第1章 電磁輻射與材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

材料現(xiàn)代分析與測試技術(shù)盧輝Email：luhui40621126@126.com

2016年9月北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院0學(xué)習(xí)經(jīng)歷2012.9-2015.6北京科技大學(xué)

博士

（碩博連讀）2010.9-2012.7北京科技大學(xué)

碩士2006.9-2010.7北京科技大學(xué)

本科科研經(jīng)歷研究方向：功能材料、新能源材料。作為主要研究者參與國家自然科學(xué)基金（51272025、50872011）兩項，973計劃（2007CB936201）一項；以第一作者發(fā)表SCI論文4篇，核心論文1篇；以第二作者發(fā)表SCI論文3篇，核心論文1篇。個人簡介1實習(xí)工作獲獎情況博士研究生國家獎學(xué)金、濮耐教育基金獎學(xué)金、院學(xué)術(shù)之星、北京市優(yōu)秀畢業(yè)生；北京科技大學(xué)優(yōu)秀學(xué)生工作者、學(xué)院優(yōu)秀學(xué)生工作干部、優(yōu)秀研究生干部；校優(yōu)秀三好研究生、三好學(xué)生、優(yōu)秀校慶志愿者、優(yōu)秀博士畢業(yè)論文、本科畢業(yè)優(yōu)秀畢業(yè)論文等瑞士洛桑參加第65屆電化學(xué)年會；三年碩士研究生輔導(dǎo)員經(jīng)歷。中冶建研工程技術(shù)有限公司、唐山國豐鋼鐵有限公司、包頭鋼鐵集團(tuán)、首都鋼鐵集團(tuán)；XRD、掃描電鏡、透射電鏡操作員。個人簡介2課程簡介材料現(xiàn)代分析與測試技術(shù)適用對象學(xué)分學(xué)時考核辦法課程性質(zhì)先修課程參考書籍《材料現(xiàn)代分析方法》左演聲等主編《材料近代分析測試方法》常鐵軍等編3緒論材料的重要性：歷史學(xué)家曾經(jīng)說過材料的特征及其應(yīng)用能力可以作為人類文明史的一種標(biāo)志。舊石器時代新石器時代陶器時代青銅器時代鐵器時代4緒論我們所處的世代：鋼硅塑料合成材料半導(dǎo)體精密陶瓷復(fù)合材料納米材料

……現(xiàn)代文明的支柱：材料、信息、能源、生物5緒論材料研究方法是關(guān)于材料分析測試技術(shù)和理論的科學(xué)。因此，為了開發(fā)新材料、提高材料研究水平，就必須掌握先進(jìn)的材料研究方法?；疽蟪煞纸Y(jié)構(gòu)加工性能材料科學(xué)與工程決定分析測試6一.電磁輻射與材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)01電子輻射與物質(zhì)波02材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)03晶體學(xué)簡介目錄7定義性質(zhì)物理現(xiàn)象物理量相互關(guān)系在空間傳播的交變電磁場電磁波波動性遵循波動方程反射、折射、干涉、衍射、偏正波長（λ）波數(shù)（σ）頻率（ν）相位（φ）C=λνE=hνp=h/λ微粒性由光子組成的光子流光電效應(yīng)光子能量（E）光子動量（p）~01電子輻射與物質(zhì)波電磁輻射注：C=3×108m/s;h=6.626×10-34J·s。801電子輻射與物質(zhì)波電磁波譜901電子輻射與物質(zhì)波電磁波譜10

01電子輻射與物質(zhì)波物質(zhì)波1102材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)原子能態(tài)及其表征預(yù)祝各位度過一個值得驕傲的大學(xué)四年生活1202材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)核外電子排布遵循的規(guī)律1、泡利不相容原理：每個軌道最多只能容納兩個電子，且自旋相反；2、能量最低原理：電子盡可能占據(jù)能量最低的軌道；3、Hund規(guī)則：簡并軌道（能級相同的軌道）只有被電子逐一自旋平行地占據(jù)后，才能容納第二個電子。另外：等價軌道在全充滿、半充滿或全空的狀態(tài)是比較穩(wěn)定的，亦即下列電子結(jié)構(gòu)是比較穩(wěn)定的；全充滿---p6或d10或f14半充滿---p3或d5或f7全空----p0或d0或f0思考題：請將24號元素原子的核外電子量子化，分別寫出各狀態(tài)參量的取值（n，l，m，s，ms）及核外電子排布情況？1302材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)原子基態(tài)、激發(fā)、電離及能級躍遷基態(tài)：原子核外電子遵循上述規(guī)律分布于各個能級上，此時原子處于的能量最低狀態(tài)；激發(fā)態(tài)：原子中的一個或幾個電子由基態(tài)所處能級躍遷至高能級后的原子狀態(tài)；激發(fā)：原子由基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的過程；激發(fā)需要能量，稱為激發(fā)能，常以電子伏特表示，又稱激發(fā)電位；能級躍遷：原子中的電子受激向高能級躍遷或由高能級向低能級躍遷均稱為電子躍遷或能級躍遷；電離：原子中的電子獲得足夠的能量就會脫離原子核的束縛，產(chǎn)生電離；使原子電離所需的能量稱為電離能，以電子伏特表示又稱電離電位。1402材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)固體的能帶結(jié)構(gòu)能帶的形成設(shè)有N個原子結(jié)合成晶體，原來單個原子時處于1s能級的2N個電子現(xiàn)在屬于整個原子系統(tǒng)(晶體)所共有，根據(jù)泡利不相容原理，不能有兩個或兩個以上電子具有完全相同的量子態(tài)(n,l,m，s,ms),因而就不能再占有一個能級，而是分裂為2N個微有不同的能級。由于N是一個很大的數(shù)，這些能級相距很近，看起來幾乎是連續(xù)的，從而形成一條有一定寬度E的能帶。

能帶可沿用能級分裂以前的原子能級名稱命名，如2s能帶，2p能帶等。15導(dǎo)帶中的能級未被占滿，一個電子在外力作用下向其它能級轉(zhuǎn)移時，不一定有相反方向的轉(zhuǎn)移來抵消，所以導(dǎo)帶具有導(dǎo)電作用。由于滿帶中所有能級都被電子占滿，因此一個電子在外力作用下向其它能級轉(zhuǎn)移時，必然伴隨著相反方向的轉(zhuǎn)移來抵消，所以滿帶是不導(dǎo)電的。02材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)固體的能帶結(jié)構(gòu)能帶可分為：填滿電子的能帶稱為滿帶。未填滿電子的能帶稱為導(dǎo)帶。沒有電子填充的能帶稱為空帶（顯然空帶也屬導(dǎo)帶）。由價電子能級分裂而成的能帶稱為價帶。在能帶之間沒有可能量子態(tài)的能量區(qū)域叫禁帶。滿帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)1602材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)固體結(jié)構(gòu)能帶基本類型（a）絕緣體，（b）本征半導(dǎo)體，（c）導(dǎo)體，（d）導(dǎo)體絕緣體：價帶（滿帶）頂與導(dǎo)帶底之間的禁帶較寬，E=36eV本征半導(dǎo)體：價帶頂與導(dǎo)帶底之間的禁帶較窄，E=0.10.2eV導(dǎo)體：價帶只填充部分電子或者價帶雖已填滿電子但與相鄰導(dǎo)帶緊密連接或重合。1703晶體學(xué)簡介為了描述晶體中原子的排列規(guī)則，將每一個原子抽象視為一點幾何點（稱為陣點），并從而得到一個按一定規(guī)則排列分布的無數(shù)多個陣點組成的空間陣列，稱為空間點陣。將各陣點用直線連接成為空間格子，又稱為晶格。在點陣中選擇一個由陣點連接而成的幾何圖形作為點陣的基本單元來表達(dá)晶體結(jié)構(gòu)的周期性，稱為陣胞（晶胞）。空間點陣18平行六面體的陣胞可由表示其形狀與大小的三個矢量a，b，c來描述，稱為單位陣胞的矢量。點陣參數(shù)：單胞各邊的長度a，b，c；各晶軸之間的夾角α，β，γ。03晶體學(xué)簡介19千百種晶體、七種晶系、十四種平移點陣（布喇菲點陣）03晶體學(xué)簡介20千百種晶體、七種晶系、十四種平移點陣（布喇菲點陣）思考題：如何計算各晶胞中的點陣數(shù)？例如面心斜方平移點陣。03晶體學(xué)簡介21晶面晶向指數(shù)晶體中由原子組成的直線和平面分別稱為晶向和晶面；為了表示晶向和晶面的空間取向，采用統(tǒng)一的標(biāo)識，稱為晶向指數(shù)和晶面指數(shù)。國際通用密勒的標(biāo)識方法，又稱密勒指數(shù)。晶向指數(shù)通常采用[uvw]表示；將晶體中方位不同但原子排列狀況相同的所有晶向組合稱為一個晶向族，用<uvw>表示晶面指數(shù)通常采用(hkl)表示；將晶體中方位不同但原子排列狀況相同的所有晶面組合稱為一個晶面族，用{hkl}表示;晶體中與某一晶向[uvw]平行的所有（HKL）晶面屬于同一晶帶，稱為[uvw]晶帶。03晶體學(xué)簡介22晶面指數(shù)的確立選取三個晶軸為坐標(biāo)軸，以點陣常數(shù)為度量單位；從要確定的晶面組中，選取一個不通過原點的晶面，找出截距A、B、C，均為整數(shù)；取各截距的倒數(shù)1/A、1/B、1/C，并按比例化為簡單整數(shù)比h:k:l，并寫進(jìn)圓括號內(nèi)（hkl)，即為晶面指數(shù)或稱密勒指數(shù)。當(dāng)某晶面與晶軸平行時，截距為∞，指數(shù)為0；截距為負(fù)值時，指數(shù)上邊加以負(fù)號；各指數(shù)同乘以-1，晶面組不變。課堂練習(xí)：寫出右圖三個晶面的密勒指數(shù)。(221)(001)(231)03晶體學(xué)簡介23晶向指數(shù)的確立選取三個晶軸為坐標(biāo)軸，以點陣常數(shù)為度量單位；通過坐標(biāo)原點作一條與所求晶向平行的另一晶向；求這個晶向上任一質(zhì)點的矢量在三個坐標(biāo)軸上的分量（即求出任一質(zhì)點的坐標(biāo)數(shù)）；按比例化為簡單整數(shù)比u、v、w，并寫進(jìn)方括號內(nèi)[uvw]，即為所求晶向的指數(shù)。練習(xí)：寫出右圖中指定晶向的晶向指數(shù)。[112]03晶體學(xué)簡介24干擾指數(shù)若將（hkl）晶面間距記為dhkl，則晶面間距為dhkl/n的晶面干涉指數(shù)為（nhnknl），記為（HKL）。干涉指數(shù)可以認(rèn)為是帶有公約數(shù)n的晶面指數(shù)；干涉指數(shù)表示的晶面并不一定是晶體中的真實原子面，即干涉指數(shù)表示的晶面不一定有原子分布。練習(xí)：寫出的d110/2與d110/3的晶向指數(shù)。(220),(330)03晶體學(xué)簡介25倒易點陣倒易點陣定義：在晶體點陣(正點陣)的基礎(chǔ)上按照一定的對應(yīng)關(guān)系建立起來的空間幾何圖形；每種空間點陣都存在著與其相對應(yīng)的倒易空間點陣，它是晶體點陣的另外一種表達(dá)方式；用倒易點陣處理問題時，幾何概念更清晰，數(shù)學(xué)推演簡化。正點陣與倒易點陣的關(guān)系如果用a,b,c表示晶體點陣的基本平移矢量；用a*b*c*為倒易點陣基本平移矢量，則兩者之間的關(guān)系為：03晶體學(xué)簡介26倒易點陣a*·b=a*·c=b*·a=b*·c=c*·a=c*·b=0a*·a=b*·b=c*·c=1由上述關(guān)系:a*同時垂直b和c，因此，a*垂直b和c所在平面，即a*垂直（100）晶面；同理可見，b*垂直（010