无机材料物理化学第8章
无机材料科学基础复习资料资料
第三章练习题1一、填空题1.玻璃具有下列通性：各向同性、介稳性、熔融态向玻璃态转化的可逆与渐变性、熔融态向玻璃态转化时物理、化学性能随温度变化的连续性。
2.在硅酸盐熔体中，当以低聚物为主时，体系的粘度低、析晶能力大。
3.物质在熔点时的粘度越高越容易形成玻璃，Tg/Tm 大于2/3(大于，等于，小于)时容易形成玻璃。
4.熔体是物质在液相温度以上存在的一种高能量状态，在冷却的过程中可以出现结晶化、玻璃化和分相三种不同的相变过程。
5.当SiO2含量比较高时，碱金属氧化物降低熔体粘度的能力是Li2O < Na2O < K2O。
6. 2Na2O·CaO·Al2O3·2SiO2的玻璃中，结构参数Y为 3 。
7.从三T曲线可以求出为避免析出10-6分数的晶体所需的临界冷却速率，该速率越小，越容易形成玻璃。
8．NaCl和SiO2两种物质中SiO2容易形成玻璃，因其具有极性共价键结构。
9.在Na2O－SiO2熔体中，当Na2O/Al2O3<1时，加入Al2O3使熔体粘度降低。
10. 硅酸盐熔体中聚合物种类，数量与熔体组成（O/Si）有关，O/Si比值增大，则熔体中的高聚体[SiO4]数量减少。
11.硅酸盐熔体中同时存在许多聚合程度不等的负离子团，其种类、大小和复杂程度随熔体的组成和温度而变。
当温度不变时，熔体中碱性氧化物含量增加，O/Si比值增大，这时熔体中高聚体数量减少。
二、问答题1.试述熔体粘度对玻璃形成的影响？在硅酸盐熔体中，分析加入—价碱金属氧化物、二价金属氧化物或B2O3后熔体粘度的变化？为什么？答：1) 熔体粘度对玻璃形成具有决定性作用。
熔体在熔点时具有很大粘度，并且粘度随温度降低而剧烈地升高时，容易形成玻璃。
2) 在硅酸盐熔体中，加入R2O，随着O/Si比增加，提供游离氧，桥氧数减小，硅氧网络断裂，使熔体粘度显著减小。
加入RO，提供游离氧，使硅氧网络断裂，熔体粘度降低，但是由于R2+的场强较大，有一定的集聚作用，降低的幅度较小。
《无机材料物理化学》知识点
《无机材料物理化学》知识点无机材料物理化学是一门研究无机材料的结构、性能、制备和反应等方面的学科，它融合了物理学、化学和材料科学的知识，对于理解和开发新型无机材料具有重要意义。
一、晶体结构晶体是原子、离子或分子在空间按一定规律周期性排列而成的固体。
晶体结构的描述包括晶格参数（如晶胞边长和夹角）、原子坐标和晶体对称性等。
常见的晶体结构有立方晶系（如简单立方、体心立方和面心立方）、六方晶系和四方晶系等。
晶体中的原子结合方式主要有离子键、共价键、金属键和范德华力等。
离子键具有较强的方向性和饱和性，通常形成离子晶体，如氯化钠。
共价键结合的晶体具有很高的硬度和熔点，如金刚石。
金属键使金属晶体具有良好的导电性和导热性。
晶体结构的缺陷对材料的性能有重要影响。
点缺陷包括空位、间隙原子和杂质原子；线缺陷主要是位错；面缺陷则有晶界和相界等。
二、热力学在无机材料中的应用热力学第一定律指出能量守恒，即能量可以在不同形式之间转换，但总量不变。
在无机材料的研究中，可以通过计算反应过程中的能量变化来判断反应的可行性和方向。
热力学第二定律引入了熵的概念，用于描述系统的混乱程度。
对于一个自发的过程，系统的熵总是增加的。
通过计算反应的熵变和焓变，可以确定反应在给定条件下是否能够自发进行。
相图是热力学在材料研究中的重要应用之一。
通过绘制相图，可以清晰地了解不同成分和温度下材料的相组成和相变规律，为材料的制备和性能优化提供指导。
三、动力学过程反应动力学研究反应速率和反应机制。
对于无机材料的制备过程，了解反应动力学有助于控制反应条件，提高反应效率和产物质量。
扩散是物质在固体中的迁移过程，它对材料的相变、烧结和性能均匀性等方面起着关键作用。
扩散系数与温度、晶体结构和缺陷等因素密切相关。
四、表面与界面材料的表面和界面具有独特的物理化学性质。
表面能的大小决定了材料的表面活性和吸附性能。
界面的结构和性质对复合材料和多相材料的性能有重要影响。
五、相变相变是指物质从一种相态转变为另一种相态的过程，如固相到液相、液相到气相等。
无机材料化学课程简介
《无机材料化学》课程简介课程号:20324130课程名称:无机材料化学(inorganic material chemistry)学分:2学时:32学时考核方式:考查课程性质：选修课基本面向:应用化学或化学专业本科生教材:讲义形式参考书目:[1] 曾人杰, 无机材料化学(上,下册), 厦门:厦门大学出版社,2002[2] 田顺宝, 无机材料化学,北京:科学出版社,1993[3] 杨华明,宋晓岚,新型无机材料,北京:化学工业出版社,2005[4] 张玉军,张伟儒,结构陶瓷材料及其应用,北京:化学工业出版社,2005内容简介:无机材料化学是研究新型无机材料的结构、性质、合成和应用的一门新兴学科。
该课程主要介绍新型无机材料化学研究领域和发展历史概况。
为学生了解无机材料化学的进展和进一步深造提供一些必要的基础知识.在这门课里主要讲述新型无机材料，纳米材料，介孔材料，光子晶体，薄膜材料，生物材料，半导体材料以及功能材料的概况、制备方法以及应用等。
个人简历任课老师：郭成花，1975年2月出生于山东省费县，1996年，考入山东师范大学化学系，学习化学教育专业。
1999年，保送至山东师范大学半导体所攻读硕士研究生，学习微电子学与固体电子学专业，从事复合多孔硅材料的制备研究。
2003年7月，考入南开大学物理科学学院，师从金庆华、陈铁红导师从事纳米材料合成和组装等方面的研究。
2006年7月，获得理学博士学位。
在攻读博士期间，主要研究方向和研究领域为为纳米氧化物材料的合成和制备，金属氧化物纳米材料的可控合成，在此过程中采用了水热处理、溶剂热处理、溶胶-凝胶等多种合成方法，同时结合X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、N2吸附、X射线光电子能谱、等多种手段对材料进行表征，达到了对纳米材料的形态和结构可控性合成。
目前，在临沂师范学院化学学院从事教学和科研工作，为应化专业讲授材料化学导论、综合实验和材料化学试验，并将在合成分子筛、纳米材料研究等方向开展科研工作。
无机材料专业基础课程
无机材料专业基础课程无机材料专业基础课程作为无机材料专业的入门课程，对于学生打下扎实的基础具有重要意义。
本文将介绍无机材料专业基础课程的内容和学习方法。
课程内容无机材料专业基础课程主要包括无机化学、物理化学、无机材料合成与制备技术、无机材料分析与表征技术等内容。
1. 无机化学无机化学是无机材料专业的基础，主要介绍无机化合物的组成、性质和反应原理。
学生需要掌握无机化合物的命名规则、配位化学、化学键和晶体结构等基础知识。
通过学习无机化学，学生能够了解和掌握无机材料的化学性质和合成方法。
2. 物理化学物理化学是无机材料专业的另一个重要基础，它涉及热力学、动力学、量子化学和电化学等内容。
学生需要学习和理解物质的能量转化、反应速率、量子力学和电化学反应等基本原理。
通过学习物理化学，学生能够深入了解无机材料的物理性质和反应机理。
3. 无机材料合成与制备技术无机材料合成与制备技术是无机材料专业的实践课程，主要介绍无机材料的合成方法和制备工艺。
学生需要学习和掌握无机材料的合成原理、实验操作技巧和仪器设备的使用。
通过实验实践，学生能够熟练合成和制备不同类型的无机材料，并了解其微观结构和性质。
4. 无机材料分析与表征技术无机材料分析与表征技术是无机材料专业的另一个实践课程，主要介绍无机材料的表征方法和分析技术。
学生需要学习和掌握常用的无机材料表征技术，如X射线衍射、扫描电子显微镜、红外光谱和热分析等。
通过实验实践，学生能够准确分析和表征无机材料的结构和性质。
学习方法针对无机材料专业基础课程，学生需要采取科学有效的学习方法才能取得良好的学习效果。
1. 制定学习计划学生应制定合理的学习计划，合理安排每一门课程的学习时间和任务。
在学习计划中，要合理分配每门课程的学习时间，留出时间进行复习和实验实践。
2. 记录笔记和复习在课堂上，学生应积极参与，认真听讲并做好笔记。
课后，要及时复习所学内容，巩固理解和记忆。
可以将课堂笔记整理成思维导图或总结句子，便于复习和回顾。
无机材料物理化学固体表面与界面
无机材料物理化学固体表面与界面在材料科学的世界中，无机材料物理化学是一个极其重要的研究领域，特别是在固体表面与界面方面的研究。
这些研究涵盖了各种无机材料，包括金属、非金属、半导体和绝缘体等，它们的表面和界面行为对材料的性质和性能有着深远的影响。
我们来看看固体表面的物理化学。
固体表面是一个具有特殊结构和性质的相，它与相邻的介质（如气体、液体或另一种固体）相互作用。
这种相互作用会影响材料的润湿性、吸附性、反应性以及电子传输等性质。
例如，通过改变表面的粗糙度或化学活性，我们可以控制材料表面的润湿性，进而影响其与液体的相互作用。
界面在无机材料中同样扮演着重要的角色。
在无机材料中，界面可以是两种不同材料之间的接触面，也可以是同一材料不同晶面之间的接触面。
这些界面上的原子排列和电子结构会不同于体相材料，从而影响材料的物理和化学性质。
例如，石墨烯和氮化硼之间的界面可以影响电子传输和热导率。
我们还研究了固体表面和界面在光电、催化、储能等领域的应用。
这些应用需要我们对材料的表面和界面性质有深入的理解，才能实现高效的能量转化和优异的性能。
例如，在太阳能电池中，我们需要优化半导体材料的表面结构以增加光吸收和载流子分离效率；在催化剂中，我们需要理解表面结构对反应活性的影响以设计高效的催化剂。
无机材料物理化学中的固体表面与界面研究为我们提供了理解和控制材料性质的新途径。
通过深入了解材料的表面和界面性质，我们可以设计出具有优异性能的新材料，并优化其在能源、环保、信息技术等领域的应用。
在过去的几十年中，纳米科技的发展取得了令人瞩目的成就。
无机纳米材料，作为一种重要的纳米科技领域，具有许多独特的物理、化学和机械性质，因此在许多领域具有广泛的应用前景。
然而，由于其表面能高，无机纳米材料容易团聚和稳定性差，这限制了其实际应用。
为了解决这些问题，表面修饰改性成为了一种有效的手段。
通过对无机纳米材料进行表面修饰改性，可以有效地提高其稳定性、相容性和生物活性，从而进一步拓展其应用范围。
《无机材料物理化学》课程考试大纲.doc
《无机材料物理化学》课程考试大纲适用专业：无机材料专业及电子信息课程性质/学时：专业基础课、学位课/ 64材料方向一、考试的目和性质无机材料物理化学课程是无机材料专业及电子信息材料方向的重耍专业课。
学习基础是：己经学习了“大学物理”、''无机化学”、“物理化学”。
设置本课程的目的是让学生熟悉和掌握无机材料物理化学的基本概念和基本理论，为无机材料及电子信息材料的研究和生产奠定良好的基础。
二、考试的内容和范围考试内容：硅酸盐晶体结构，同质多晶原理。
硅酸盐材料与缺陷的关系。
固溶体、熔体的基本概念, 内部结构的规律性，及影响其性质的因素。
硅酸盐材料的农面和界面行为。
相图的基本规则和原理，会应用分析，计算相图。
扩散的基本概念、影响扩散的因素。
相变实质、机理。
固柑反应的基本知识、基本理论，影响固相反应的因素。
烧结的基本知识、基本理论，影响烧结的因素。
考试范围:第一章第一章晶体结构缺陷考核知识点：缺陷的形成，类型，缺陷反应式，缺陷反应式的写法、分析，硅酸盐材料与缺陷的关系。
考核要求：••准确掌握缺陷的基本理论和基本概念。
••准确地掌握缺陷反应式，缺陷反应式的写法。
理解硅酸盐材料与缺陷的关系。
第二章第二章固溶体考核知识点：固溶体的分类，形成固溶体的物理化学规律，影响固溶体性质的因素。
固溶体的结构与性质，特别是性质部分。
考核要求：••准确掌握固溶体的基本概念°掌握形成固溶体的物理化学规律，影响固溶体性质的因素。
• •掌握固溶体的结构与性质，特别是性质部分。
第三章第三章熔体和非晶态固体考核知识点：熔体和玻璃的概念，熔休的性质。
重点为玻璃结构，特别是玻璃结构学说，玻璃通性及晶体性质的区别。
玻璃性质与玻璃结构内在规律性。
考核要求：• •准确掌握熔体和玻璃的概念，玻璃结构学说，玻璃通性及品体性质的区别。
••掌握玻璃性质与玻璃结构内在规律性。
第二章第四章固体表面与界面行为考核知识点：硅酸盐材料的表而和界而行为。
无机材料科学基础教学大纲
《无机材料科学基础》教学大纲英文课程名称: Foundation of Inorganic Material Science课程编号：0711305总学时：88（其中理论课学时：74 实验学时：14）总学分：5.5先修课程：物理化学、晶体学适用专业：无机非金属材料工程开课单位：材料科学与工程学院无机非金属材料工程教研室执笔人：梁忠友审校人：来启辉一、课程教学内容绪论材料的发展动向及本课程的重要地位；本课程的特色及基本要求。
第一章晶体化学基本原理原子半径和离子半径；球体紧密堆积原理，六方堆积和立方堆积；配位数和配位多面体；离子的极化对化学键和结构的影响；电负性，估计化学键；鲍林规则。
第二章晶体结构与晶体中的缺陷第一节典型结构类型氯化钠型、金刚石型、氯化铯型、闪锌矿型、纤锌矿型、萤石型、金红石型、碘化镉型、刚玉型、钙钛矿型、尖晶石型。
第二节硅酸盐晶体结构岛状结构、组群状结构、链状结构、层状结构、架状结构。
第三节晶体结构缺陷，点缺陷、固溶体、非化学计量化合物，固溶体研究方法；线缺陷，包括螺旋位错和刃位错。
第三章熔体与玻璃体第一节熔体结构——聚合物理论，第二节熔体性质粘度和表面张力。
第三节玻璃通性各向同性；介稳性；熔融态向玻璃态转化的可逆性与渐变性；熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质随温度变化的连续性。
第四节玻璃的形成玻璃态物质的形成方法简介；玻璃形成的热力学、动力学，结晶化学条件；第四节玻璃的结构晶子学说；无规则网络学说。
第五节常见玻璃类型硅酸盐玻璃；硼酸盐玻璃。
第四章表面与界面第一节固体的表面固体的表面特征；晶体表面结构；固体表面能；第二节界面行为，润湿与粘附；吸附与表面改姓；第三节晶界晶界结构与分类；多晶体的组织；晶界应力。
第四节粘土—水系统胶体化学粘土的荷电性；离子吸附与交换；电动性质；胶体性质；瘠性料的悬浮与塑化。
第五章相平衡。
第一节硅酸盐系统相平衡的特点热力学平衡态与非平衡态；硅酸盐系统中的组分、相及相律。
无机材料物理化学..
例2：CaF2结构中阴离子的配位数n的计算 已知：Ca 2+的配位数为8 Z - =n× 2/8= -1 n = 4 例题：某氧化物XO2，X填充八面体空隙，求氧离子的配位数。
鲍林第三规则： 在一个配位结构中，公用棱，特别是公用面的存在会降低这个结构的稳定性，就高电价，低配位的正离子来说，这一效应特别巨大。如图： 从上述两类图可看出，四面体联接时，这种效应要比八面体更为突出，特别是当正离子电价高时，作用更明显。 由此可解释： 1 [SiO4]4-四面体相联时，一般只公用一个顶点。 2 TiO2变体中，两个[TiO6]8-八面体可共用一个棱。 3 [AlO6]9-八面体某些场合可共用一个面。 如：刚玉和氢氧铝石的情况就是如此。
无机材料物理化学..
无机材料物理化学..无机材料物理化学..
序 言 1、现代科学技术的发展，迫切地要求研制和发展新型陶瓷材料。 寻求强度高、耐温度急变性好、耐化学腐蚀、耐高温、具有特殊的电性能等要求的结构陶瓷和功能陶瓷。 例如：宇航技术、电子技术、计算机、激光和新能源等尖端技术的发展，研制的新型材料如：航天器防热材料、钛酸铝陶瓷、钙钛矿陶瓷、纳米陶瓷等。 2 新型陶瓷制品在原料方面已扩大到非硅酸盐，甚至非氧化物范围。 目前国内外把“陶瓷”理解为各种无机非金属固体材料的通称。 因此，陶瓷不仅包括传统陶瓷(日用陶瓷、建筑卫生陶瓷等)，而且也包括工业陶瓷（如：氧化物、碳化物、氮化物等）。
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2020/5/4
图2.5 结型场效应晶体管(JFET)工作原理图
2.1.4 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET） ▪ MOSFET是在JFET的基础上发展起来的，是构成集成电路的主要器件。其结
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图2.2
半导体PN结能带图
2.1.2 PN结型晶体管
▪ 晶体管是20世纪最重要的发明之一。尽管晶体管种类繁多，制造
工艺多种多样，用途和功能五花八门，但晶体管的基本结构却分为 两种，即PNP型和NPN型。
▪ 晶体管的两个PN结共有三个区。对应三个区的引出线，分别称
图2.4 晶体管共基极电路放大原理图
▪ 晶体管放大电路除了上述共基极电路外，还有共发射极电路和共
集电极电路。
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2.1.2 结型场效应晶体管（JFET）
JFET共有四个电极，其中，在P型半导体（N型时情况相似）两端各有一个称为“源 ”和“漏”的电极；P型半导体两侧则各有一个N型区和相应的称为“栅”的电极。如 果在源和漏之间加上一个电压,源接电压正端，漏接负端，P型半导体的多数载流子空 穴传导的电流就会在源与漏之间通过；在栅和源间加上反向电压VG,栅接电压正端， 源接负端，因此没有电流通过栅和源之间的PN结。
无机材料 物理与化学
2020/5/4
▪ 在半导体能带结构中，把价带顶取
作能量零点，能量零点以下称为价带，
能量零点以上称为导带。在导带底和
价带顶之间的间隙则称为禁带。其宽
度称为禁带宽度，用Eg表示。E-K能 带结构中波矢K是一个矢量，构成一 个复杂的三维空间。在画能带结构图
时，人们往往只画出K空间的Г、X、 L等几个重要方向上能量E的变化。Г、 X和L分别为K空间的零点、[100]方 向上的边界点和[111] 方向上的边界 点。多数半导体的价带顶都位于Г点， 当其导带底也位于Г点时，这种半导 体被称为直接带隙半导体，如果导带 底和价带顶不在同一点，就称为间接
•图2.2（b）为成结后在热平衡状态下的能带图。在热平衡 状态下，N区的多数载流子–电子和P区的多数载流子 –空穴 分别向P区和N区扩散，形成扩散电流A。另一方面，由于N 区中的电子向P区扩散，就留下了带正电的电离施主中心， 形成一个带正电荷的区域。同样，由于P区中的空穴向N区 扩散，留下了带负电的电离受主中心，形成一个带负电荷 的区域。于是在交界处两侧形成了带正负电荷的区域，称 为空间电荷区。这一区域已无载流子存在，故又称为耗尽 层。空间电荷区的正负电荷会产生一个由N区指向P区的自 建电场。自建电场会使电子从P区向N区漂移，使空穴从N 区向P区漂移。从而形成与扩散电流A的方向相反的漂移电 流B。当这两股电流A和B处于动态平衡时，就无电流流过。 这时，耗尽层内的空间电荷产生了接触电势差（也称为扩 散电势差）B。在PN结上加上正向偏压，即P区加上正电 压VF, P、N之间的电势差T(T = B - VF )降低，热平衡状 态被破坏，由多数载流子（即电子）形成的扩散电流远大 于漂移电流，如图2.2(c)所示。正向偏压越大，该电势差越 小，其结果是使电流指数式地增加。与此相反，当P区上加 上负电压VR时,电势差T变大 (T = B + VR ),多数载流子难 以扩散，几乎无电流流动，如图2.2(d)所示。这就是PN结的 整流效应。
Si 的能带结构( a) 和 GaAs 的能带 结构 ( b)
带隙半导体。例如GaAs是直接带隙
半导体，Si是间接带隙半导体。 2020/5/4
2.1.1 PN结
▪ PN结是半导体器件的最基本的结构要素。将P型半导体和N型半导体相互接
触即可形成PN结。下面我们以硅为例说明P型半导体和N型半导体的概念。硅 有4个价电子，能与邻近的4个硅原子形成共价键。这些电子在原子核的作用 下处于束缚状态，但在一定的外场作用下会挣脱束缚成为自由电子，形成电 子载流子。电子载流子的移动会在原来位置形成空穴，并形成空穴载流子。 因此，硅半导体中存在电子和空穴两种载流子。不过常温下硅中的载流子较 少，硅半导体导电性能的控制要靠掺杂来解决。人们把掺入磷、砷、锑等V族 施主元素杂质形成的电子导电型半导体，称为N型半导体；把掺入硼、镓、铟 等III族受主元素杂质形成的空穴导电型半导体，称为P型半导体。
当漏。若加的减大电小栅流反与通向源道电之变压间细V的，G反，该向I电D就电流会压通增V道G大的时。，电两阻个就P会N随结之的增耗大尽，层导就致会源向与P型漏区之扩间散的，电使流从ID减源小到 若在栅与源之间附加一个输入信号电压，工作电流就会随着信号电压变化，在串接的 负载电阻上就会产生一个放大了的输出信号电压。这就是场效应晶体管的放大原理。 如果在栅与源之间附加适当的忽大忽小的电压，使得从源到漏的电流通道忽通忽断， 漏极输出电流也就会时有时无，在这种情况下，场效应晶体管就等效于一个电流开关
▪ 将PN结适当组合，即可制成晶体管、可控硅管和集成电路（IC）。PN结的重
要特性是具有整流作用，即电流只能沿着某一个方向流动（见图2.1）。
半导体的两种导电机构
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(a) P 型半导体及其导电机构; N型半导体及其导电机构
图2.1 图
半导体PN结示意
•实际使用的半导体器件和电路都是用不同特性的N型半导 体和P型半导体相互连接制成的。图2.2（a）是N型和P型半 导体的能带图。图中Ec和Ev分别为导带底和价带顶，导带 中的电子和价带中的空穴分别用黑点和小圆圈来表示。EF 为费米能级。
为发射极、基极和集电极。发射极和基极之间的PN结叫发射结 ，集电极和基极之间的PN结叫集电结（见图2.3）。
图2.3 PNP型和NPN型晶体管的结构和符号
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▪ 如并图保2持.4其所不示变，，如在果该我电们路在中发串射接极一电个路待中放施大加的一交直流变电信源号电电压压VVEsB,
并且在集电极电路中串接一个电阻R的话，当集电极电流的变化 部电i际CR上分压比半iiCC信R流导号。过体电尽集收压管电音ViC极机s略大电就小很路是于多用中倍i晶的E 。，体电这只管阻表要放R时明大电，，信阻就晶号R的会的体值。在管比上具较面有大产放，生大就一功可个能以交。变实使