jié)

7、構(gòu)和狀態(tài)。 對(duì)固體電子能量結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的認(rèn)識(shí)分為三個(gè)階段：經(jīng)典自由電子學(xué)說(shuō)、量子自由電子學(xué)說(shuō)和現(xiàn)代能帶理論。材料物理性能固體中電子能量結(jié)構(gòu)和狀態(tài)1.2 經(jīng)典自由電子學(xué)說(shuō) 該學(xué)說(shuō)認(rèn)為：金屬原子聚集成晶體時(shí)，其價(jià)電子脫離相應(yīng)原子的束縛，在金屬晶體中自由運(yùn)動(dòng)，如同氣體分子一樣服從Maxwell-Boltzmann分布：歐姆定律：在電場(chǎng)E作用下，自由電子受力為材料物理性能固體中電子能量結(jié)構(gòu)和狀態(tài) TkmvvTkmNvNBB2exp24222/3maeEfEmea 電子不斷地被加速到速度v，然后與離子發(fā)生碰撞，其中平均速度：兩次碰撞中，平均自由程為因此，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的電量為：材料物理性能固體中電子能量結(jié)

8、構(gòu)和狀態(tài)meEvmeEv2VlEVml ev2EVmlne221.3 Fermi-Sommerfeld 電子理論 該學(xué)說(shuō)認(rèn)為：金屬原子聚集成晶體時(shí)，其價(jià)電子脫離相應(yīng)原子的束縛，在金屬晶體中自由運(yùn)動(dòng)，但服從Fermi-Dirac的量子統(tǒng)計(jì)分布：自由電子的運(yùn)動(dòng)波函數(shù)，可用Schrodinger方程求解，定態(tài)Schrodinger方程的一般式：材料物理性能固體中電子能量結(jié)構(gòu)和狀態(tài) 1exp1TkEEEfBF0222UEhm一維勢(shì)阱模型：晶體內(nèi)勢(shì)能（x）=0，邊界條件（）=（L）=定態(tài)Schrodinger方程：其中，因此，通解為：材料物理性能固體中電子能量結(jié)構(gòu)和狀態(tài)082222hmEdxd222mh

9、E 02222dxdxBxA2sin2cos 結(jié)合邊界條件，可得：n只能取正整數(shù)，自由電子的能量是不連續(xù)的，即量子化。材料物理性能固體中電子能量結(jié)構(gòu)和狀態(tài) xLnBLxsin/22228nmLhEn 三維勢(shì)阱模型：晶體內(nèi)勢(shì)能（x,y,z）=0，邊界條件（,y,z）=（L,y,z）= （x,0,z）=（x,L,z）= （x,y,0）=（x,y,L）=定態(tài)Schrodinger方程：求解可得到，材料物理性能固體中電子能量結(jié)構(gòu)和狀態(tài)0822222222hmEzyx222228zyxnnnnmLhE 能級(jí)的簡(jiǎn)并態(tài)，可求得能級(jí)密度Z(E)為，根據(jù)Fermi-Dirac的量子統(tǒng)計(jì)分布，計(jì)算Fermi能為：T=0K時(shí)，材料物理性能固體中電子能量結(jié)構(gòu)和狀態(tài)222228zyxnnnnmLhE 2/12/32222EhmVdEdNEZ3/22208/32nmLhEFT0K時(shí)，金屬在熔點(diǎn)以下，只有能量在附近kT范圍內(nèi)的電子，吸收能量從以下能級(jí)跳到以上能級(jí)。材料物理性能固體中電子能量結(jié)構(gòu)和狀態(tài)2020121FFFEkTEEFEFEFE1.4 晶體能帶理論 該學(xué)說(shuō)認(rèn)為：電子是在晶體中所有格點(diǎn)上離子和其他所有電子共同產(chǎn)生的周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，勢(shì)能是位置的函數(shù)，而非常數(shù)。材料物理性能固體中電子能量結(jié)構(gòu)和狀態(tài)Energy splittingof the 1 sand 2