第1章 电磁辐射与材料结构基础

材料现代分析与测试技术卢辉Email：luhui40621126@126.com

2016年9月北方民族大学材料科学与工程学院0学习经历2012.9-2015.6北京科技大学

博士

（硕博连读）2010.9-2012.7北京科技大学

硕士2006.9-2010.7北京科技大学

本科科研经历研究方向：功能材料、新能源材料。作为主要研究者参与国家自然科学基金（51272025、50872011）两项，973计划（2007CB936201）一项；以第一作者发表SCI论文4篇，核心论文1篇；以第二作者发表SCI论文3篇，核心论文1篇。个人简介1实习工作获奖情况博士研究生国家奖学金、濮耐教育基金奖学金、院学术之星、北京市优秀毕业生；北京科技大学优秀学生工作者、学院优秀学生工作干部、优秀研究生干部；校优秀三好研究生、三好学生、优秀校庆志愿者、优秀博士毕业论文、本科毕业优秀毕业论文等瑞士洛桑参加第65届电化学年会；三年硕士研究生辅导员经历。中冶建研工程技术有限公司、唐山国丰钢铁有限公司、包头钢铁集团、首都钢铁集团；XRD、扫描电镜、透射电镜操作员。个人简介2课程简介材料现代分析与测试技术适用对象学分学时考核办法课程性质先修课程参考书籍《材料现代分析方法》左演声等主编《材料近代分析测试方法》常铁军等编3绪论材料的重要性：历史学家曾经说过材料的特征及其应用能力可以作为人类文明史的一种标志。旧石器时代新石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代4绪论我们所处的世代：钢硅塑料合成材料半导体精密陶瓷复合材料纳米材料

……现代文明的支柱：材料、信息、能源、生物5绪论材料研究方法是关于材料分析测试技术和理论的科学。因此，为了开发新材料、提高材料研究水平，就必须掌握先进的材料研究方法。基本要求成分结构加工性能材料科学与工程决定分析测试6一.电磁辐射与材料结构基础01电子辐射与物质波02材料结构基础03晶体学简介目录7定义性质物理现象物理量相互关系在空间传播的交变电磁场电磁波波动性遵循波动方程反射、折射、干涉、衍射、偏正波长（λ）波数（σ）频率（ν）相位（φ）C=λνE=hνp=h/λ微粒性由光子组成的光子流光电效应光子能量（E）光子动量（p）~01电子辐射与物质波电磁辐射注：C=3×108m/s;h=6.626×10-34J·s。801电子辐射与物质波电磁波谱901电子辐射与物质波电磁波谱10

01电子辐射与物质波物质波1102材料结构基础原子能态及其表征预祝各位度过一个值得骄傲的大学四年生活1202材料结构基础核外电子排布遵循的规律1、泡利不相容原理：每个轨道最多只能容纳两个电子，且自旋相反；2、能量最低原理：电子尽可能占据能量最低的轨道；3、Hund规则：简并轨道（能级相同的轨道）只有被电子逐一自旋平行地占据后，才能容纳第二个电子。另外：等价轨道在全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的，亦即下列电子结构是比较稳定的；全充满---p6或d10或f14半充满---p3或d5或f7全空----p0或d0或f0思考题：请将24号元素原子的核外电子量子化，分别写出各状态参量的取值（n，l，m，s，ms）及核外电子排布情况？1302材料结构基础原子基态、激发、电离及能级跃迁基态：原子核外电子遵循上述规律分布于各个能级上，此时原子处于的能量最低状态；激发态：原子中的一个或几个电子由基态所处能级跃迁至高能级后的原子状态；激发：原子由基态转变为激发态的过程；激发需要能量，称为激发能，常以电子伏特表示，又称激发电位；能级跃迁：原子中的电子受激向高能级跃迁或由高能级向低能级跃迁均称为电子跃迁或能级跃迁；电离：原子中的电子获得足够的能量就会脱离原子核的束缚，产生电离；使原子电离所需的能量称为电离能，以电子伏特表示又称电离电位。1402材料结构基础固体的能带结构能带的形成设有N个原子结合成晶体，原来单个原子时处于1s能级的2N个电子现在属于整个原子系统(晶体)所共有，根据泡利不相容原理，不能有两个或两个以上电子具有完全相同的量子态(n,l,m，s,ms),因而就不能再占有一个能级，而是分裂为2N个微有不同的能级。由于N是一个很大的数，这些能级相距很近，看起来几乎是连续的，从而形成一条有一定宽度E的能带。

能带可沿用能级分裂以前的原子能级名称命名，如2s能带，2p能带等。15导带中的能级未被占满，一个电子在外力作用下向其它能级转移时，不一定有相反方向的转移来抵消，所以导带具有导电作用。由于满带中所有能级都被电子占满，因此一个电子在外力作用下向其它能级转移时，必然伴随着相反方向的转移来抵消，所以满带是不导电的。02材料结构基础固体的能带结构能带可分为：填满电子的能带称为满带。未填满电子的能带称为导带。没有电子填充的能带称为空带（显然空带也属导带）。由价电子能级分裂而成的能带称为价带。在能带之间没有可能量子态的能量区域叫禁带。满带结构导带结构1602材料结构基础固体结构能带基本类型（a）绝缘体，（b）本征半导体，（c）导体，（d）导体绝缘体：价带（满带）顶与导带底之间的禁带较宽，E=36eV本征半导体：价带顶与导带底之间的禁带较窄，E=0.10.2eV导体：价带只填充部分电子或者价带虽已填满电子但与相邻导带紧密连接或重合。1703晶体学简介为了描述晶体中原子的排列规则，将每一个原子抽象视为一点几何点（称为阵点），并从而得到一个按一定规则排列分布的无数多个阵点组成的空间阵列，称为空间点阵。将各阵点用直线连接成为空间格子，又称为晶格。在点阵中选择一个由阵点连接而成的几何图形作为点阵的基本单元来表达晶体结构的周期性，称为阵胞（晶胞）。空间点阵18平行六面体的阵胞可由表示其形状与大小的三个矢量a，b，c来描述，称为单位阵胞的矢量。点阵参数：单胞各边的长度a，b，c；各晶轴之间的夹角α，β，γ。03晶体学简介19千百种晶体、七种晶系、十四种平移点阵（布喇菲点阵）03晶体学简介20千百种晶体、七种晶系、十四种平移点阵（布喇菲点阵）思考题：如何计算各晶胞中的点阵数？例如面心斜方平移点阵。03晶体学简介21晶面晶向指数晶体中由原子组成的直线和平面分别称为晶向和晶面；为了表示晶向和晶面的空间取向，采用统一的标识，称为晶向指数和晶面指数。国际通用密勒的标识方法，又称密勒指数。晶向指数通常采用[uvw]表示；将晶体中方位不同但原子排列状况相同的所有晶向组合称为一个晶向族，用<uvw>表示晶面指数通常采用(hkl)表示；将晶体中方位不同但原子排列状况相同的所有晶面组合称为一个晶面族，用{hkl}表示;晶体中与某一晶向[uvw]平行的所有（HKL）晶面属于同一晶带，称为[uvw]晶带。03晶体学简介22晶面指数的确立选取三个晶轴为坐标轴，以点阵常数为度量单位；从要确定的晶面组中，选取一个不通过原点的晶面，找出截距A、B、C，均为整数；取各截距的倒数1/A、1/B、1/C，并按比例化为简单整数比h:k:l，并写进圆括号内（hkl)，即为晶面指数或称密勒指数。当某晶面与晶轴平行时，截距为∞，指数为0；截距为负值时，指数上边加以负号；各指数同乘以-1，晶面组不变。课堂练习：写出右图三个晶面的密勒指数。(221)(001)(231)03晶体学简介23晶向指数的确立选取三个晶轴为坐标轴，以点阵常数为度量单位；通过坐标原点作一条与所求晶向平行的另一晶向；求这个晶向上任一质点的矢量在三个坐标轴上的分量（即求出任一质点的坐标数）；按比例化为简单整数比u、v、w，并写进方括号内[uvw]，即为所求晶向的指数。练习：写出右图中指定晶向的晶向指数。[112]03晶体学简介24干扰指数若将（hkl）晶面间距记为dhkl，则晶面间距为dhkl/n的晶面干涉指数为（nhnknl），记为（HKL）。干涉指数可以认为是带有公约数n的晶面指数；干涉指数表示的晶面并不一定是晶体中的真实原子面，即干涉指数表示的晶面不一定有原子分布。练习：写出的d110/2与d110/3的晶向指数。(220),(330)03晶体学简介25倒易点阵倒易点阵定义：在晶体点阵(正点阵)的基础上按照一定的对应关系建立起来的空间几何图形；每种空间点阵都存在着与其相对应的倒易空间点阵，它是晶体点阵的另外一种表达方式；用倒易点阵处理问题时，几何概念更清晰，数学推演简化。正点阵与倒易点阵的关系如果用a,b,c表示晶体点阵的基本平移矢量；用a*b*c*为倒易点阵基本平移矢量，则两者之间的关系为：03晶体学简介26倒易点阵a*·b=a*·c=b*·a=b*·c=c*·a=c*·b=0a*·a=b*·b=c*·c=1由上述关系:a*同时垂直b和c，因此，a*垂直b和c所在平面，即a*垂直（100）晶面；同理可见，b*垂直（010