材料物理性能1

1、材料物理性能Physical Properties of Materials 主 講：胡木林E-Mail: 2013年02月緒言 本課程的特點： 本課程的內容： 教學安排： 學習本課程的要求： 教材及參考文獻：材料物理性能課程特點 背景材料是人類社會生存和發(fā)展的物質基礎。材料、信息和能源當今世界的三大支柱。材料：概念廣泛而抽象，在實際生活中則是具體而生動的，往往體現(xiàn)在每一應用典范上，以某一特定性能呈現(xiàn)在人們面前。性能的體現(xiàn)：力學性能（機械性能）、電學性能、光學性能、磁學性能、熱學性能和聲學性能等。分類：結構材料和功能材料材料物理性能課程特點 前景高技術發(fā)展對材料的性能要求不斷提高；材料設計技術

2、正在興起智能材料；材料研究的一種方法揭示材料物理性能的物理本質，物理性能與材料成分、結構工藝過程的關系及環(huán)境穩(wěn)定性。材料物理性能課程內容 初步介紹材料的電學、磁學、光學、熱學及彈性和內耗性能的物理本質； 描述這些性能與材料的成分、組織結構、工藝過程的關系及變化規(guī)律； 介紹與物理性能相關的特殊材料； 介紹與這些物理性能相關的測試技術與分析方法。2013 春季季春季季材料物理性能材料物理性能課程教學計劃課程教學計劃 2013 Date Outline02/23緒言緒言; 材料物理性能的固體物理學基礎（簡介）材料物理性能的固體物理學基礎（簡介）02/25材料的電性能：材料的電性能： 電子類載流子導電

3、；離子類載流子導電電子類載流子導電；離子類載流子導電03/02半導體及超導體；電性能測量及其應用舉例半導體及超導體；電性能測量及其應用舉例03/04材料的介電性能：電介質及其極化材料的介電性能：電介質及其極化03/09壓電性；鐵電性；介電測量壓電性；鐵電性；介電測量03/11材料光學性能：光和固體的相互作用材料光學性能：光和固體的相互作用 03/16材料光學性能：電材料光學性能：電-光效應、光折變效應光效應、光折變效應03/18材料光學性能：材料光學性能： 非線性光學效應非線性光學效應03/23材料的磁性能：磁學基本量及磁性分類；鐵磁性材料的磁性能：磁學基本量及磁性分類；鐵磁性03/25磁性材

4、料的磁化及其動態(tài)特征磁性材料的磁化及其動態(tài)特征03/30磁性材料；磁性測量及其在材料科學與工程中的應用磁性材料；磁性測量及其在材料科學與工程中的應用04/01材料的熱性能：材料的熱容、導熱性；材料的熱性能：材料的熱容、導熱性；04/06 材料的熱性能：熱電性材料的熱性能：熱電性04/0804/1304/15本課程學習要求： 建議先修課程：普通物理、物理化學、固體物理(或材料物理) 及相關數學知識（張量、矩陣） 本課程：掌握材料物理性能的基本參數的物理意義及其本質；熟練掌握材料物理參數與成分、結構的關系及影響因素，為設計新材料和材料改性打下一定基礎；熟練掌握材料物理性能的測量方法及其分析方法。材

5、料物理性能教材及參考資料 教材及參考資料 ： 1 材料物理性能，田 蒔 主編，北京：北京航空航天大學出版社，2004年 2 無機材料物理性能，關振鐸，張中太，焦金生，清華大學出版社3 晶體的物理性質，J. F. Nye，孟中巖等譯，西安交通大學出版社，1994年 3 Properties of Materials, Mary Anne White, Oxford University Press4 功能材料學，周馨娥，北京理工大學出版社5 半導體物理學，李名復等，科學出版社6 電介質物理學，殷之文，科學出版社7 鐵電體物理學，鐘維烈，科學出版社8 鐵電與壓電材料，許煜寰，科學出版社9 鐵磁學，

6、戴道生，錢昆明，科學出版社第一章 固體中電子能量結構主講：胡木林2013年02月材料物理性能1.1 概述 材料的電學、磁學、光學、熱學、力學、化學等性能是由物質不同層次的結構所決定的。例如：電子能帶結構的不同性質決定了材料的導電性差異良導體、半導體、電介質和超導體；材料的磁性決定于原子中次殼層電子是否填滿以及它們之間的“交換作用”產生不同原子取向的結果抗磁體、順磁體和鐵磁體；微觀結構的差異，材料的鐵磁性中又分為永磁、軟磁、矩磁和旋磁；材料物理性能固體中電子能量結構和狀態(tài) 材料的物理性能強烈地依賴于材料原子間的鍵合、晶體結構和電子能量結構與狀態(tài)。 而原子間的鍵合方式、晶體結構影響固體的電子能量結

7、構和狀態(tài)。 對固體電子能量結構和狀態(tài)的認識分為三個階段：經典自由電子學說、量子自由電子學說和現(xiàn)代能帶理論。材料物理性能固體中電子能量結構和狀態(tài)1.2 經典自由電子學說 該學說認為：金屬原子聚集成晶體時，其價電子脫離相應原子的束縛，在金屬晶體中自由運動，如同氣體分子一樣服從Maxwell-Boltzmann分布：歐姆定律：在電場E作用下，自由電子受力為材料物理性能固體中電子能量結構和狀態(tài) TkmvvTkmNvNBB2exp24222/3maeEfEmea 電子不斷地被加速到速度v，然后與離子發(fā)生碰撞，其中平均速度：兩次碰撞中，平均自由程為因此，單位時間內流過的電量為：材料物理性能固體中電子能量結

8、構和狀態(tài)meEvmeEv2VlEVml ev2EVmlne221.3 Fermi-Sommerfeld 電子理論 該學說認為：金屬原子聚集成晶體時，其價電子脫離相應原子的束縛，在金屬晶體中自由運動，但服從Fermi-Dirac的量子統(tǒng)計分布：自由電子的運動波函數，可用Schrodinger方程求解，定態(tài)Schrodinger方程的一般式：材料物理性能固體中電子能量結構和狀態(tài) 1exp1TkEEEfBF0222UEhm一維勢阱模型：晶體內勢能（x）=0，邊界條件（）=（L）=定態(tài)Schrodinger方程：其中，因此，通解為：材料物理性能固體中電子能量結構和狀態(tài)082222hmEdxd222mh

9、E 02222dxdxBxA2sin2cos 結合邊界條件，可得：n只能取正整數，自由電子的能量是不連續(xù)的，即量子化。材料物理性能固體中電子能量結構和狀態(tài) xLnBLxsin/22228nmLhEn 三維勢阱模型：晶體內勢能（x,y,z）=0，邊界條件（,y,z）=（L,y,z）= （x,0,z）=（x,L,z）= （x,y,0）=（x,y,L）=定態(tài)Schrodinger方程：求解可得到，材料物理性能固體中電子能量結構和狀態(tài)0822222222hmEzyx222228zyxnnnnmLhE 能級的簡并態(tài)，可求得能級密度Z(E)為，根據Fermi-Dirac的量子統(tǒng)計分布，計算Fermi能為：T=0K時，材料物理性能固體中電子能量結構和狀態(tài)222228zyxnnnnmLhE 2/12/32222EhmVdEdNEZ3/22208/32nmLhEFT0K時，金屬在熔點以下，只有能量在附近kT范圍內的電子，吸收能量從以下能級跳到以上能級。材料物理性能固體中電子能量結構和狀態(tài)2020121FFFEkTEEFEFEFE1.4 晶體能帶理論 該學說認為：電子是在晶體中所有格點上離子和其他所有電子共同產生的周期性勢場中運動，勢能是位置的函數，而非常數。材料物理性能固體中電子能量結構和狀態(tài)Energy splittingof the 1 sand 2