材料分析方法

1、第一章材料的电子结构与物理性能1. 1.主量子数 n (n =1、2、3、4) 主量子数确定核外电子离原子核的远近和能级的高低。 2.次量子数 l (l = 0、1、2、3) 次量子数反映的是电子轨道的形状。 在由主量子数n确定的同一主壳层上的电子的能量有差异，可分成若干个能量水平不同的亚壳层，其数目随主量子数而定，习惯上以s、p、d、f 表示 。 3.磁量子数m (m = 0、1、2、3) 磁量子数表示电子云在空间的伸展方向，它确定轨道的空间取向。 4.自旋量子数ms (ms = +1/2、-1/2) 自旋量子数表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。2. 三个基本原理：泡利不相容原

2、理 在一个原子中不可能存在四个量子数完全相同（即运动状态完全相同）的两个电子。或者，在同一个原子中，最多只能有两个电子处在同样能量状态的轨道中，而且这两个电子的自旋方向必定相反。 最低能量原理 电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。 最多轨道规则（洪特规则） 相同能量的轨道（也称等价轨道）上分布的电子将尽可能分占不同的轨道，而且自旋方向相同。 作为洪特规则的特例，对于角量子数相同的轨道，当电子层结构为全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的。即：全充满: p 6或d 10或f 14 ；半充满: p 3或d 5或f 7 ； 全空: p 0或d 0或f 0 。3.能带的形成p10：

3、各个原子的能级因电子云的重叠产生分裂现象。能级分裂后，其最高和最低能级之间的能量差只有几十个eV。 电子的能量或能级几乎就是连续变化的，于是形成了能带。能带之间也存在着一些无电子能级的能量区域，称为禁带或能隙。4金属的能带结构重要概念：满带：被电子填满的能带。空带：没有被电子填充的能带。价带：被价电子占据的能量最高的能带。导带：价带以上的空带。5.6. 金属的电阻率与温度的关系一般而言，金属的电阻率与温度的关系是线性的，且具有正的温度系数，即随着温度上升，电阻率增加。 原理：由于晶体热扰动的强度随温度的上升而成比例地增加，减少了晶体的规则性而使电子的平均自由程减小，从而减小了金属中电子的迁移率

4、m，使电阻率增大。7. 8. 9. 半导体导电特性的两个显著的特点：半导体的电导率对材料的纯度的依赖性极为敏感。电阻率受外界条件（如热、光等）的影响很大。 本征半导体的电荷迁移率 本征半导体的电导率与温度的关系 当温度升高，价带中电子热运动加剧，使电子能够获得更高的能量，从而使跃迁到导带的电子数增加，电荷载流子数随之增加，最终使电导率增大。本征半导体的电导率：10. 例：有某种半导体，实验测出其在20C下的电导率为250W-1m-1，100C时为1100W -1m-1，问能隙Eg有多大？已知：玻耳兹曼常数：k1.380510-23J/K，电子电荷：q1.602110-19C。11.12. p1

5、7-18解释图1.8 施主耗尽： 在n型半导体中，当温度升高时，有越来越多的施主杂质电子能克服Ed进入导带，最后直到所有杂质电子全部进入导带，即出现施主耗尽。 施主耗尽出现时，n型半导体的电导率将不再发生变化。13. 零电阻效应（R0） 材料在某一温度下突然失去电阻的现象，称为零电阻效应。 迈斯纳效应（B0） 处于超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一特征叫完全抗磁性或迈斯纳效应。超导体的临界参数临界温度Tc临界温度即超导转变温度临界磁场Hc将可以破坏超导态的最小磁场，称为临界磁场。临界电流Ic（临界电流密度Jc）将产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流，称为临界电

6、流。 14. 两超导体中间的绝缘层能让超导电流通过的现象，称为超导隧道效应。15.沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这种现象称为电解质的极化极化机制电介质极化的三种主要基本过程：电子极化，离子极化，转向极化微波炉工作原理？被加热的介质一般可分为无极性分子电介质和有极性分子电介质。有极性分子在没有外加电场时不显示极性。若外加的是交变电场和磁场，极性分子将被反复交变磁化，交变电场的频率越高，极性分子反复转向的极化也就越快。此时，分子热运动的动能增大，也就是热量增加，食物的温度也随之升高，便完成了电磁能向热能的转换。16. 极化强度的物理意义：电介质单位体积内电偶极矩的矢量和。电介质的极化强度

7、：电介质中一个中性分子的电偶极矩：q 分子中正电荷的总量； l 正负电荷重心之间的位矢，由负电荷重心指向正电荷重心。17. 18. 电介质在交变电场作用下，以发热的形式而耗散能量的现象称为介电损耗。产生介电损耗的原因： 电介质中微量杂质而引起的漏导电流； 极化取向与外加电场由于相位差而产生的极化电流损耗。19. 固有磁矩与电子结构的关系： 当原子中某一电子层被电子填满时，该层的电子轨道磁矩互相抵消，该层的电子自旋磁矩也相互抵消，即该层的电子磁矩对原子的磁矩没有贡献。如果原子中所有电子层全被电子填满（如惰性元素），则净磁矩为零。此时称该元素不存在固有磁矩。因此，能显示固有磁矩的，必然是那些电子壳

8、层未被填满的元素。两种情况的分析：内层全部填满电子，外层未填满电子，即有外层价电子内层未填满电子20.21.磁性的分类P34 用磁畴解释磁滞回线22. 自发磁化是铁磁性物质的自旋磁矩在无外加磁场条件下自发地取向一致的行为。磁畴是指磁性材料内部磁矩方向和大小各不相同的小区域。23. 铁磁性物质在交变磁场中工作时要发生能量损耗，称为铁芯损耗，简称铁损或磁损。 铁损一般包括三个部分，即涡流损耗Pe、磁滞损耗Ph和剩余损耗Pr24.判断一定频率的光是吸收还是透过？hvEg,吸收。hvEg，就可以在p区、n区和p-n结区激发出电子空穴对，打破原有的平衡状态。在p-n结附近区域产生的电子在自建电场作用下将

9、穿过势垒到达n区，并积累起来。同样，p-n结附近区域产生的空穴也以这样的方式到达p区，也积累起来。这样，在n区就积累了较多的负电荷，在p区就积累了较多的正电荷，这相当于在p-n结上加上了正向电压，即由于光照而在p-n结的两端出现了电动势（称为光生电动势）。30. 光电发射效应 当金属或半导体受到光照射时，其表面和体内的电子因吸收光子能量而被激发，如果被激发的电子具有足够的能量，足以克服表面势垒而从表面离开，即产生光电发射效应。第二章电性材料1.导电率由大到小：银铜金铝镁2. 典型半导体材料的代表：元素半导体Ge（锗）、Si（硅）Se（硒），化合物半导体 砷化镓(GaAs)，其他化合物半导体 碳

10、化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，固溶体半导体 镓砷磷 镓铝砷3典型的半导体器件 1、半导体温度计 原理：本征半导体的电导率与温度的依赖关系：选择适当的半导体材料，用灵敏度足够高的仪器测出其电导率的变化，从而测定出对应的温度。2、光敏器件 原理：具有足够能量的光子（E Eg）能够激发产生额外的载流子，同时使半导体的电导率增大。通过检测电导率，确定光线的强度。3、二极管P644. “半导体超晶格” 概念：使两种或两种以上性质不同的半导体单晶薄膜(厚度是晶格常数的几倍到十几倍)交替周期性生长，从而给天然材料加上一个人造周期势场，人为改变电子的行为，最终改变半导体材料的性质。超晶格种类（1）组分超晶

11、格（2）掺杂超晶格（3）多维超晶格（4）应变超晶格5. 高温超导体的特征 具有变形钙钛矿原胞的层状堆砌结构； 晶胞具有很强的低维特点，三个晶格常数往往相差34倍； 输运系数（电导率、热导率等）具有明显的各向异性； 均属第二类超导体； 载流子浓度低，且多为空穴型导电； 隧道实验表明存在能隙。第三章磁性材料1. 磁致伸缩效应在磁场中磁化状态改变时，铁磁和亚铁磁材料引起尺寸或体积微小的变化，称为磁致伸缩。2. 软磁材料的特性:1矫顽力低2易磁化3易退磁软磁材料的基本性能要求:1贮能高2灵敏度高3效率高4回线矩形比高5稳定性好3. 硬磁材料是在磁场中被磁化后能够显示磁性，磁场撤除之后仍然保持较强磁性的

12、一类铁磁物质，又称永磁材料、恒磁材料。硬磁材料的基本性能要求:1最大磁能积(BH )m大2磁稳定性好4.内禀矫顽力P965.硬磁材料在磁场撤去后保持较强磁性的一般原理6. 磁记录模式三种记录模式：1、纵向（水平）记录2、垂直记录3、磁光记录7. 磁记录系统四个基本单元：1、存储介质2、换能器3、传送介质装置4、电子线路第四章光学材料1.激光的特性P1142. 激光器的基本结构及作用3. 固体激光工作物质由激活离子和基质晶体两部分构成。激活离子的作用：实现粒子数反转。基质晶体一般是单晶体，应有良好的机械强度、良好的导热性和较小的光弹性，对产生激光的吸收应接近零，且光学性能均匀4. 5. 半导体激

13、光器产生激光的条件 （1）利用电流注入的少数载流子复合时放出的能量须高效率变换为光。（2）在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。（3）具备谐振器。6.直接带隙半导体间接带隙半导体7.8. 全反射：当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角c时，光线被100%反射的现象。此时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。9. 光的传输模式 具有一定频率、一定的偏振状态和传播方向的光波叫做光波的一种模式，或称为光的一种波型。两种模式的光纤：单模光纤：直径仅310mm，与光波的波长相近，只允许传输一个模式的光波。多模光纤：直径为几十至上百微米，允许同时传输多个模式的光波。10. 光脉冲质量的

14、劣化程度两方面：由光学损耗引起的光脉冲振幅衰减由光学色散引起的光脉冲失真11. 12. 发光物质中发挥重要作用的物理过程：通过激活剂、敏化剂、或基质吸收能量的过程，即激发过程；激活剂发光非辐射回到基态（此过程降低物质的发光效率）发光中心之间的能量转移13. 两种常见的磷光材料：1、卤磷酸盐荧光粉2、稀土三基色荧光粉14荧光灯（日光灯）发光原理：传统型荧光灯内装有两个灯丝，灯丝上涂有电子发射材料三元碳酸盐（碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙），俗称电子粉。在交流电压作用下，灯丝交替地作为阴极和阳极，灯管内壁涂有荧光粉，管内充有400Pa-500Pa压力的氩气和少量的汞。通电后，液态汞蒸发成压力为0.8 Pa

15、的汞蒸气，在电场作用下，汞原子不断从原始状态被激励成激发态，继而自发跃迁到基态，并辐射出波长253.7nm和185nm的紫外线。荧光粉吸收紫外线的辐射能后发出可见光。15. 上转换发光：发光体在红外光的激发下，发射可见光，这种现象称为上转换发光，这种发光体称为上转换发光材料。 上转换发光的三种情况： 原子能级中存在一个中间能级，处于基态的电子在光激发下跃迁至该中间能态，并停留足够长的时间，以致它还能吸收另一个光子而跃迁到更高的能级。电子从这个更高的能态向基态跃迁时，就发射出波长比激发光的波长更短的光。原子能级中虽没有中间能级，但发光体可以连续吸收两个光子，使基态电子直接跃迁到比激发光光子的能量

16、大得更多的能级，从而发出波长更短的光。材料中有两个敏化中心被激发，它们把激发能按先后顺序或同时传递给发光中心，使其中处于基态的电子跃迁到比激发光光子能量更高的能级，然后弛豫下来，从而发出波长短得多的光。16. 液晶的特性：性质介于晶体与液体之间具有晶体的各向异性和液体的流动性。分子之间作用力微弱。17. 液晶分子的三种排列方式：(a) 向列型；(b) 近晶型；(c) 胆甾型1、向列型液晶特点：分子的形状呈雪茄状，分子的长轴近于平行，分子重心随机分布。2、近晶型液晶特点：分子的形状呈雪茄状，分子的长轴互相平行，且排列成层，层与层之间相互平行。分子排列较整齐，近似于晶体的排列状况。3、胆甾型液晶特

17、点：分子的形状呈雪茄状，分子分层排列，在每一层中，分子平行排列，取向一致。但相邻两层分子的排列方向扭转一定的角度，因而多层分子链的排列方向逐层扭转，呈现螺旋形结构。18.第五章功能转换材料1. 由应力作用使材料发生电极化(即带电)或电极化的变化的现象称为正压电效应由电场作用使材料产生形变的现象称为逆压电效应。2. 热释电效应是晶体因温度变化而引起电极化的变化，即晶体表面产生等量异号电荷的现象。热释电效应产生的前提条件：晶体具有自发极化现象，即在晶体结构的某些方向存在固有电矩。热释电材料与压电材料的比较 压电晶体不一定有热释电效应， 但热释电晶体一定有压电效应。3. 铁电体：一类具有自发极化，且

18、这种自发极化可以在外电场作用下改变方向的电介质。4.5. 电光效应是指在外加电场的作用下，介质的折射率发生变化的现象。6. 电光材料的应用： 1电光调制器2电光偏转器 3电光快门电光快门工作原理：从光源发出的自然光通过起偏片变成纵向振动的平面偏振光，如果电光晶体没有受外电场的作用，这束偏振光通过晶体时将不发生振动方向的偏转，即仍是纵向振动的平面偏振光。但检偏片只允许水平振动的偏振光通过，纵向振动的偏振光不能通过，因而此时没有光输出，相当于快门关闭。如果在电光晶体上施加一个电压，由于电光效应使光的振动方向发生偏转，于是开始有光输出。随着施加电压大小的改变，光输出的大小也在变化。当所加电压调到某一