电子材料期末总结

1、电子材料期末总结固体物理学部分固体物理学是电子材料物理的理论基础1、电子材料的结晶状态分类：晶体：长程有序 有固定熔点非晶体：短程有序 没有固定熔点准晶体：有准周期性 无长程有序性2、电子材料的学科领域：1）、半导体材料2）、电介质材料3）、磁性材料4）、金属材料5）、超导材料其中半导体材料又包括光电材料、温差电阻材料、集成电路材料、太阳能电池；磁性材料包括：软磁材料、硬磁材料、磁记录材料。第一章 晶体结构1、七大晶系：三斜、单斜、立方、四方、正交、三角、六角。十四种布拉伐格子，32种点群，230种空间群。2、晶列和晶面指数晶列：通过一格点可以有无限 多个晶列，其中每一晶列都有一族平行的晶列与

2、之对应，在一平面中，同族的相邻晶列之间的距离相等。晶面指数：晶体内三个非共线结点组成的平面，同族晶面中，相邻两晶面的距离。通常用弥勒指数表示。3、倒格子 倒格子并非物理上的格子，只是一种数学处理方法，它在分析与晶体周期性有关的各种问题中起着重要作用。倒格子基矢与正格子基矢的关系：计算表明fcc的倒格子是bcc，bcc的倒格子是fcc。4、倒格矢的性质： 是密勒指数为 所对应的晶面族的法线。其中：5、倒易点阵和布里渊区在倒易点阵中，以某一格点为坐标原点，做所有倒格矢的垂直平分面，道义空间被这些平面分成许多包围原点的多面体区域，这些区域称做布里渊区，其中最靠近原点的平面所围成的区域称做第一布里渊区

3、。倒易点阵和14种晶体点阵是一一对应的，因此，只有14种类型的倒易点阵和14中不同形状的第一布里渊区。第一布里渊区的形状只与晶体的布拉伐点阵的几何性质有关，与晶体的化学成分、晶胞中的原子数目无关。6、布拉格定律：7、布拉格定律的应用：1）、用已知波长的X射线去照射晶体，通过衍射角的测量求得晶体中各晶面的晶面间距d，这就是结构分析X射线衍射学；2）、用一种已知面间距的晶体来反射从试样发射出来的X射线，通过衍射角的测量求得X射线的波长，这就是X射线光谱学。该法除可进行光谱结构的研究外，从X射线的波长还可确定试样的组成元素。8、系统消光（或结构振幅）定义结构振幅为F：各种晶胞的结构振幅：Bcc结构：

4、a. 当H+K+L=奇数时，F=0 b当H+K+L=偶数时，F=4ffcc结构：h+k=2n，k+l=2n，l+h=2n，F=4f简单立方：该种点阵其结构因数与HKL无关，即HKL为任意整数时均能产生衍射。9、晶体结构金属晶体：金属键；无方向性；原子呈圆球状密堆积 共价晶体的晶体结构：共价键方向性、饱和性， 配位数和方向受限制（配位须成键）分子晶体的晶体结构：组元为分子范氏力和氢键。离子晶体的晶体结构：离子键，无方向性。其他几种材料结构：非晶体、准晶体、液晶体。10、典型晶体结构：配位数：指晶体结构中与任一原子最近邻且等距离的原子数,表征晶体中原子排列的紧密程度。（离子的配位数越高，离子半径越

5、大。）密堆度(APF)：是晶胞中原子所占的体积分数 APFnv/V式中n为晶胞中的原子数，v单个原子的体积，V晶胞的体积。原子个数配位数密堆度Bcc280.68Fcc4120.74Hcp2120.7411、晶体中的固溶现象定义：凡溶质原子完全溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶格类型所形成的物质相称为固溶体。固溶体的分类：1）、 根据外来组元在主晶相中所处位置 ，可分为置换固溶体和间隙固溶体。2）、按外来组元在主晶相中的固溶度，可分为连续型(无限型)固溶体和有限型固溶体。影响因素：1）、原子或离子尺寸的影响 2）、晶体结构类型的影响 3）、离子类型和键性的影响 4）、电价因素影响12、晶体中原

6、子的两种堆垛方式六方密堆：(0001)面沿0001方向逐层堆垛而成，其刚球模型原子按ABABAB排列。立方密堆: 第一层与第二层与密排六方完全相同，第三层不与第一层重合，而是占据第一层的另三个三角形间隙，形成ABCABC顺序堆垛。第二章 金属电子论2.1 Sommerfeld的自由电子论1、自由电子模型1）、电子在一有限深度的方势阱中运动，电子间的相互作用可忽略不计； 2）、电子按能量的分布遵从FermiDirac统计； 3）、电子的填充满足Pauli不相容原理；4）、电子在运动中存在一定的散射机制。2、在k空间中，电子态的分布是均匀的，只与金属的体积有关；在k空间中，电子的能态密度并不是均匀

7、分布的，电子能量越高，能态密度就越大。3、FermiDirac统计由于电子的填充必须遵从Pauli原理，所以，当T=0 K时，在 k空间中，电子从能量最低的原点开始填起，能量由低到 高逐层向外填充，其等能面为球面，一直到所有电子都填完为止。由于等能面为球面，所以，在k空间中，电子填充的部分为球体，称为Fermi球。将Fermi球的表面称为Fermi面，Fermi面所对应的能量称为Fermi能EF0。费米能：费米半径：费米动量：费米速度：FermiDirac分布函数：系统的自由电子总数为：其中N(E)为能态密度：，结论与讨论：1）、常温下可以不必考虑电子热容量的贡献。2）、对电子Pauli顺磁有

8、贡献的并不是金属所有的自由电子，而只是在费米面附近的一小部分电子。2.2 Sommerfeld展开式及其应用在定量计算金属性质时，常会遇到以下形式的积分：和，这里，f(E)为FD分布函数，这种积分不能用精确的解析表达式积出，因而给定量计算金属的性质带来困难。因此，我们对上述积分进行近似处理。2.3 功函数和接触电势1、实验表明，热电子发射的电流密度为：上式称为RichardsonDushman公式，其中，A为常数，W为功函数（或脱出功），即电子逸出金属所需克服的势垒。2、不同的金属有不同的功函数，由于热膨胀，W是温度的函数。2.4 Hall效应1、定义：将一通电的导体放在磁场中，若磁场方向与电

9、流方向垂直，那么，在第三个方向上会产生电位差，这种现象称为Hall效应。2、由Hall系数的测量不仅可以判断载流子的种类（带正电还是带负电），而且还是测量载流子浓度的重要手段。载流子浓度越低，Hall系数就越大，Hall效应就越明显。2.5 自由电子模型的局限性1、根据自由电子论，金属的电导率sµ 电子密度n，但为什么电子密度较大的二价金属（如Be、Mg、Zn、Cd等）和三价金属（如Al、In等）的电导率反而低于一价金属（如Cu、Ag、Au等）；2、自由电子论无法解释为什么有些金属的Hall系数会大于0（如Al、In、Zn、Cd等）；3、 自由电子论不能解释为什么电子的平均自由程l会

10、比相邻原子间距大得多；4、自由电子论不能解释为什么固体材料会分成导体、半导体和绝缘体；5、自由电子论认为金属费米面的形状为球面，但是，实验结果表明，在通常情况下，金属费米面的形状都不是球面。因此，为了解决这些困难，我们需要考虑电子与晶格之间的相互作用的更复杂的理论。第三章 能带理论产生的背景：由于Sommerfeld自由电子近似在处理金属问题时遗留了许多问题，这样便需要一个更为先进的理论来解决金属中的问题，所以能带论就产生了，能带论中的电子运动受到晶格势的作用，不再只是在一个原则周围运动，而是可以在整个固体中运动。两个基本假设：1）、BornOppenheimer绝热近似：所有原子核都周期性地

11、静止排列在其格点位置上，因而忽略了电子与声子的碰撞。2）、HatreeFock平均场近似：即假设每个电子所处的势场完全相同，电子的势能只与该电子的位置有关，而与其他电子的位置无关。3.1 Bloch定理1、在周期性势场中，电子波函数是布洛赫函数：，这里，uk(r) = uk(r+Rl) 是以格矢Rl为周期的周期函数。2、Bloch函数具有类似行进平面波的形式。3.2 一维周期场中电子运动的近自由电子近似1、近自由电子近似：在周期场中，电子的运动几乎是自由的，我们可以把自由电子看成是它的零级近似，而将周期场的影响看成小的微扰。3.3 紧束缚近似（TBA）1、背景：由于近自由电子近似只能处理金属中

12、的价电子，对内层电子无能为力，事实上内层电子受到原子实强烈的束缚作用。2、定义： 当晶体中原子的间距较大，因而原子实对电子有相当强的束缚作用。因此，当电子距某个原子实比较近时，电子的运动主要受该原子势场的影响，这时电子的行为同孤立原子中电子的行为相似。这时，可将孤立原子看成零级近似，而将其他原子势场的影响看成小的微扰。这种方法称为紧束缚近似 (Tight Binding Approximation)。3、原子能级与能带的对应对于原子的内层电子，形成的能带较窄，原子能级与能带之间有简单的一一对应关系。对于原子外层电子，形成的能带就较宽，原子能级与能带之间就比较复杂，不一定有简单的一一对应关系，可

13、能会出现能带的重叠。磁性材料部分1.磁性材料的物理基础 物质的磁性、磁性的基本物理量2.磁性材料的分类 软磁材料、永磁材料、磁记录材料 3.磁性材料的基本性能与应用1、物质的磁性：原子磁矩包括电子轨道磁矩和电子自旋磁矩Pl =，Ps =物质磁矩等于所以原子磁矩的和。2、基本磁性参量磁场强度、磁化强度(M )、磁感应强度(B )、磁导率和磁化率、3、物质磁性分类：顺磁性：起因于原子或分子磁矩，在外加磁场作用下趋于沿外场方向排列，使磁质沿外场方向产生一定强度的附加磁场，顺磁性是一种弱磁性。抗磁性：是由于外磁场作用下，原子内的电子轨道绕场向运动，获得附加的角速度和微观环形电流，从而产生与外磁场方向相

14、反的感生磁矩。抗磁性：是由于外磁场作用下，原子内的电子轨道绕场向运动，获得附加的角速度和微观环形电流，从而产生与外磁场方向相反的感生磁矩。亚铁磁性：起因于原子或分子磁矩，在外加磁场作用下趋于沿外场方向排列，使磁质沿外场方向产生较高强度的附加磁场。反铁磁性：起因于原子或分子磁矩，在外加磁场作用下趋于沿外场方向排列，使磁质沿外场方向产生一定强度的附加磁场。4、磁各向异性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。包括：磁晶各向异性，形状各向异性，感生各向异性和应力各向异性等。5、磁性材料磁化过程中发生沿磁化方向伸长(或缩短)，在垂直磁化方向上缩短(或伸长)的现象，叫做磁致伸缩。6、每一个磁矩取向一

15、致的自发磁化区域就叫做一个磁畴。7、磁化过程：磁性材料在外磁场作用下由宏观的无磁状态转变为有磁状态的过程。磁化是通过磁畴的运动来实现。8、磁性材料的稳定性（1）温度稳定性：磁性能随温度的变化。（2）时间稳定性：在某一特定工作环境下长期工 作过程中磁性随时间的变化。 （3）化学稳定性：在腐蚀介质的环境中磁性随时 间的变化。9、磁性材料分类:软磁材料 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 软磁材料1、定义：能够迅速响应外磁场的变化，能低损耗地获得高磁感应强度，既容易

16、受外加磁场磁化和退磁的材料。2、用途：变压器、电机、电感与继电器的铁(磁)心；磁头与磁记录介质；计算机磁心等。3、对软磁材料的基本要求有：a. 初始磁导率µi和最大磁导率µ max要高；b.饱和磁感应强度Ms要高c. 矫顽力Hc小；d. 功率损耗P要低；e. 高的稳定性4、提高起始磁导率的途径: 必要条件：提高Ms并降低K1、s ：的值。充分条件：降低杂质浓度，提高密度，增大晶粒尺寸，结构均匀化，消除内应力和气孔的影响。这都与配方的选择和工艺条件密切相关。5、金属软磁材料包括：1）、电工纯铁 2）、硅钢 3）、坡莫合金 4）、其他软磁合金 6、铁氧体的制备方法：盐类分解法、

17、化学共沉淀法、热压法等。7、非晶态软磁材料：高磁导率和低矫顽力，磁各向同性；涡流损耗小；强度较高且硬度较高；抗化学腐蚀能力强。第二章 磁记录材料1、用途：磁带，磁盘等。2、要求：材料具有高的剩余磁化强度、陡的B-H曲线、大的B/H值、微细的粒子尺寸、粒子磁性的一致性及合适的矫顽力值。第三章 永磁材料1、用途：提供永磁场。2、主要性能要求：高的磁能积，高的轿顽力，高的居里点，高稳定性，好的经济性。3、主要种类：铝镍钴系永磁合金、永磁铁氧体、铁铬钴系永磁合金、稀土永磁材料和复合粘结永磁材料。4、主要永磁材料1）、铝镍钴系合金2）、永磁铁氧体3）、铁铬钴系合金5、永磁体的制备方法主要包括铸造法、粉末

18、冶金(烧结)法和粘结法。材料的介电性质部分第一节 介质的极化1、 极化的定义：介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，从而转变成偶极子的过程。2、 极化率:3、 极化强度P：4、 电介质极化系数：P=0E5、 克劳修斯-莫索蒂方程：宏观介电常数r与微观极化率之间的关系。6、 介质极化类型：电子极化、离子极化、偶极子转向极化、空间电荷极化和自发极化等。7、 极化基本形式：1）位移式极化 2）松弛极化 3）转向极化 4）空间电荷极化 5）自发极化8、 介电常数的温度系数：指随温度变化，介电常数的相对变化率。第二节 电介质的损耗1、 定义：电场作用下的能量损耗，由电能转变为其它形式的能，如热能、光能等，统称为介质损耗。2、 介质损耗的形式：1）电导损耗 2）极化损耗 3）游离损耗3、 复介电常数的意义是：电介质在交变电场作用下，电位移D或极化强度P将比电场强度E落后相角，此时的介电常数用复介电常数 * 表示。4、 介质弛豫：在外电场施加或移去后，系统逐渐达到平衡状态的过程叫介质弛豫。5、 直流电压下，介质损耗功率p，6、 介质损耗受