功能材料概论-哈工大版.ppt

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1、1,功能材料概论Introduction to Functional Materials,2,课程简介,课程性质：专业基础课先修课程：无机化学，物理化学，高分子化学，高分子物理总 学 时：36学时教 材：功能材料概论殷景华 王雅珍等编参 考 书：现代功能材料及其应用郭卫生,汪济奎 功能材料学周馨我 新型功能材料 贡长生，张克立课程内容：1功能材料的科学基础 2金属功能材料 3无机非金属功能材料 4功能高分子材料,3,第一章 绪 论,现代文明的三大支柱-能源、信息和材料。材料是一切技术发展的物质基础。,4,一、材料科学及其发展,材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。师昌绪主编：材料大辞

2、典,材料是“具有一定性能的物质,可以用来制成一些机器、器件、结构和产品”美国科学院、工程院联合编写材料：人类的需求,1、什么是材料？,5,几乎所有的物质都可以称为是材料，但并不是所有的材料都能引起人们的广泛关注。那么，,什么样的材料值得我们关注？实用价值,6,材料实用价值的五个判据,资 源 能 源 环 保 经 济 质 量,7,考虑到上述各种因素之后，有人提出材料应该定义为：,人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质,8,2、材料科学及其发展,第一代（天然材料）：自然界的矿物、植物以及动物第二代（烧炼材料）：烧结：砖瓦、陶瓷、玻璃、水泥；冶炼：铜铁第三代（合成材料）：20世纪初出现化工产品，

3、塑料、橡胶、纤维等已广泛用于生活。第四代（可设计材料）：前三代为单一产品，于是根据需 要设计特殊性能的材料。例20世 纪40年代的复合材料 第五代智能材料：近三、四十年研制的新型功能材料，例记忆合金等。,9,材料科学的发展过程：P6,发现与使用自然材料 合成与设计材料 赋予材料生命体功能,10,20 世纪科学技术领域发生了一系列惊人的重大发现（原子能、航空航天、激光、信息、能源等领域），它有力地促进了材料的发展，使得材料在20 世纪中叶，发生了一次“革命性”的飞跃：超音速飞机(镍基超级合金)计 算 机(晶体管、半导体)航天飞机(高温结构陶瓷)这个飞跃的标志就是“材料科学”的形成。,11,3、材

4、料科学形成的背景 20 世纪中叶是苏美两个超级大国在各个领域进行全面竞争的时代。材料的竞争是其中的主要内容之一。1957 年苏联率先将人造地球卫星送上了天，从而引发了全球性的材料科学研究。美国从此相继成立了一些材料研究中心，正式将材料科学作为一个学科对待。,12,美国：50年代末美国政府就制定了全国材料发展规划，70 80 年代又进行了多次的补充和修正，把重点放在超硬化合物、半导体激光材料、磁性材料和精密陶瓷上。日本：在 1980 年开展了为期 10 年耗资 4 亿美元的新材料发展规划，重点领域为精密陶瓷、功能高分子、复合材料、生物材料等。欧洲：与前苏联也制订了类似的规划，竞争的项目也集中在这

5、些领域。,13,英国人悲哀地说：英国没有硅工业了，英国从第一流的经济大国变为了第二流的经济发达国家，而日本却从第二流的经济发达国家变成了第一流的经济大国。,14,二、材料的分类,15,1.按材料的组成分类,金属材料（纯金属、合金）：优良力学性能（强度、塑性）；可加工性；优异的物理性能。高分子材料（天然、合成）：密度小；比强度大；绝缘性好；耐腐蚀；易加工。无机非金属材料（陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料）：耐高温；抗腐蚀；高硬度；优良 介电、压电、光学、磁学性能。复合材料（玻璃钢，碳纤维聚合物，陶瓷基、金属基）：两种以上；特殊方法。,16,2.按材料内部原子排列情况分类,晶态材料 非晶态材料 液

6、态材料 气态材料,17,3.从材料尺度角度分类,三维材料-块体材料二维材料-薄膜、涂层等(金刚石薄膜、高温 超导薄膜、半导体薄膜、耐磨涂层)一维材料-纤维、晶须等(光导纤维、高强纤维)零维材料-粉 体,18,4.按材料的用途分类,结构材料(structural material)：是以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料，当然，结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。（例支撑件、连接件、传动件、紧固件）功能材料(functional material)：指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应

7、，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。（磁性、电子、信息、光学、敏感、能源）1965年由美国贝尔实验室的J.A.Morton博士首先提出功能材料概念。在国外，常将这类材料称为功能材料(Functional Materials)、特种材料(Speciality Materials)或精细材料(Fine Materials)。结构材料与功能材料的划分并不严格：生物医学材料？,19,材料的特定的功能与材料的特定结构是相联系的。如对于导电聚合物来说，它一般具有长链共轭双键；金属结构中由于弹性马氏体相变能产生记忆效应，因此出现了形状记忆合金；压电陶瓷

8、晶体必须有极轴等。,20,三、功能材料的特征和分类,21,1、功能材料的特征,与结构材料相比，有以下主要特征：1）功能材料的功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动，是最本质的特征。2）功能材料的聚集态和形态非常多样化，除晶态外，还有气态、液态、液晶态、非晶态、混合态和等离子态。除三维材料外，还有二维、一维和零维材料。3）结构材料常以材料形式为最终产品，而功能材料有相当一部分是以元件形式为最终产品，即材料元件一体化。,22,4）功能材料是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物。5）功能材料的制备技术不同于结构材料用的传统技术，而是采用许多先进的新工艺和新技术，如急冷、超净、超微、超纯、薄

9、膜化、集成化、微型化、智能化以及精细控制和检测技术。,23,2、功能材料的分类,功能材料的种类繁多，为了研究、生产和应用的方便，常把它分类。目前尚无统一的分类标准，由于着眼点不同，分类方法也不同，目前主要有以下六种分类方法：,24,即按材料的化学键、化学成分分类，功能材料可分为：金属功能材料；无机非金属功能材料；有机功能材料；复合功能材料等。,基于材料的物质性的分类,25,按材料的物理性质分类，功能材料可分为：磁性材料；电性材料、光学材料；声学材料；力学材料；化学功能材料；热学功能材料；生物医学功能材料，核功能材料等。目前，现代技术对物理功能材料的需求最多，因此，物理功能材料发展最快，品种多，

10、功能新，商品化率和实用化率高。有时，习惯上把功能材料和物理功能材料看作一个名称。,基于材料的物理性质、功能分类,26,基于材料的应用领域的分类,按材料的应用领域，功能材料可分为仪器仪表材料；电子材料；军工材料；反应堆材料；信息工业用材料；能源材料；生物医学工程材料等。,27,按聚集态分类：气态、液态、固态、液晶态、非晶态、混合态功能材料等。按材料形态分类：体积、膜、纤维和颗粒等功能材料。按维度分类：三维、二维、一维和零维功能材料。三维材料即固态体相材料；二维、一维和零维能材料分别为其厚度、径度和粒度小到纳米量级的薄膜、纤维和微粒，其主要特征是具有量子化效应。,28,四、功能设计的原理和方法,2

11、9,下图为材料显示功能的示意图。,输入,材料,输出,材料的功能显示过程是指向材料输入某种能量，经过材料的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。,30,功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次功能材料。,31,当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用。材料的这种功能称为一次功能。以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料。,、一次功能,32,一次功能主要有下面的八种。力学功能。如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、恒弹性、高弹性、振动性和防震性。声功能。如隔音性、吸音性。热功能。如传热性、隔热性、吸热性和蓄热性等。电功能。如

12、导电性、超导性、绝缘性和电阻等。,33,磁功能。如硬磁性、软磁性、半硬磁性等。光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等。化学功能。如吸附作用、气体吸收性、催化作用、生物化学反应、酶反应等。其他功能。如放射特性、电磁波特性等。,34,当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。有人认为这种材料才是真正的功能材料。,、二次功能,35,二次功能按能量的转换系统可分为如下四类。,光能与其他形式能量的转换；电能与其他形式能量的转换；磁能与其他形式能量的转换；机械能与其他形式能量的转换。,36,

13、如光合成反应、光分解反应、光化反应、光致抗蚀、化学发光，感光反应，光致伸缩，光生伏特效应和光导电效应。,光能与其他形式能量的转换,37,如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应、场致发光效应、电化学效应和电光效应等。,电能与其他形式能量的转换,38,磁能与其他形式能量的转换,如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效应和磁性转变效应等。,39,机械能与其他形式能量的转换。,如形状记忆效应、热弹性效应、机械化学效应、压电效应、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应和磁致伸缩效应等。,40,无论哪种功能材料，其能量传递过程或者能量转换形式所涉及的微观过程都与固体物理和固体化学相联系。正是这两门基础科学为

14、新兴学科功能材料科学的发展奠定了基础，从而也推动了功能材料的研究和应用。它们把功能材料推进到功能设计的时代。,41,所谓功能设计，就是赋予材料以一次功能或二次功能特性的科学方法。有人认为21世纪将逐渐实现按需设计材料。,42,材料科学与工程一般都认为由四要素组成，即结构/成分、合成/流程、性能与效能。但考虑到结构与成分并非同义词，相同成分通过不同制备方法可以得到不同结构，从而使材料出现不同性能，所以材料科学与工程应为五要素，即成分、合成/流程、结构、性能与效能。根据材料所要求的性能不同，材料设计可以从电子、光子出发也可从原子、原子集团出发，可以从微观、显微到宏观。,43,材料设计是一个很复杂的

15、过程：如材料的制备与存在状态往往属于非平衡热力学；有些结构敏感性质(材料的力学性质)的可变因素太多，即使一个微小缺陷都会产生很大影响；表面与内部结构及性质的不一致性；复杂的环境因素等等。,44,材料设计的实现是一个长期过程，其最终应达到提出一个需求目标就可设计出成分、制造流程并做出合乎要求的工程材料以至零件、器件或构件。,45,为实现材料设计，必须开展深入的基础研究，以了解物质结构与性能的关系；要建立完整的精确的数据库；建立正确的物理模型；需要有大容量计算机；更重要的是要不同学科科学家与工程技术人员的通力合作。,46,五、功能材料的现状与展望,47,功能材料的现状,近几年来，功能材料迅速发展，

16、已有几十大类，10万多品种，且每年都有大量新品种问世。现已开发的以物理功能材料最多，主要有：1）单功能材料，如：导电材料、介电材料、铁电材料、磁性材料、磁信息材料、发热材料、热控材料、光学材料、激光材料、红外材料等。2）功能转换材料，如：压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、声光材料、电流变材料、磁敏材料、磁致伸缩材料、电色材料等。,48,功能材料的现状,3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防热、防激光和防核）、电磁材料等。4）复合和综合功能材料，如：形状记忆材料、隐身材料、传感材料、智能材料、显示材料、分离功能材料、环境材料、电磁屏蔽材料等。5）新形态和新概念功能材料，如：液晶材料、

17、梯度材料、纳米材料、非平衡材料等。目前，化学和生物功能材料的种类虽较少，但其发展速度很快，其功能也更多样化。,49,功能材料的展望,展望21世纪，功能材料的发展趋势为：1）开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域（航空航天、分子电子学、新能源、海洋技术和生命科学等）所需和在极端条件下（超高温、超高压、超低温、强腐蚀、高真空、强辐射等）工作的高性能功能材料。2）功能材料的功能从单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低级功能向高级功能发展。,50,功能材料的展望,3）功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密积化和超分子化。4）功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构化，结构材料功能化。5

18、）进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺。6）完善和发展功能材料检测和评价的方法。7）加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域，加强推广成熟的研究成果，以形成生产力。,51,六、功能材料的内容和相关学科,52,功能材料的内容和相关学科,1.功能材料学科的内容：1）功能材料学是研究功能材料的成分、结构、性能、应用及其间的关系，在此基础上，研究功能材料的设计和发展途径；2）功能材料工程学是研究功能材料的合成、制备、提纯、改性、储存和使用的技术和工艺；3）功能材料的表征和测试技术是研究一般通用的理化测试技术在功能材料上的应用和各类功能材料特征功能的测试技术和表征。,53,功能材料的内

19、容和相关学科,2.相关的学科功能材料学科是一门与多学科交叉的学科，与其相关的学科很多，主要有：1）基础学科：固体物理、结构化学、无机化学、有机高分子化学、生物和医学等；2）工艺类学科：材料类、化工、冶金、硅酸盐、陶瓷、制药等学科；3）现代技术类学科：光、电、磁、声、热等；4）分析测试类学科：成分、结构、显微等。,54,第二章 晶体学基础及材料性能,本章要讨论的主要问题是：一、原子是以何种聚集方式形成固体结构的？二、如何描述晶体中原子的排列？三、晶体类型 四、晶体缺陷 五、晶体的结构和性能,55,一、基本概念,56,1.固体及其属性,固体:是物质存在的一种状态。与液体和气体相比固体有比较固定的体

20、积和形状、质地比较坚硬 特点:微观：具有固体性（质点在确定的位置平衡振动，不易发生运动）宏观：有确定的外形。,57,固体中原子排列的作用,原子排列,研究固态物质的内部结构，即原子排列和分布规律是了解掌握材料性能的基础，才能从内部找到改善和发展新材料的途径。,组织,性能,58,2.晶体及其特点,固态物质按其原子或分子的聚集状态可分为两大类，一类是晶体，另一类是非晶体。晶体：就是原子（或离子、分子、原子集团）在三维空间呈有规律的周期性重复排列的固体。即不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一定的距离就出现相同的原子或原子集团。这个距离也称为周期。显然，沿不同的方向有不同的周期。特点：1.各向异性：不同

21、方向原子的排列方式不相同，因而其表现的性能也有差异2.固定的熔点：排列规律能保持时呈现固体，温度升高到某一特定值，排列方式的解体，原子成无规则堆积，这时大多呈现不能保持自己形状的液体3.规则外形：理想环境中生长的晶体应为凸多边形。4.自范性：晶体能够自发地呈现封闭的规则的外形。,59,非晶体(Amorphous)不具有上述特征。在非晶体中原子（或分子、离子）无规则地堆积在一起。液体和气体都是非晶体。在液体中，原子也处于相对紧密聚集的状态，但不存在长程的周期性排列。特点：1.各向同性；2.黏度为其力学性能的基本参数，能保持自己形状的为固体，不能保持自己形状的为液体；3.随温度的升高黏度减小，在液

22、体和固体之间没有明显的温度界限。,3.非晶体及其特点,60,非晶体(石英玻璃)：没有规则的外形，各向同性，没有固定的熔点。,石英晶体,61,简单而言：晶体就是短程、长程有序；非晶体是短程有序，长程无序,62,固态的非晶体实际上是一种过冷状态的液体，只是它的物理性质不同于通常的液体。玻璃是一个典型的固态非晶体，所以，往往将非晶态称为玻璃态。几点说明：（1）绝大多数固体物质为晶体；（2）晶态与非晶态在一定的条件下可以相互转化；如非晶态的玻璃经高温长时间加热后即可转变为晶态玻璃。（3）晶体有固定的熔点，而非晶体只有一个软化温度范围.,63,4、空间点阵（Space Lattice）晶体中原子或原子集

23、团排列的周期性规律，可以用一些在空间有规律分布的几何点来表示。并且，令沿任一方向上相邻点之间的距离就等于晶体沿该方向的周期。这样的几何点的集合就构成空间点阵（简称点阵），每个几何点称为点阵的结点或阵点。,特点:点阵是由无限多个点组成;每个点周围的环境相同;同一个方向上相邻点之间的距离一样.,64,既然点阵只是表示原子或原子集团分布规律的一种几何抽象，那么，每个结点就不一定代表一个原子。就是说，可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点有一群原子（原子集团）。但是，每个结点周围的环境（包括原子的种类和分布）必须相同，亦即点阵的结点都是等同点。,5.晶体结构与空间点阵,晶体结构空间点阵结构

24、基元结构基元：原子、分子或其集团,65,6.晶格与晶胞,晶格：为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置作为节点，人为地将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为晶格。晶胞：构成晶格的最基本单元。晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵，通常为小的平行六面体。晶胞要顺序满足能充分反映整个空间点阵的对称性，具有尽可能多的直角，体积要最小。（晶胞选择的原则）,66,原胞和晶胞（了解内容）,由一组基矢围起来的最小重复单元就叫原胞(或初基单胞Primitive Cell)。(固体物理常用)。原胞往往不能反映晶体的对称性,因而,习惯上常选择能反映晶体对称性的重复单元

25、,这种重复单元就叫晶胞（conventional cell）(或非初基单胞,nonprimitive cell)。晶胞一般不是最小的重复单元。其体积（面积）可以是原胞的数倍。,67,晶体与点阵的对应关系：,抽象 空间点阵 空间点阵单位 平面点阵 直线点阵 点阵点,具体,内容,晶体 晶胞 晶面 晶棱 结构基元,68,晶胞：晶体结构基本单元晶体常数（点阵常数）:（a,b,c)size（,)shape,7.点阵常数,可决定平行六面体尺寸和形状。,69,8.晶系,按点阵常数的特征对晶体的分类。,70,布拉菲点阵(14种）,按照“每个阵点的周围环境相同“的要求，布拉菲（Bravais A。）用数学方法推

26、导出能够反映空间点阵全部特征的单位平面六面体只有14种，这14种空间点阵也称布拉菲阵。,71,9.晶向和晶向指数,晶向：空间点阵中各阵点列的方向代表晶体中原子排列的方向。晶向指数：是表示晶体中点阵方向的指数，有晶向上阵点的坐标值决定。,72,10.1晶向指数的确定,建立坐标系 确定坐标值 化整并加方括号,73,10.2求晶向指数的另一种方法,确定起点的坐标x1,y1,z1确定终点的坐标x2,y2,z2得到矢量x2-x1,y2-y1,z2-z1化整,74,说明：一个晶向代表相互平行，方向一致的所有晶向 两晶向相互平行但方向相反，则数字相同但符号相反。,75,10.3晶面指数,晶面指数标定步骤：在

27、点阵中设定参考坐标系，设置方法与确定晶向指数时相同；求得待定晶面在三个晶轴上的截距，若该晶面与某轴平行，则在此轴上截距为无穷大；若该晶面与某轴负方向相截，则在此轴上截距为一负值；取各截距的倒数；将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为(h k l)。,正交点阵中一些晶面的面指数,76,晶面指数的意义：1、晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着 一组相互平行的晶面。2、在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以h k l表示，它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。,77,11.晶体结构的对称性,晶体的宏观对称元素

28、和微观对称元素：,宏观对称性 晶体的对称性最直观地表现在其几何外形上，由于晶体外形为有限的几何图形，故晶体外形上所体现的对称性与分子一样为点对称性，称为宏观对称性。有四种类型的对称操作和对称元素 旋转 旋转轴 反映 反映面(镜面)反演 对称中心 旋转反演 反轴,78,晶体的微观对称性,由于晶体内部结构为点阵结构，点阵结构是一种无限的几何对称图形。故晶体结构具有这种基本的空间对称性(通过平移对称操作能使点阵结构复原)，常称为晶体的微观对称性.平移 点阵 螺旋 螺旋轴 滑移 滑移面,79,80,化学键与晶体类型,81,晶体结构基本类型1、金属晶体：性质：容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。组成

29、粒子：阳离子和自由电子 作用力：金属键，金属阳离子和自由电子之间的作用力结构特点：密堆程度高；对称性高；配位数高结构特点：多数金属以面心立方排列，配位数为12,82,熔点最低的金属是-,汞,熔点最高的金属是-,钨,密度最小的金属是-,锂,密度最大的金属是-,锇,硬度最小的金属是-,铯,硬度最大的金属是-,铬,最活泼的金属是-,铯,最稳定的金属是-,金,延性最好的金属是-,铂,展性最好的金属是-,金,83,延性是一种物理特性。其所指的是，材料在受力而产生破坏之前的塑性变形能力。,展性指物体可以压成薄片的性质,84,离子晶体,由阳离子与阴离子通过离子键结合而形成的晶体称为离子晶体。这种作用力本质是

30、静电作用力，无方向性和饱和性，其键的极性和元素的电负性有关离子晶体一般具有较高的熔点、沸点和较大的硬度。典型的结构有两种：NaCl结构：配位数为6CsCl结构：配位数为8,85,NaCl,CsCl,86,原子晶体,原子间通过共价键结合成的具有空间网状结构的晶体。这种作用的特点是方向性和饱和性熔沸点很高，硬度很大，难溶于一般溶剂。,87,分子晶体,定义：分子间以分子间作用力相结合形成的晶体。这种作用力的特点是无方向性和饱和性。物理性质：低熔点、低沸点、高挥发性、硬度小、不导电性,88,晶体缺陷,89,晶体缺陷,晶体缺陷（晶格的不完整性）：晶体中任何对完整周期性结构的偏离就是晶体的缺陷。,晶体的缺

31、陷,化学缺陷：,没有杂质的具有理想的化学配比的晶体中的缺陷，如空位，填隙原子，位错。,结构缺陷：,由于掺入杂质或同位素，或者化学配比偏离理想情况的化合物晶体中的缺陷，如杂质、色心等。,90,意 义：1）实际晶体存在缺陷；2）功能材料需要人为制造缺陷（例人造宝石）；3）材料制备过程质点扩散缺陷,91,晶体缺陷的类型,分类方式：几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等,92,一、按缺陷的几何形态分类,1.点缺陷 2.线缺陷 3.面缺陷,93,1.点缺陷（零维缺陷）缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。包括：空位（vacancy）、间隙原

32、子（interstitial particle）、异类原子（foreign particle），如图1-1所示。点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。,94,图1-1 晶体中的点缺陷,(a)空位,(b)异类原子,(c)间隙原子,95,2.线缺陷（一维缺陷）,指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错（dislocation），如图1-2所示。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。,96,图2-2(a)刃型位错(b)螺型位错,(a),(b),97,3.面缺陷,面缺陷又称为二维缺陷，是指在二

33、维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、相界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。,98,二、按缺陷产生的原因分类,1.热缺陷 2.杂质缺陷 3.非化学计量缺陷 4.其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等,99,导体、绝缘体和半导体,1、导体：善于传导电流的物体，其电阻率很小,2、绝缘体：电阻率极高的物体,3、半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间,4、晶体的能带结构,1947年12月，美国贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱三人利用半导体材料锗制成第一个晶体管，同获1956年诺贝尔物理学奖。,100,

34、（1）、能带的形成,a、外层电子共有化,对大量原子有规则地排列成晶体时，由于原子离得很近，每个电子不仅受到本身原子核的作用，而且受到邻近原子核的影响,内层电子因受原子核的牢牢束缚而影响较小；价电子或外层电子却不同，外层电子受邻近原子的作用更强，容易脱离原来的原子而进入到其他原子当中。即电子不再分属各个原子所有，而是属于整个原子所共有，这称电子的共有化，,b、能带的形成,101,因为当有N个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能级，它们是N重简并的，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相容原则）从而只能分裂成N个非常靠近的能级（10-22

35、ev），因为能量差甚小，可看成能量连续的区域，称为能带。,102,（2）电子填空能带的情况,a、满带：各能级都被两个自旋相反电子填满的能带,满带,当电子从原来状态转移到另一状态时，另一电子必作相反的转移。没有额外的定向运动。满带中电子不能形成电流。,103,导带,电子可在外场作用下跃迁到高一级的能级形成电流。故称为导带。,b、导带：能级没有被电子填满的能带,c、空带：各能级都没有被电子填充的能带,d、价带：价电子所处的带称为价带,104,（3）金属、半导体、绝缘体的能带结构,a、导体：价带是导带或等效导带,导带,满带,满带,空带,满带,空带,重叠,相连,b、绝缘体：只有满带和空带，且禁带宽度较

36、大,满带,空带,例如金刚石中两个碳原子相距15纳米时，Eg=5.33电子伏。,105,c、半导体：价带是满带，但是禁带宽度较小,导体、半导体、绝缘体的不同，主要是能带结构不同,禁带,例如硅Eg=1.14电子伏，锗Eg=0.67电子伏，砷化镓Eg=1.43电子伏。,金属导电与半导体导电的差别：金属导电的载流子是自由电子，半导体导电的载流子是导带中的电子和价带中的空穴。,106,二、本征半导体与杂质半导体,1、本征半导体：不含杂质的纯净半导体，很少实际应用,导电机制：,（本征导电）,107,2、杂质半导体：有n型和p型,n型：本征半导体中掺入微量五价的杂质原子，多余电子导电,例在四价锗（Ge）元素

37、半导体中掺入五价砷（AS）所形成的半导体,掺入AS以后，五个价电子中，有四个电子与周围的Ge组成共价键晶体，还多余一个电子，此电子成为自由电子,108,p型：本征半导体中掺入微量三价的杂质原子，空穴导电,例在四价锗（Ge）元素半导体中掺入三价硼（B）所形成的半导体,掺入B以后，B是三价，与周围的Ge组成共价键晶体，还缺少一个电子，从而形成一个空穴，形成空穴导电。,109,三、半导体硅材料,单晶硅是做半导体器件和集成电路时用得最多(95%)的材料,1、硅在地壳中含量较高，成本低,2、硅器件性能较稳定,世界上95%以上的半导体器件用硅制成的原因：硅占地壳总重量的27%；硅禁带宽度大，做成器件性能稳

38、定；硅机械强度高，结晶性好。,3、硅机械强度高，结晶性好，其提炼和制成单晶的工艺成熟,另：砷化镓制成的集成电路在响应速度,耐高温,抗辐射方面都优于硅集成电路，但制作难度大,价格昂贵,110,超导性,111,1.超导电现象,超导电现象 某些材料在温度低于某一温度时，电阻突然降到零的现象。具有超导电性的材料称为超导体，电阻降为零的温度称为转变温度或临界温度。,112,对于氧化物超导体，其转变温度范围较宽。,氧化物超导体的转变温度,电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度定义为转变温度。,转变宽度,113,高温超导体的电子显微镜图象,114,2.超导体的主要特性,（1）零电阻 超导体处于超导态时电阻完

39、全消失，若形成回路，一旦回路中有电流，该电流将无衰减地持续下去。,（2）临界磁场与临界电流 材料的超导态可以被外加磁场破坏而转入正常态，这种破坏超导态所需的最小磁场强度称为临界磁场。临界磁场的存在，限制了超导体中能够通过的电流。当通过超导体的电流超过某一电流值时，超导态被破坏，此电流称为临界电流。,115,（3）迈斯纳效应完全抗磁性 在使样品转变为超导态的过程中，无论先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，超导体内的磁感应强度总是为零。,（4）同位素效应 同位素的质量越大，转变温度越低。同位素效应说明超导不仅与电子状态有关，也与金属的离子晶格有关。,116,磁性能,117,物质的磁性能,磁性材料主

40、要是指由过度元素铁、钴、镍极其合金等材料。它们主要的磁性能如下。,一、高磁导率,磁性材料的磁导率很大，r1，可达102105量级。这就使它们具有被强烈磁化（呈现磁性）的特性。为什么磁性物质具有被磁化的特性呢？如果想了解的话，就要从磁性物质的内部特性来讨论。,非磁性物质的相对磁导率为常数且接近于1；磁性物质的相对磁导率则很大。,118,分子电流和磁畴理论：,在物质的分子中，电子的绕核运动和自转将形成分子电流，分子电流产生磁场，每个分子都相当于一个基本小磁铁。,同时，在磁性物质内部还分成许多小区域；由于磁性物质分子的相互作用，使分子电流在局部形成有序排列而显示出磁性，这些小区域称为磁畴。,磁性物质

41、没有外场时，各磁畴是混乱排列的，磁场互相抵消。,119,在外磁场作用下，磁畴就逐渐转到与外场一致的方向上，即产生了一个与外场方向一致的磁化磁场，从而磁性物质内的磁感应强度大大增加。就是说磁性物质被强烈的磁化了。,磁性物质被广泛地应用于电工设备中，电动机、电磁铁、变压器等设备中线圈中都含有的铁心。就是利用其磁导率大的特性，使得在较小的电流情况下得到尽可能大的磁感应强度和磁通。,非磁性材料没有磁畴的结构，不具有磁化特性。,120,二、磁饱和性,H,B,B0,B,BJ,O,磁化曲线,H,B，,O,B,与H的关系,B0 是真空情况下的磁感应强度；,BJ 是磁化产生的磁感应强度；,B 是介质中的总磁感应

42、强度。,磁性物质的不是常数，与H也不存在正比关系。,当外磁场(或激励磁场的电流)增大到一定程度时，全部磁畴都会转向与外场方向一致，这时的磁感应强度将达到饱和值。,121,三、磁滞性,1,2,3,4,5,磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性。如图为磁性物质的滞回曲线。,要使剩磁消失，通常需进行反向磁化。使B=0时的 H 值称为 矫顽磁力 Hc。,6,在铁心线圈通有交变电流时，铁心将受到交变磁化。电流变化一次时，B随H而变化的关系如图所示。,不同物质的滞回曲线是不同的。,从图中可以看出，当H减少为零时，B 并未回到零值，出现剩磁Br。,122,磁性物质的分类,(1)软磁材料,矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。(铁心),(2)永磁材料,矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。(磁铁),(3)矩磁材料,剩磁大而矫顽磁力小，磁滞回线为矩形。(记忆元件),根据滞回曲线和磁化曲线的不同，大致分成三类：,