材料物理性能-复习资料

第二章材料的热学性能热容：热容是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K所需要增加的能量。不同温度下，物体的热容不一定相同，所以在温度T时物体的热容为：物理意义：吸收的热量用来使点阵振动能量升高，改变点阵运动状态，或者还有可能产生对外做功；或加剧电子运动。晶态固体热容的经验定律：一是元素的热容定律一杜隆-珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/(K・mol)；二是化合物的热容定律一奈曼-柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。热差分析:是在程序控制温度下，将被测材料与参比物在相同条件下加热或冷却，测量试样与参比物之间温差(AT)随温度(T)时间(t)的变化关系。参比物要求：应为热惰性物质，即在整个测试的温度范围内它本身不发生分解、相变、破坏，也不与被测物质产生化学反应同时参比物的比热容，热传导系数等应尽量与试样接近。第三章材料的光学性能四、选择吸收：同一物质对各种波长的光吸收程度不一样，有的波长的光吸收系数可以非常大，而对另一波长的吸收系数又可以非常小。均匀吸收：介质在可见光范围对各种波长的吸收程度相同。金属材料、半导体、电介质产生吸收峰的原因(1)金属对光能吸收很强烈，这是因为金属的价电子处于未满带，吸收光子后即呈激发态，用不着跃迁到导带即能发生碰撞而发热。(2)半导体的禁带比较窄，吸收可见光的能量就足以跃迁。(3)电介质的禁带宽，可见光的能量不足以使它跃迁，所以可见光区没有吸收峰。紫外光区能量高于禁带宽度，可以使电介质发生跃迁，从而出现吸收峰。电介质在红外区也有一个吸收峰，这是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。第六章材料的磁学性能一、 固有磁矩产生的原因原子固有磁矩由电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成，电子绕原子核运动，产生轨道磁矩；电子的自旋也产生自旋磁矩。当电子层的各个轨道电子都排满时，其电子磁矩相互抵消，这个电子层的磁矩总和为零。原子中如果有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被抵消(方向相反的电子自旋磁矩可以互相抵消)，原子就具有“永久磁矩”。二、 抗磁性与顺磁性抗磁性：轨道运动的电子在外磁场作用下产生附加的且与外磁场反向的磁矩。产生原因：外加磁场作用下电子绕核运动所感应的附加磁矩造成的。顺磁性：材科的顺磁性来源于原子的固有磁矩。产生原因：因为存在未填满的电子层，原子存在固有磁矩，当加上外磁场时，为了降低静磁能，原子磁矩要转向外磁场方向，结果使总磁矩不为零而表现出磁性。三、 强顺磁性：过渡族金属在高温都属于顺磁体，这些金属的顺磁性主要是由于3d,4d,5d电子壳层未填满，而d和f态电子未抵消的磁矩形成晶体离子构架的固有磁矩，因此产生强烈的顺磁性。四、 磁化曲线、磁滞回线

剩余磁感应强度：Br（剩余磁化强度Mr）矫顽力：Hc饱和磁感应强度：Bs（饱和磁化强度Ms五、磁畴：在铁磁材料中存在着许多自发磁化的小区域，我们把磁化方向一致的小区域，称为磁畴。结构：磁畴结构包括磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度，同一磁性材料如果磁畴结构不同，则其磁化行为不同。从能量观点来看，磁畴结构受到交换能、各向异性能、磁弹性能、畴壁能及退磁能的影响。稳定的磁畴结构，应使其能量总和最小。由于晶体表面形成磁极的结果，这种组态退磁能最大。从能量的观点，把晶体分为两个或四个平行反向的自发磁化区域可以大大降低退磁能。当磁体被分为n个区域（即n个磁畴）时，退磁能降到原来的1/n。但由于两个相邻磁畴间畴壁的存在又增加了畴壁能，因此自发磁化区域的划分并不是可以无限地小，而是以畴壁能及退磁能之和为最小，分畴停止。六、 产生自发磁化的原因在没有外磁场的情况下，材料所发生的磁化称为自发磁化。（1） 从能量的角度：铁磁性物质自发磁化是由于电子间的相互作用产生的。当两个原子相接近时，电子云相互重叠，由于3d层和4s层的电子能量相差不大，因此它们的电子可以相互交换位置，迫使相邻原子自旋磁矩产生有序排列。因交换作用所产生的附加能量成为交换能，用E表示。交换能的正负取决于A和，当A为正值（A>0）时，时，Eex为负最大值，即相邻自旋磁矩同向平行排列时能量最低，即自发磁化;（当A为负值（AV0）.=180'，E为负最大值；即相邻自旋磁矩反向平行排列时能量最低，即产生反磁性。）（2） 交换能积分常数A与原子之间的距离a和未填满电子壳层半径r之比有如下关系：当a/r>3时，A>0，有自发磁化倾向。（当a/r<3时，A<0，这时自旋磁矩反向平行排列时能量最低）七、 超交换：通过夹在磁性离子间的氧离子形成的间接交换作用，称为超交换作用。九、磁滞伸缩效应：当铁磁体在磁场中被磁化时，由于原子磁矩有序排列，电子间的相互作用，导致原子间距的自发调整过程而使其尺寸和形状发生改变。十、铁磁的技术磁化的过程技术磁化是指在外磁场作用下铁磁体从完全退磁状态磁化至饱和状态的内部变化过程。铁磁物质的磁化可以分为三个阶段：起始磁化阶段、急剧磁化阶段及缓慢磁化至饱和阶段。在起始磁化阶段，在外加磁场的作用下，能态低的锐角畴扩大，能态高的钝角畴缩小，是铁磁体宏观上表现出微弱的磁化，该过程是可逆的。在急剧磁化阶段，钝角畴瞬时转向与磁场成锐角的易磁化方向，发生巴克豪森跳跃，不可逆的。当所有的原子磁矩都转向与磁场成锐角的易磁化方向后，晶体成为单畴。如果再增强磁场，磁矩将逐渐转向外磁场H的方向。当外磁场使磁畴的磁化强度矢量与外磁场方向一致（或基本上一致）时，磁化达到饱和，称为磁饱和状态，此过程是可逆的。十一、单畴颗粒的磁化特点：单畴颗粒中不存在畴壁，因而在技术磁化时不会有壁移过程，而只能依靠畴的转动。具有低的磁导率和高的矫顽力。十二、磁畴迁移的杂质理论和内应力理论技术磁化过程中，磁畴壁移动存在阻力，因此需要由外磁场做功。阻力来自两个方面:一是由磁体磁化时产生的退磁能。二是由晶体内部的缺陷、应力及组织所造成的不均匀性。（1）内应力理论：实际晶体中不可避免存在位错、空位、间晾原子及溶质原子，这些晶体缺陷都会产生内应力，磁化过程中铁磁体的磁致伸缩效应也会造成内应力。铁磁体中内应力的分布状态决定了畴壁迁移的阻力。（2）杂质理论：从能量角度考虑，在无外磁场作用时，畴壁如果位于杂质处，畴壁就要被杂质穿孔而减少畴壁总面积，因此畴壁能低。如果施加磁场使畴壁移动离开这个位置，畴壁的面积就要增大，导致畴壁能量的增高，给畴壁迁移造成阻力。十三、提高剩磁Mr措施：①使材料的易磁化方向与外磁场方向一致；②进行磁场热处理。十四、影响铁磁性的因素影响铁磁性的因素主要有两方面：一是外部环境因素，如温度和应力等;二是材料内部因素，如成分、组织和结构等。温度的影响：随温度升高，饱和磁化强度Ms下降。应力的影响：当应力方向与金属的磁致伸缩为同向时，应力对磁化起促进作用，反之起阻碍作用。形变和晶粒细化的影响：磁导率pm，随形变量的增加而下降，而矫顽力Hc则相反。剩余磁感应强度Br,在临界变形度下（约5%-8%）急剧下降，而在临界变形度以上则随形变量的增加而增加。晶粒细化对磁性的影响和塑性变形的作用相似，晶粒越细，则矫顽力和磁滞损耗越大，而磁导率越小。形变影响原因：在临界变形度以下，只有少量晶粒发生了塑性变形，整个晶体的应力状态比较简单，沿铁丝轴向应力状态有利于磁畴在去磁后的反向可逆转动而使Br降低；在临界变形度以下，晶体中大部分晶粒参与形变，应力状态复杂，内应力增加明显，不利于磁畴在去磁后的反向可逆转动，因而使Br随形变量的增加而增加。冷塑性变形不影响饱和磁化强度。十五、铁磁金属化合物的磁性特点：铁磁金属与顺磁或抗磁金属所组成的化合物和中间相都是顺磁性的；铁磁金属与非金属所组成的化合物Fe304，FeSi2,FeS等均呈亚铁磁性，即两相邻原子的自旋磁矩反平行排列，而又没有完全抵消。而FeC和FeN则为弱铁磁性。34名词解释：最大磁能积：是指磁铁Bm与Hm的乘积，磁能积随B而变化的关系曲线称为磁能曲线，其中一点对应的Bd和Hd的乘积有最大值。磁滞损耗：是铁磁体等在反复磁化过程中因磁滞现象而消耗的能量。如果磁性材料在外加磁场中被均匀磁化，内部由其自身产生的退磁场Hd将和材料的磁化强度M成正比，即可以表示成如下形式：Hd=-NM式中，N是比例系数，称为退磁因子，其数值和材料的几何形状有关。负号表示在材料内部Hd和M两者的方向相反。磁各向异性是指物质的磁性随方向而变的现象。磁畴理论是用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。所谓磁畴，是指铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。穆斯堡尔效应（Mbssbauereffect），即原子核辐射的无反冲共振吸收。核磁共振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。同质异能位移又称r射线能量的化学移。它是由穆斯堡尔核的核电荷分布与核周围的电子（s电子）之间静电作用引起的。塞曼效应（Zeemaneffect），在原子、分子物理学和化学中的光谱分析里是指原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象。（塞曼效应的产生是原子磁矩与外加磁场作用的结果）原子核的塞曼效应：此系原子核磁矩在外磁场作用下所引起的核能级分裂现象。N型半导体：也称为电子型半导体。N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。P型半导体：也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。类氢体系：满带电子吸收能量小于禁带Eg的光子后，激发到一个激子能级，并与一个空穴束缚在一起，形成类氢体系 激子。空穴导电：N型半导体的多数载流子是电子，P型半导体的多数载流子是空穴。当大量自由电子在这些空穴定向运动时，就等效为正的质子沿电子反向流动，从而形成电流，即为空穴导电。费米能级：就一个由费米子组成的微观体系而言，每个费米子都处在各自的量子能态上。禁带：是指晶体中相邻两能带间的能量范围。价带：或称价电带，通常是指半导体或绝缘体中，在绝对零度下能被电子占满的最高能带导带：是由自由电子形成的能量空间。即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。迁移率：是指单位电场强度下所产生的载流子平均漂移速度。它的单位是厘米2/（伏-秒）。霍尔效应：当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，（这个电势差也被称为霍尔电势差。）光吸收：是光（电磁辐射）通过材料时，与材料发生相互作用，电磁辐射能量被部分地转化为其他能量形式的物理过程。色心：是指透明晶体中由点缺陷、点缺陷对或点缺陷群捕获电子或空穴而构成的一种缺陷。荧光体：有些物质能够吸收能量，并将所吸收的一部分能量以光的形式再发射出来。在大约1ps或者更短的时间内，能再发射光辐射的物质叫做荧光体。磷光体:是产生冷发光现象的物质，包括亮度衰减缓慢的（＞1ms）磷光材料和发光衰减在几十纳秒的荧光材料。毒化剂：在催化剂的制备或反应过程中，由于引入少量杂质，使催化剂的活性大大降低或完全丧失，并难以恢复到原有活性，这种现象称催化剂中毒。使催化剂中毒的物质称毒化剂，有些催化剂对于毒物非常敏感，微量的毒化剂即可使催化剂活性减小甚至消失。傅立叶定律是传热学中的基本定律，其表述形式如下：Q=一EQ是热流密度，k是热导率，VT是温度梯度。傅里叶定律的文字表述：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该界面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。需要指出的是，傅立叶定律在纳米尺度下，仍然适用，并且仍然是计算纳米线，纳米带热导率的最基本公式。热导率：又称“导热系数”。是物质导热能力的量度。符号为入或K。魏德曼-弗兰兹定律：在不太低的温度下,金属的导热系数与电导率之比正比于温度，其中比例常数的值不依赖于具体的金属.K£=LT（一） 半导体分类常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等，以硅、锗应用最广。化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。二元系化合物半导体有m-v族（如砷化镓、磷化镓、磷化铟等）、ii-w族（如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等）、w-w族（如硫化铅、硒化铅等）、w-w族（如碳化硅）化合物。三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体，如镓铝砷固溶体、镓锗砷磷固溶体等。有机化合物半导体有萘、蒽、聚丙烯腈等，还处于研究阶段。此外，还有非晶态和液态半导体材料，这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。（二） P-n结整流效应采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结（英语：PNjunction）。PN结具有单向导电性，是电子技术中许多器件所利用的特性，例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础。P-n结具有整流效应，具有单向导电性，正向电流密度随正向电压呈指数关系迅速增加，J=Jsexp（qV、mk0T）；依据m的不同，分别表现为复合电流为主，或扩散电流为主；理想情况下，反向电压下游：J=-Js。从PN结的形成原理可以看出，要想让PN结导通形成电流，必须消除其空间电荷区的内部电场的阻力。很显然，给它加一个反方向的更大的电场，即P区接外加电源的正极，N区结负极，就可以抵消其内部自建电场，使载流子可以继续运动，从而形成线性的正向电流。而外加反向电压则相当于内建电场的阻力更大，PN结不能导通，仅有极微弱的反向电流（由少数载流子的漂移运动形成，因少子数量有限，电流饱和）。当反向电压增大至某一数值时，因少子的数量和能量都增大，会碰撞破坏内部的共价键，使原来被束缚的电子和空穴被释放出来，不断增大电流，最终PN结将被击穿（变为导体）损坏，反向电流急剧增大。这就^N结的特性（单向导通、反向饱和漏电或击穿导体），也是晶体管和集成电路最基础、