材料物理复习

材料强化

一、决定材料强度的关键因素

1.原子之间的结合力

2. 位错

二、位错类型以及运动

①类型：刃型位错；螺型位错；混合位错

②运动：

滑移：沿着滑移面移动的位错运动

攀移：沿着垂直于滑移面移动的位错运动

三、衡量材料力学性质的参数

①断裂韧性：就是表示含有裂纹的材料所能承受的应力断裂韧性。

材料抵抗裂纹扩展的能力与许多因素有关：

（1）裂纹尺寸a越大，许可应力σ越低。

（2）材料发生塑性变形的能力非常重要。

（3）厚试样的断裂韧性比薄试样的要小。

（4）增加负载速率，像冲击试验那样，往往会减小材料的断裂韧性。

（5）与冲击试验相同，降低温度会减小材料的断裂韧性。

（6）减小晶粒尺寸一般可以改善断裂韧性。

测量：利用含有一个已知尺寸的裂纹的试样，可以测得该裂纹开始扩展并导致材料发生断裂时的临界K值。这个临界应力强度因子定义为材料的断裂韧性Kc。

四、固溶强化＆共析强化

(一)固溶强化

金属材料通过形成固溶体合金，可以实现固溶强化的目的。

固溶强化的效果决定因素：

1.溶剂原子和溶质原子的尺寸差别越大，固溶强化的效果越大

2.添加的合金元素越多，固溶强化的效果也越大

固溶强化对材料性质的影响：

①合金的屈服强度，抗拉强度，硬度等会超过纯金属。

②几乎所有的合金的塑性都低于纯金属。但是，铜锌合金的强度和塑性都高于纯铜，这

是一个例外。

③合金的导电率大大低于纯金属。所以不应该用固溶强化的铜合金或铝合金作导线。

④固溶强化能够改善合金的抗蠕变性能。高温环境不会明显损害固溶强化效果。（二）固态相变强化与共析反应

共析反应是固态相变强化的重要手段。

从一个固相S1转变成两个固相S2和S3的反应，如下公式所示: S1 → S2 + S3

固相之间的反应，所以在热处理时，可以先将材料加热到形成固相S1的温度，然后在冷却过程中利用共析反应得到S2和S3两个固相，作为共析反应产物的两个固相可以使合金实现弥散强化。

金属电导

一、金属费米球的概念，为什么金属导电导热，哪部分电子起了作用

特鲁德模型解释：

导热：

二、金属电阻，马基申定则

马基申定则：把固溶体的电阻看成由金属的基本电阻和残余电阻组成。这实际上表明，在一级近似下不同散射机制对电阻的贡献可以加法求和。

式中为与温度有关的金属基本电阻，即溶剂金属(纯金属)的电阻；

为决定于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的残余电阻。化学缺陷为偶然存在的杂质原子以及人工加入的合金元素原子。物理缺陷系空位、间隙原子、位错以及它们的复合体。

超导物理

一、两大属性

①直流零电阻性（完全导电性）

②抗磁性（在内部磁场感应强度为0）

二、与理想导体的区别

理想导体定义为在它里面不存在任何散射电子机制的一种导体。

理想导体也有零电阻效应。但是如果在T>Tc 时，先使这种导体磁化，这时它还没有达到电阻率为零的理想状态，内部可以存在磁场，然后使温度下降到T

半导体物理

一、能带理论，导带；价带；禁带

①能带的形成：设有N个原子结合成固体，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(固体)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 ,ml ,ms),因而就不能再占有一个能级，而是分裂为N个微有不同的分立能级。由于N是一个很大的数，这些分立能级相距很近，看起来几乎是连续的，从而形成一条有一定宽度?E的能带。

从能量的角度看，如果电子只有原子内运动（孤立原子情况），电子的能量取分立的能级；若电子只有共有化运动（自由电子情况），电子的能量连续取值。由于晶体中电子的运动介于自由电子与孤立原子之间，既有共有化运动也有原子内运动，因此，电子的能量取值就表现为由能量的允带和禁带相间组成的能带结构。

上述方法求出的电子能量状态将不再是分立的能级，而是由能量上可以填充的部分（允带）和禁止填充的部分（禁带）相间组成的能带，所以这种理论称为能带论。

②导带：未填满电子的能带称为导带。

③价带：由价电子能级分裂而成的能带称为价带。

④禁带：在能带之间没有可能量子态的能量区域叫禁带。

二、n\p型半导体的判断

n型半导体：如果在硅或锗中添加锑或磷的5价元素，那么锑或磷中的4个价电子参与共价键的结合，富余的那个价电子由于与本身原子的结合较松，很容易激发到导带，因此这种杂质增加了导带中的电子数，从而增加其导电性能。这种提供电子作为载流子的杂质元素称为施主。掺入了施主杂质的非本征半导体以负电荷（电子）作为载流子，所以称为n（negative，表示负电荷的意思）型半导体。

P型半导体：如果在硅或锗中添加的杂质是镓（Ga）等3价元素，结果构成了共价键少一个电子,相应在价带顶部附近产生一个未被电子占据的局部能级。显然，价带中电子受热激发易填入这些能级中去，从而增加了价带中的空穴，增大其导电性。向本征半导体提供空穴作为载流子的杂质元素称为受主。掺入了受主杂质的非本征半导体以正电荷（空穴）作为载流子，所以称为p（positive，表示正电荷的意思）型半导体。

区别n\p型半导体方法：利用示波器显示半导体材料在交流信号时的伏安曲线，在对一个接触电极进行加热的状态下测试半导体材料的电导率，测量半导体材料的霍尔效应的极性等。

三、能带结构图，p-n结，p-n结的整流效应

①能带结构图

由于固体镁的3p能带与3s能带有重叠，这种重叠使得电子能够激发到3s和3p的重叠能带里的高能级，所以镁具有导电性。

在金刚石的价带和导带之间有一个较大的禁带Eg。很少有电子具有足够的能量，能够从价带跃迁到导带去。所以金刚石的电导率很低。

虽然锗、硅和锡的能带结构与金刚石相似，但这些材料的禁带宽度Eg 较小。实际上，锡的禁带宽度小得使它具有类似导体的导电性。而禁带宽度Eg稍大一点的锗和硅成了典型的半导体。

② P-n结：不同类型半导体间接触（构成PN结）或半导体与金属接触时，因电子（或空穴）浓度差而产生扩散，在接触处形成位垒，因而这类接触具有单向导电性。

p-n结能级状态图：

③p-n结整流效应

以接触面为界限，n型区域有一个带正电的空间电荷层，在p型区域有一个带负电的空间电荷层，这个空间电荷层产生一个自建电场。逆着自建电场的方向，即p型区域为正电位，n型区域为负电位时（正向偏置电压），消弱势垒区的电场强度，载流子容易流动。而顺着自建电场的方向，即p型区域为负电位，n型区域为正电位时，载流子不容易流动。这就是p-n结整流的原理。

四、①余辉效应；②激光二极管（激光如何产生）；③光伏特效应

①余辉效应：如果荧光材料中含有一些微量杂质，且这些杂质的能级位于禁带内，相当于陷阱能级(Ed)，从价带被激发的电子进入导带后，就会掉入这些陷阱能级。因为这些被陷阱能级所捕获的激发电子必须首先脱离陷阱能级进入导带，然后这些电子跃回到价带，才能发出可见光，所以它们被入射光子激发后，需要延迟一段时间才会发光，这样就出现了所谓的余辉现象。

余辉时间取决于这些陷阱能级与导带之间的能级差，即陷阱能级深度。

②激光二极管（激光如何产生）

对于高浓度掺杂的半导体p-n结，由于杂质浓度很高，n型区内来自杂质能级的载流子电子非常多，费密能级位于导带之中。另外，p型区的价带中的载流子空穴也非常多，p型区的费密能级位于价带之中。当加上正向偏压时，n区向p区注入载流子电子，而p区向n区注入载流子空穴。

激光二极管为高浓度掺杂半导体，平衡时势垒很高，所加正向电压不足以使势垒消失。这些载流子电子和载流子空穴聚集在p-n结附近，形成所谓的激活区。

（激光产生原理）如果处于高能级上的电子数大于处于低能级上的电子数，受激辐射就会超过光吸收，而导致激光的产生。

③光伏特效应

受光激发后，在n型硅与p型硅结合区域，会产生大量的空穴载流子和电子载流子。一部分电子载流子会移动到能级较低的n型导带，空穴载流子会移动到能级较低的p型价带。n型中负电荷增加，在p型中正电荷增加，形成电流。电荷增加不会无限进行下去，正负电荷分离后，会产生反电位阻止正负电荷进一步积累。反电位与正负电荷移动趋势相互平衡，就是该太阳能电池最大电动势。

五、金属与半导体的接触：①整流接触；②欧姆接触

①整流接触

n型半导体与金属接触的情况

假设ФM>ФS

如果加上偏压，使金属与负极连接，半导体与正极连接，电子在此偏压的作用下从金属流向半导体，要越过一个很大的势垒。故此时为反向偏压，电流很小。如果使金属与正极连接，半导体与负极连接，电子在此偏压下从半导体流向金属，要越过的势垒较小，此时为正向偏压，电流较大。所以这样的金属与半导体接触状态具有整流效应。

②欧姆接触

当n型半导体与金属接触，且ФM <ФS时

此时金属的费密能级较高，电子从金属流向半导体，使金属表面带正电。半导体表面因积累电子而带负电，半导体内部电子增多而费密能级上升。当半导体和金属的费密能级相等时，电子停止流动，达到平衡状态。半导体表面能带向下弯曲，金属与半导体界面没有势垒。无论所加的偏压极性如何，电子都可以自由通过界面，此时的半导体与金属的接触状态称为欧姆接触。

当p型半导体与金属接触，且ФM>ФS时，也形成欧姆接触。

电介质物理

基本概念：

①电介质是在电场作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物质。

②电介质具有极化能力和其中能够长期存在电场的性质是电介质的基本属性。

③电介质体内一般没有自由电荷，具有良好的绝缘性能。

④电介质又可称为绝缘材料（insulating material）或绝缘体（insulator）

⑤分为极性电介质＆非极性电介质

一、极化，分子极化的来源

分子极化的来源：

①电子位移极化：由于电场的作用，构成它的原子、离子中的电子云将发生畸变，使电子云与原子核发生相对位移，在电场和恢复力的作用下，原子具有了一定的电偶极矩，这种电极化常被称为电子的位移极化Pe。

②离子极化：由于电场的作用，分子中正负离子发生相对位移（键间角或离子间距的改变），因而产生感应电矩。这种电极化称为离子的位移极化。

③偶极矩的转向极化：若分子具有固有电矩，而在外电场作用下，电矩的转向所产生的电

极化，称为转向极化Pd。

二、电子电导，离子电导

（1）离子电导：

各种离子型载流子在电场作用下的运动是一种在热激活下越过势垒的定向漂移。

大部分电介质的离子电导是线性的，传导电流正比于所加的电压，符合欧姆定律。

①本征缺陷载流子

离子晶体中，束缚在晶格结点上的正、负离子在一般情况下是不能参与导电的。只有少量因热缺陷而产生的，脱离格点的填隙离子及空格点的正负离子才能够在电场的作用下作定向运动，参与导电过程。离子晶体中的热缺陷主要有肖特基（Shottky）缺陷和弗兰克尔（Frenkel）缺陷两种。

②杂质缺陷载流子

实际电介质材料中总是不可避免地存在着杂质的。有时候，为了改进材料的某些性质还有意地添加各种类型的杂质，称为掺杂改性。

杂质离子在晶格中产生点缺陷，破坏了晶格内部势场分布，从而使得晶格中的载流子易于在电场的作用下运动，增大电介质的电导。

复合缺陷在热离解后对于材料的电导有贡献，因此影响材料电导率随温度的变化。

晶体中杂质缺陷载流子的数量主要取决于材料的化学纯度以及掺杂量，与温度无关。

③质子

质子是含有氢键物体中所特有的一种载流子。在特殊情况下，质子可以在玻璃、聚合物等无定形物体中传导电流。质子电导与物体所吸附的水分有很大关系，并且对物体的表面电导影响很大。促进电导率。

（2）电子电导：

电介质的电子电导主要是由杂质本身以及由杂质形成的各种缺陷，特别是俘获了电子或空穴的各种复合缺陷在电场作用下发生电离造成的。此外，由外部电极注入材料内部的电子所产生的影响也是不可忽视的。

可动电子与空穴，在电介质内部参与电流传导过程时，可以分成两种运动类型:漂移运动和跳跃运动。

电子电导的另一个重要特点是电流传导的非线性关系。由于普尔-弗兰克尔效应和肖特基效应，在不十分高的电场下，参与电流传导的载流电子数与所加的电场有关。这就使得电流随电压的增加比欧姆定律所预期的来得快。

①非本征载流子：电介质中参与电流传导的可动电子和空穴主要是由杂质引入的，杂质对于材料电子结构的影响取决于基质和杂质本身的电子结构，对于金属氧化物来说，如果基质和杂质本身的禁带都很宽，而且杂质并没有在晶格中产生点缺陷（相当于等价代换），那么掺杂不会使材料的电子结构发生明显的改变。

②注入载流子：肖特基注入和隧道注入是最主要的载流子注入机制。

（3）表面电导：电介质的体积电导在很大程度上反映了材料本身的特征。电介质的表面电导则不仅与介质材料本身的性质有关，而且在更大程度上取决于材料表面的湿润、氧化和沾污状态。

三、电介质的击穿

概念：固体电介质的击穿就是在电场作用下伴随着热、化学、力等的作用而丧失其绝缘性能的现象.

特点：

①固体介质的击穿强度比气体和液体介质高

②固体通常总是在气体或液体环境媒质中

③固体介质的击穿一般是破坏性的，击穿后在试样留下贯穿的孔道、裂纹等不可恢复的伤痕（1）电击穿

当固体电介质承受的电压超过一定的数值VB时，就使其中相当大的电流通过，使介质丧失绝缘性能，这个过程就是电击穿。

产生机制：碰撞电离理论；雪崩理论；隧道击穿（导致晶体击穿的原因是由于隧道电流的增加，晶体局部温度提高，致使晶体局部熔融而破坏。）

（2）热击穿

当固体电介质在电场作用下，由电导和介质损耗所产生的热量超过试样通过传导、对流和辐射所能散发的热量时，试样中的热平衡就被破坏，试样温度不断上升，最终造成介质永久性的热破坏，这就是热击穿。

（3）局部放电击穿

局部放电就是在电场作用下，在电介质局部区域中所发生的放电现象，这种放电没有电极之间形成贯穿的通道，整个试样并没有被击穿。局部放电将导致介质的击穿和老化。

一些因素对固体电介质击穿场强的影响：

①固体介质的击穿场强往往取决于材料的均匀性；

②大部分材料在交变电场下的击穿场强低于直流下的击穿场强。在高频下由于局部放电的加剧，使得击穿场强下降得更历害，并且材料的介电常数越大，击穿场强下降得越多；

③无机电介质在高频下的击穿往往具有热的特征，发生纯粹电击穿的情况并不多见；

④在室温附近，高分子电介的击穿场强往往比陶瓷等无机材料要大，并且极大性高聚物的击穿场强常常要比非极性的大；

⑤在软化温度附近，热塑性高聚物的击穿场强急剧下降

铁电物理

一、自发极化

如果晶胞本身的正、负电荷中心不相重合，即晶胞具有极性，那么，由于晶体构造的周期性和重复性，晶胞的固有电矩便会沿着同一方向排列整齐，使晶体处在高度的极化状态下，由于这种极化状态是外场为零时自发地建立起来的，因此称为自发极化。

二、具有铁电的晶体可以分为两大类

具有铁一类是以磷酸二氢钾为代表的，具有氢键，它们从顺电相到铁电相的过渡是无序到有序的相变

另一类则以钛酸钡为代表的，从顺电相到铁电相的过渡，是由于其中两个子晶格发生相对位移

三、居里点、过渡点的区别

当温度高于某一临界温度Tc时，晶体的铁电性消失，而且晶格结构也发生转变，这一温度是铁电体的居里点。

如果晶体具有两个或多个铁电相时，表征顺电相与铁电相之间的一个相变温度才是居里点，而把铁电体发生相变时的温度统称为过渡温度或转变温度。由于极化的非线性，铁电体的介电系数不是常数，而是依赖于外加电场的。铁电体在过渡温度附近介电系数具有很大的值，数量级达到104～105。

四、铁电体电滞回线

铁电体的自发极化在外电场作用下的重行定向并不是连续发生的，而是在外电场超过某一临界场强时发生的。这就使得极化强度P滞后于外加电场E。当电场发生周期性变化时，P 和E 之间便形成电滞回线关系

假设客观存在铁电体在外电场为零时，晶体中的各电畴互相补偿，晶体对外的宏观极化强度为零，晶体的状态处在图上的O点

O点经A点达到B点：

沿着晶体某一可能产生自发极化的方向加上电场，当电场超过电畴反转的临界电场时（图上的A点），与外场方向不一致的反平行畴与正交畴中便有许多新畴产生。随着新畴的不断产生和90°畴壁的侧向移动，与电场方向不一致的畴逐渐消失，沿着电场方向的电畴逐渐扩大，直到晶体中所有电畴均转向外电场方向，整个晶体变成一个单一的极化畴

这时所有电畴均沿着外场取向，达到了饱和状态。电场继续增加时，极化强度已不可能由于畴的转向而大幅度地增加，只能像普通电介质一样，通过电子和离子的位移极化沿着直线BC稍稍增加

到达C点后，如果减少外电场，极化强度沿着CB缓缓下降。当外电场下降到零时，极化强度并不沿着原路返回零点，而是大体保持着在强电场下的状态，并有少数最不稳定的区域分裂出反向电畴

晶体极化强度沿着CB下降到D点，这时的剩余极化强度为Pr 。剩余极化强度Pr比自发极化强度Ps小。

为了从电滞回线上获得Ps的数值，需要把电滞回线的饱和支CB外推到电场为零时在极化轴上的截距E点(OE)。

剩余极化全部去除所需的反向电场强度称为矫顽电场强度。电场继续在反方向上增加时，极

化强度经点到达G点使所有电畴都在反方向上定向。

当反向电场重新下降并改变其方向时，则和前面的过程相似，经由GH返回到C点，完成整个电滞回线CDGHC。电场每变化一周，上述循环发生一次

五、铁电体物理效应

①压电效应

对于不存在对称中心的晶体，加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，同时，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力的作用而使介质发生极化的现象称为正压电效应。反之，如果把外电场加在这种晶体，改变其极化状态，晶体的形状也将发生变化，这就是逆压电效应。二者统称为压电效应。

压电振子及其参数

若压电振子是具有固有振动频率fr的弹性体，当施加于压电振子上的激励信号频率等于fr 时，压电振子由于逆压电效应产生机械谐振，这种机械谐振又借助正压电效应而输出电信号。

②电致伸缩

任何电介质在外电场E 的作用下都会出现应力，这种应力的大小与E 的二次项成线性关系，称这种效应为电致伸缩。

电致伸缩效应与压电效应的区别在于：前者是二次效应，在任何电介质中均存在；而后者是一次效应，只可能出现于没有中心对称的电介质中。

对于压电体，在外电场作用下一次的压电效应和二次的电致伸缩效应同时出现。一般说来，一次效应比二次效应显著。

电致伸缩是一种非线性效应。

③热释电效应

如果晶体是在机械夹持状态下加热的，即晶体的体积和外形被强制地保持不变，这时所观察到的热释电效应为第一类热释电效应。

如果晶体在机械自由状态下加热，那么晶体将因受热膨胀而产生应变，这种应变将通过压电效应产生电位移而叠加在第一类效应上，这种由于热膨胀通过压电效应耦合而产生的附加热释电效应称为第二类热释电效应。

自由晶体受热时的热释电效应是第一类效应和第二类效应之和。

在非均匀加热，晶体内部会出现温度和应力梯度。应力梯度通过压电效应的耦合也将引入附加的热释电效应，称为第三类热释电效应。

低维材料

一、薄膜形成

①过程：具有一定能量的原子被吸附→形成小原子团→临界核→小岛→大岛→岛结合→沟道薄膜→连续薄膜。

②薄膜形成的四个阶段：临界核的形成；岛的长大与接合；沟道薄膜的形成和连续膜的形成

二、表面结构

从热力学能量理论分析，薄膜为使其总能量达到最低，应该保持尽可能小的表面积。实际的薄膜相当大的偏离理想的平面，由于沉积过程中入射原子的无规则性，薄膜表面有一定粗糙度。

磁性物理

一、磁性的来源

物质的磁性来源于材料的电子结构。电子磁矩的相互作用决定了磁性材料的类型和磁性能。

二、磁畴：类型，作用，动力

①概念：根据现代理论，铁磁质相邻原子的电子之间存在很强的“交换耦合作用”，使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。这些区域称为“磁畴”。

②畴壁类型：相邻两个片状畴的磁矩夹角为180°时，它们的边界称为180°畴壁；片状畴与三角畴（又称封闭畴）之间磁矩相互垂直，它们的边界称为90°畴壁。在每一个磁畴内，磁矩平行或反平行地有序排列，产生自发磁化。而不同磁畴的自发磁化矢量则是随机排列。

③作用：用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点。

④动力：退磁场能是铁磁体分成畴的动力。

三、原子磁矩的来源

原子的磁矩来源于电子和原子核，原子核的磁矩很小，所以主要来源于电子磁矩。

四、原子、离子磁矩的计算

原子的总磁矩是电子轨道磁矩与自旋磁矩的总和。

LS偶合的自由原子的磁矩为：

式中g称为朗德（Lande）因子；J为原子总角量数；L为原子总轨道角量子数；S为原子总自旋量子数