材料科学基础 第２版 教学课件 作者 石德珂 西安交通大学 主编 1 第八章　固体材料的电子结构与物理性能.ppt

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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　功能材料举例第一节　固体的能带理论一、能带的形成图9-1　能带的形成图9-2　各种金属的能带结构a)碱金属Na　b)贵金属Cu　c)碱土金属Mg　d)过渡金属Fe二、金属的能带结构与导电性金属的导电性金属电导率[(Ω·m)-1]银铜金铝黄铜铁铂碳素钢不锈钢6.81076.01074.31073.81071.61071.01070.941070.61070.2107表3-3常见金属和

2、合金在室温下的电导率由于金属中存在结晶的缺陷，而这些晶体缺陷可以成为导电电子的发散中心，增加它们的数量可以提高电阻率（即降低电导率）。一个金属的总电阻率是由热运动、杂质、塑性变形三种因素决定的，而这三种因素影响的发散机理是独立作用的，可用下式所示：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。第二节　半　导　体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。比如：当受外

3、界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。它是共价键结构。本征半导体的共价键结构硅原子价电子半导体的导电特性+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发复合在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对消失+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两种载流子。空穴移动方

4、向电子移动方向两种载流子价电子填补空穴结论1.本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。3.温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。2.本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。一、材料的基本磁学性质磁场强度H与磁感应强度B的关系为乘以系数B、H与M（磁化强度）三个磁矢量关系为介质的磁导率磁化强度与磁场强度的关系为磁化率使磁场减弱的物质称为抗磁性物质；使磁场略有增强的称为顺磁性物质；使磁场急剧增加的称为铁磁性物质。根据物质被磁化后对磁场所产生的影响第

5、三节　材料的磁性二、材料的顺磁性和抗磁性1.顺磁体大多数物质的原子和离子中，全部电子的磁效应(包括电子轨道运动和电子自旋产生的两种磁效应)相互抵消，不存在磁矩，因而不显现磁性。2.抗磁体无磁矩存在的物质称为抗磁性物质。当抗磁体放入外磁场内，在此介质内感生一个磁矩，按照楞次定律其方向应与外磁场正方向相反，此种性质称为抗磁性。三、材料的铁磁性1.磁化曲线和磁滞回线图3-7铁磁金属的磁化曲线图3-8铁磁金属的磁滞回线2.磁畴结构图3-9磁畴结构示意图a)磁畴结构b)磁畴壁3.铁磁金属的磁化机制铁磁金属在外加磁场的作用下所产生的磁化称为技术磁化。实际

6、上，前面所提到的磁化曲线即技术磁化曲线。技术磁化过程的实质就是在外加磁场的作用下磁畴的大小及取向变化的过程。图3-10磁化机制示意图四、材料的反铁磁性1932年尼尔发现铂、钯、锰、铬等金属和某些合金的磁化率随温度的变化很小，但数值却相当高，这些物质称为反铁磁性材料。在温度高于某一温度TN(尼尔温度)时，反铁滋性体的磁化率与温度的关系为而当在TN以下温度时，χ随温度的降低而减小，且几乎与磁场强度无关。尼尔提出了双次点阵的反铁磁性理论，他假设晶体中顺磁离子的点阵可以分为相互穿插的两个“次点阵”A与B，次点阵A中的每一个离子的任何一个最邻近的离子均

7、位于次点阵B上，这就使得相邻的两个次点阵的磁矩全部反平行取向，因而在晶体内存在两种内场的相互作用。等轴简单点阵与等轴体心点阵可以满足这种条件。于是，在极低温度下，由于相邻原于的自旋完全反向，其磁矩几乎完全抵消，故磁化率χ几乎接近于“0”。当温度上升时，使自旋相反的作用减弱，χ增加。而当温度升至尼尔点以上时，热骚动的影响较大，此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为。五、铁氧体的磁性图3-11铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性的自旋排列铁氧体是含铁酸盐的陶瓷质磁性材料。接材料的结构分类，日前已有尖晶石型、石榴石型、磁铅石型以及钙铁矿型、钛铁矿型和钨青铜型等

8、六种，新的类型还陆续出现。但从研究详尽、生产和使用已普及的角度来看，重要的是前面三种。为了解释铁氧体的磁性，尼尔认为铁氧体中A位与B位的离子它们的磁矩应是反平行取向