材料科学基础（第２版）教学配套课件作者石德珂西安交通大学主编第八章　固体材料的.

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1、第八章固体材料的电子结构与物理性能第一节固体的能带理论第二节半导体第三节材料的磁性第四节材料的光学性能第五节材料的热学性能第六节功能材料举例11924K第一节固体的能带理论一、能带的形成图9-1能带的形成11924K第一节固体的能带理论二、金属的能带结构与导电性图9-2各种金属的能带结构a)碱金属Nab)贵金属Cuc)碱土金属Mgd)过渡金属Fe11924K第一节固体的能带理论表9-1几组金属的电子结构与在25°C时的电导率11924K第一节固体的能带理论三、费密能图9-3绝对零度时的费密分布函数11924K第一节固体的能带理论图9-4在0K、300K和1000K电子的费密分布1)E以下的

2、能级基本上是被电子填满的，E以上的能级ff基本上是空的。2)由于热运动，电子可具有大于E的能量而跃迁到导带f中，但只集中在导带的底部。11924K第一节固体的能带理论图9-5金刚石(C)、硅(Si)和锗(Ge)的能带结构11924K第一节固体的能带理论四、半导体与绝缘体解：对上述材料费密能E位于价带与导带的中央(在下一f节中有证明)，电子必须获得能量E+1/2E才能进入导fg带。(1)金刚石(2)硅f(E)=2.5×10-10(3)锗f(E)=1.5×10-6(4)锡f(E)=0.1711924K第二节半导体一、本征半导体表9-2半导体材料的能隙与电子运动性11924K第二节半导体图9-6

3、能隙的测量11924K第二节半导体图9-7能级图a)n型半导体b)p型半导体11924K第二节半导体图9-8n型半导体电导率随温度的变化11924K第二节半导体图9-9非化学比化合物形成的n型半导体11924K第三节材料的磁性一、原子的磁矩0.tif图9-10电子的轨道磁矩11924K第三节材料的磁性图9-11角动量的空间量子化11924K第三节材料的磁性图9-12物质的磁感应11924K第三节材料的磁性图9-13各种物质的磁化11924K第三节材料的磁性图9-14过渡金属3d壳层的电子结构11924K第三节材料的磁性图9-15交换积分A与a/r的关系3da—原子间距r—未填满的电子层半径

4、11924K第三节材料的磁性三、磁化曲线与磁畴结构图9-16铁磁物质磁滞回线各部分磁畴结构的变化1)铁磁性材料是由许多小磁畴组成的，11924K第三节材料的磁性磁畴尺寸大小不等，但平均说来，小于晶粒尺寸。2)在每一磁畴内电子的自旋磁矩方向相同，通常都是沿着易磁化方向，从而使单个磁畴具有很高的磁饱和强度，犹如一个很强的小磁铁。图9-17单晶体的磁畴结构示意图11924K第三节材料的磁性图9-18M-H技术磁化曲线11924K第三节材料的磁性图9-19温度对磁性的影响a)磁滞回线b)磁饱和强度11924K第四节材料的光学性能一、光的吸收与透射图9-20光的吸收与透射11924K第四节材料的光学

5、性能图9-21各种类型材料的光吸收行为a)金属——吸收，不透明b)绝缘体——不吸收，透明c)半导体——行为取决于入射光波长和能级大小11924K第四节材料的光学性能二、材料的发光性能解：(1)激发电子进入导带的最大波长为图9-22材料的发光性能a)金属，不发光b)荧光材料c)磷光材料11924K第四节材料的光学性能(2)在电子返回价带之前首先落入了陷阱。(3)当电子逃脱陷阱再返回价带，发射光子的波长为图9-23入射光子引发受激辐射或被吸收11924K第四节材料的光学性能图9-24红宝石激光器中Cr的能级11924K第五节材料的热学性能一、摩尔热容图9-25金属与陶瓷的摩尔热容和温度的关系1

6、1924K第五节材料的热学性能图9-26原子间相互作用的势能曲线11924K第五节材料的热学性能图9-27金属的线膨胀系数与其熔点的关系11924K第六节功能材料举例一、光导纤维图9-29光纤通信装置示意图11924K第六节功能材料举例图9-30两层折射率不同的玻璃纤维a)界面上折射率有突变b)折射率平缓变化11924K第六节功能材料举例图9-31各种磁性材料的磁滞回线11924K第六节功能材料举例图9-32硬磁材料要求大的磁能积11924K第六节功能材料举例1.已知锗室温下的电导率σ=2Ω-1·m-1，锗的点阵常数5.6575×10-10m，利用表9-2给的数据，又电荷q=1.6×10-

7、19C，试求：2.要使硅在平台区获得电导率为104Ω-1·m-1，需要多少载流子?需要多少Sb原子加入到Si中?3.在用P掺杂硅的n型半导体中，费密能向上移动0.1eV，问电子于室温被热激活到导带的几率是多少?4.仿照图9-14，对第二组过渡族元素Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Rn、Rb、Pd，原子序数从39到46，给出其4d层电子结构，并写出对应的玻尔磁子数。5.计算纯铁的饱和磁化值M和饱和磁感应值B，M单位sss以A/