1、材料科学与技术材料科学与技术第一章第一章 材料科学概述材料科学概述第一节第一节 材料科学的发展背景材料科学的发展背景 什么是材料和材料科学什么是材料和材料科学？是人类赖依生存和发展的物质基础，是国民经是人类赖依生存和发展的物质基础，是国民经济的物质基础。济的物质基础。（人的衣、食、住、行、通讯等）（人的衣、食、住、行、通讯等）材料：材料：广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)，材料无处不在，无处不有。材料无处不在，无处不有。以材料的性能、结构及相关应用为研究对象，介于基础科学与应用以材料的性能、结构及相关应用为研究对象，介于基
2、础科学与应用科学之间的基础应用科学。集物理学、化学和冶金学等于一体的一科学之间的基础应用科学。集物理学、化学和冶金学等于一体的一门的综合性或交叉性学科。门的综合性或交叉性学科。材料科学：材料科学：工农业生产工农业生产国防国防科学技术科学技术人民生活人民生活材料材料能源 现代技术的三大支柱能源 现代技术的三大支柱信息信息材料品种材料品种数量国家现代化程度标志之一数量国家现代化程度标志之一质量质量生命科学（生物科学）也已渗入并将更为深刻地渗入生命科学（生物科学）也已渗入并将更为深刻地渗入以材料的发展划分人类历史以材料的发展划分人类历史:旧石器时代旧石器时代:（B.C.101万年）以天然石块凿成棱边
3、锋利的万年）以天然石块凿成棱边锋利的新石器时代新石器时代:（B.C.60004000年）出现磨光的工具。年）出现磨光的工具。工具或武器。工具或武器。石器时代：石器时代：石斧、凿、刀、铲石斧、凿、刀、铲、箭头、箭头、纺轮、钵等纺轮、钵等（西安半坡遗址）（西安半坡遗址）石斧石斧人类文明史与材料的发展阶段密切相关的人类文明史与材料的发展阶段密切相关的陶瓷时代：陶瓷时代：（B.C.60004000年）出现了烧炉。年）出现了烧炉。青铜器时代：青铜器时代：（B.C.80001500年）年）B.C.8000年，纯铜的发现年，纯铜的发现和加工；和加工；B.C.20001500年铜矿石的开采和冶炼。年铜矿石的开
4、采和冶炼。铁器时代：铁器时代：（B.C.14001200年）年）B.C.1000年之后欧洲进入年之后欧洲进入“铁器时代铁器时代”。湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄中国古代铁器的金相组织中国古代铁器的金相组织理论上：理论上：量子理论、统计物理、固体电子论、晶体结构量子理论、统计物理、固体电子论、晶体结构近代物理使材料科学进入一个崭新的阶段：近代物理使材料科学进入一个崭新的阶段：实验上：实验上：劳厄劳厄 X 射线法窥探晶体结构。可在超高真空、射线法窥探晶体结构。可在超高真空、等理论的建立和发展使深入、正确地描述晶体内微观粒子运等理论的建立和发展使深入、正确地描述晶体内微观粒子运
5、动成为可能。动成为可能。超低温或超高压下借助各类电子显微镜观察、甚至操纵、安超低温或超高压下借助各类电子显微镜观察、甚至操纵、安排原子分子的排列。排原子分子的排列。近代：近代：玻璃、瓷器、及铝工业；玻璃、瓷器、及铝工业；现代：现代：高分子聚合物材料、超导材料、纳米材料等高分子聚合物材料、超导材料、纳米材料等第二节第二节 材料科学的任务及材料的分类材料科学的任务及材料的分类按状态：按状态：气态、液态、固态气态、液态、固态材料科学的任务：材料科学的任务：以物理学、化学、冶金学等为理论基础，应用各种测试和实验手段从微观上来以物理学、化学、冶金学等为理论基础，应用各种测试和实验手段从微观上来研究材料的
6、各种性能及其在制造和应用中的行为，以提高材料的性能、探索和研究材料的各种性能及其在制造和应用中的行为，以提高材料的性能、探索和开发新型材料。开发新型材料。材料科学研究的对象甚多，世界上已注册的材料有几十万种。材料科学研究的对象甚多，世界上已注册的材料有几十万种。材料分类方法：材料分类方法：有多种有多种金属材料金属材料（Metallic Materials)：钢铁、铝、铜、钛合金钢铁、铝、铜、钛合金陶瓷材料（陶瓷材料（Ceramics）：）：Al2O3、SiC、Si3N4、SiO2、TiN如，电工电子陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等如，电工电子陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等高分子材料（高分子材料（Hi
7、gh Polymers)：聚乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯、纤维、纤维、蛋白质蛋白质等等复合材料（复合材料（Composites)：Matel-Matrix orPolymer-Matrix按特性：按特性：金属、无机非金属（如陶瓷）、有机高分子材料和金属、无机非金属（如陶瓷）、有机高分子材料和复合材料复合材料 两种或两种以上的材料按一定的比例通过特殊方两种或两种以上的材料按一定的比例通过特殊方法结合起来而构成法结合起来而构成按作用按作用:结构材料和功能材料结构材料和功能材料按使用领域：按使用领域：建筑、电子、医用、仪表及能源材料等建筑、电子、医用、仪表及能源材料等结构材料：结构材料：是机械制造、
8、建筑工程、交通运输、能源利用是机械制造、建筑工程、交通运输、能源利用工程等的物质基础。具有抵抗外力作用、保持自身形状和结构工程等的物质基础。具有抵抗外力作用、保持自身形状和结构不变的力学特性及对外界环境良好的适应性。不变的力学特性及对外界环境良好的适应性。高强的机械性能、耐高温、耐磨、耐高强的机械性能、耐高温、耐磨、耐腐蚀、耐辐照。腐蚀、耐辐照。新型结构材料新型结构材料：新型陶瓷结构材料、复合材料及高分子材料的开发新型陶瓷结构材料、复合材料及高分子材料的开发利用正在受到重视。利用正在受到重视。功能材料：功能材料：具有优良的电、磁、声、热、光、力、化学、具有优良的电、磁、声、热、光、力、化学、用
9、途：用途：可用于研制具有传递、存储或记忆信息、可用于研制具有传递、存储或记忆信息、转化或变换能量的功能性元件。转化或变换能量的功能性元件。包括：包括：金属、半导体、有机高分子、复合材料等。金属、半导体、有机高分子、复合材料等。有多种分类，按性能可分为：有多种分类，按性能可分为：或生物学等性能的材料。或生物学等性能的材料。力学、声学、电学、磁学、光学、化学、生物力学、声学、电学、磁学、光学、化学、生物医学、核功能材料。医学、核功能材料。第二节第二节 材料科学的重要性材料科学的重要性材料科学发展对国民经济、国防建设具有重要意义材料科学发展对国民经济、国防建设具有重要意义先进材料与制造技术是未来国民
10、经济与国防力量发展的基础先进材料与制造技术是未来国民经济与国防力量发展的基础,是各种高、是各种高、新技术成果转化为实用产品与商品的关键。当前各种新材料市场规模已新技术成果转化为实用产品与商品的关键。当前各种新材料市场规模已超过超过4000亿美元亿美元 材料与制造技术是新时代企业的物质基础。各种高新技术材料与制造技术是新时代企业的物质基础。各种高新技术(如电子信息、能源、如电子信息、能源、制造业以及航空、航天、海洋、军事技术等制造业以及航空、航天、海洋、军事技术等)将都对材料及工艺提出更新、更将都对材料及工艺提出更新、更高的要求高的要求美国曾在美国曾在“国家关键国家关键 技术报告技术报告”认为认
11、为:材料领域的进展可以显著改进材料领域的进展可以显著改进国民经济所有部门的产品性能国民经济所有部门的产品性能,提高它们的竞争能力提高它们的竞争能力;材料被列为六大材料被列为六大关键技术的首位关键技术的首位3、现代的高科技兵器战争时代：、现代的高科技兵器战争时代：按武器装备的演变、按武器装备的演变、战争分为三个时代：战争分为三个时代：1、经典的冷兵器战争时代：、经典的冷兵器战争时代：2、近代的热兵器战争时代：、近代的热兵器战争时代：以大刀、长矛、弓箭等借士兵体能为其基本特以大刀、长矛、弓箭等借士兵体能为其基本特征。陆、水两维战争。征。陆、水两维战争。以飞机、枪、炮、弹药、原子弹等的钢铁、炸药的较
12、量。以飞机、枪、炮、弹药、原子弹等的钢铁、炸药的较量。陆、海、空三维战争。陆、海、空三维战争。以精密制导、电子战、航天、激光、隐形、人工智能武器为其以精密制导、电子战、航天、激光、隐形、人工智能武器为其特征。高科技密集形战争。特征。高科技密集形战争。国防科技及武器装备的发展在很大程度上也要依国防科技及武器装备的发展在很大程度上也要依赖新材料和先进制造工艺赖新材料和先进制造工艺 第三节第三节 21世纪材料科学的发展前景世纪材料科学的发展前景 21世纪将是在方方面面，发生重大变革的时期，是一个各学科交织发世纪将是在方方面面，发生重大变革的时期，是一个各学科交织发展，以至逐步消失它们之间的明确界线的
13、时期。新材料与材料科学将展，以至逐步消失它们之间的明确界线的时期。新材料与材料科学将无疑有着持续、高速发展的势头。各类新技术的诞生与发展无一不需无疑有着持续、高速发展的势头。各类新技术的诞生与发展无一不需要新材料，要求材料能与之同步或领先发展要新材料，要求材料能与之同步或领先发展 信息技术方面信息技术方面已从电子技术到光电子技术，进而将到光子技已从电子技术到光电子技术，进而将到光子技术是自然的发展趋势术是自然的发展趋势新材料必然需要相应地发展以适应这种趋势新材料必然需要相应地发展以适应这种趋势 如、与光子技术相应的传输、调制、存储等材料需要深入、有效如、与光子技术相应的传输、调制、存储等材料需
14、要深入、有效的研究与开发，巨大的产业前景的研究与开发，巨大的产业前景 提高热机效率方面提高热机效率方面氮化物及碳化物以及它们的复合材料受到广泛的重视氮化物及碳化物以及它们的复合材料受到广泛的重视需要能够承受更高温度的材料以提高热机效率、减少需要能够承受更高温度的材料以提高热机效率、减少燃料消耗、改善环境污染燃料消耗、改善环境污染当前热机材料能承受的温度：当前热机材料能承受的温度：10501100，希望提高到希望提高到1400、1600或更高或更高能源方面能源方面燃料电池、特别是固体燃料电池：燃料电池、特别是固体燃料电池：能量转换效率高能量转换效率高已达到已达到80以上，大型电池组预计可达到以上
15、，大型电池组预计可达到 65 相应的材料研究包括电解质、阳极、阴极以及相关材料相应的材料研究包括电解质、阳极、阴极以及相关材料 最核心的问题仍然是材料，如何能够得最核心的问题仍然是材料，如何能够得到高效、大面积、低成本的相应材料到高效、大面积、低成本的相应材料太阳能：太阳能：取之不尽的低密度能源取之不尽的低密度能源纳米技术：具有广泛应用前景，预期纳米技术：具有广泛应用前景，预期21世纪将是其开花、结果的时代世纪将是其开花、结果的时代 纳米材料与纳米技术纳米材料与纳米技术纳米材料：在光、电、磁、热、力等方面的新现象、新性能，许多现纳米材料：在光、电、磁、热、力等方面的新现象、新性能，许多现象尚是
16、未知数或尚无妥善的解释象尚是未知数或尚无妥善的解释生物材料生物材料牙齿的基本组成羟基磷灰石，具有纳米结构、定向性很好、牙齿的基本组成羟基磷灰石，具有纳米结构、定向性很好、具有较好的韧性具有较好的韧性 为什么人体能够在十分温和的环境下合成这类牙齿或骨胳？为什么人体能够在十分温和的环境下合成这类牙齿或骨胳？十分有兴趣的新领域十分有兴趣的新领域仿生合成（仿生合成（Biomimetic Synthesis）富勒球（富勒球（C60）、富勒管（）、富勒管（Fullerene-tubes）新发现常常是人们所未估计到的，需要善于抓新发现常常是人们所未估计到的，需要善于抓住科学上的偶然性住科学上的偶然性如：类钙
17、钛矿结构的高温超导陶瓷、如：类钙钛矿结构的高温超导陶瓷、第二章第二章 原子结构与键合原子结构与键合原子、原子排列、微观结构和宏观组织。原子、原子排列、微观结构和宏观组织。材料的结构层次：材料的结构层次：原子：原子：材料的基本单元。材料的基本单元。原子结构：原子结构：直接影响材料中原子的结合方式直接影响材料中原子的结合方式形成不同的结合键及不同性质的材料：形成不同的结合键及不同性质的材料：金属、半导体、绝缘体（高分子聚合物）金属、半导体、绝缘体（高分子聚合物）第一节第一节 原子结构原子结构卢瑟福卢瑟福 粒子散射实验：粒子散射实验：原子的核式结构模型原子的核式结构模型原子：原子：原子核、电子原子核
18、、电子原子核：原子核：质子和中子质子和中子核内质子数核内质子数:等于等于 核外电子数核外电子数Ce191060.1kgmmnp271067.1质子电量：质子电量：等于电子电量等于电子电量kgme311011.9原子半径：原子半径：原子核半径：原子核半径：m1010m1510原子量（原子量（M）定义：）定义：？原子量原子量 有两个单位：有两个单位：23010023.6Nmolg/1 个原子的质量：个原子的质量：0/NMMA1 个个 C12 原子的质量：原子的质量：12)(/120gN（原子质量单位）（原子质量单位）1 原子质量单位原子质量单位)(/10gN原子量的另一单位原子量的另一单位:原子质
19、量单位原子质量单位碳同位素中的碳同位素中的 C12原子原子 的原子量：的原子量：molg/121 个原子的质量：个原子的质量：MgNMMA)(/0（原子质量单位）（原子质量单位）1 mol 原子的质量原子的质量原子量的单位原子量的单位:第二节第二节 原子的电子壳层结构原子的电子壳层结构一、量子数一、量子数元素的性能决定于原子中电子所处的状态元素的性能决定于原子中电子所处的状态描述电子状态的四个量子数：描述电子状态的四个量子数：1、主量子数、主量子数 n取值：取值：1、2、3、4、是决定电子能量的主要参数，表征电子所处的壳是决定电子能量的主要参数，表征电子所处的壳层及电子运动轨道的大小层及电子运
20、动轨道的大小 2 34KLMN主量子数主量子数名称名称 1壳层壳层2、轨道角动量量子数、轨道角动量量子数 取值：取值：)1(2,1,0 nl是决定电子能量的另是决定电子能量的另一个参数一个参数,表征表征轨道轨道的的形状和轨道角动量形状和轨道角动量的大小的大小。S轨道轨道P轨道轨道xyz 1 2 s p d 轨道名称轨道名称 0l3f)1(n轨道轨道2)1(hllPl代表电子自旋的取向和自旋角动量在代表电子自旋的取向和自旋角动量在特殊方向的分量特殊方向的分量3、轨道方向量子数、轨道方向量子数 取值：取值：llllml ),1(,0,1,表征轨道角动量在特殊方向（如磁场方向）上的可能分量或表征轨道
21、角动量在特殊方向（如磁场方向）上的可能分量或轨道在空间的可能取向。轨道在空间的可能取向。1l1,0,1lm如如 时时，3个可能的取向个可能的取向4、自旋方向量子数、自旋方向量子数 取值：取值：21,21sm泡利不相容原理：泡利不相容原理：原子中不可能有两个电子处于同一状态原子中不可能有两个电子处于同一状态不可能有两个电子具有完全相同的上述四个量子数不可能有两个电子具有完全相同的上述四个量子数2)121(21hPs)12(2lNl2102)12(2nlNnln原子原子次壳层次壳层和和壳层壳层中可容纳的电子数：中可容纳的电子数：壳层：壳层：次壳层：次壳层：次壳层次壳层 有有 个个 ，每一个每一个
22、有两个有两个lmsml)12(llm壳层壳层 n 中包含中包含 n 个次壳层个次壳层l lNspdf0123261014nnN1228183234二、原子的电子结构二、原子的电子结构基态：基态：原子最低能态；电子从最低能级填充原子能级。原子最低能态；电子从最低能级填充原子能级。决定电子能量的量子数：决定电子能量的量子数：主量子数主量子数 、次量子数、次量子数,ln越大、电子能量越大。越大、电子能量越大。ln,决定电子能量的主要量子数、决定电子能量的主要量子数、ndnnsEE)1(实际上通常：实际上通常：dsEE34电子填满各能级次电子填满各能级次序通常为序通常为:5f7s6s5s4s3s2s1
23、s7p6p5p4p3p2p4f6d5d4d3d但但不能保证不能保证：过渡族金属的电子结构过渡族金属的电子结构Mn25Fe26Co27Cr24Ni28Cu296262233221pspss5134ds5234ds6234ds7234ds8234ds10134ds6262233221pspss6262233221pspss6262233221pspss6262233221pspss6262233221pspss9234ds4234ds而不是而不是三、原子价及原子的电负性三、原子价及原子的电负性原子依靠外层电子与其它原子化合原子依靠外层电子与其它原子化合原子外层电子决定其化学活性原子外层电子决定其化
24、学活性外壳层外壳层8电子结构是稳定结构，原子在结合时倾向于或填满外层电子结构是稳定结构，原子在结合时倾向于或填满外层 s,p 能级，或使能级，或使 s,p 能级完全空着能级完全空着非金属元素非金属元素倾向于接受电子成为倾向于接受电子成为8电子结构，电子结构，具有电负性具有电负性。金属元素金属元素倾向于失去价电子成为倾向于失去价电子成为8电子结构，电子结构，显正价显正价。氯的电子结构：氯的电子结构：622221pss5233ps强电负性强电负性铝的电子结构：铝的电子结构：622221pss1233ps显正显正3价价钠的电子结构：钠的电子结构：622221pss13s更易失去更易失去1个价电子，正
25、个价电子，正电性更强。电性更强。第三节第三节 原子的键合原子的键合四种基本的原子键：四种基本的原子键：金属键、共价键、离子键和范德瓦尔键金属键、共价键、离子键和范德瓦尔键一、金属键一、金属键金属键本质：金属键本质：离子、电子间的库伦相互作用离子、电子间的库伦相互作用价电子是价电子是 sp 电子的低价金属（电子的低价金属（Na,Ca,Al 等）金属键等）金属键金属原子失去价电子成为正离子、价电子成为自由电子，金属原子失去价电子成为正离子、价电子成为自由电子，离子骨架浸泡在电子的海洋。离子骨架浸泡在电子的海洋。金属特性：金属特性：（1）延展性；（）延展性；（2）良好的导电性）良好的导电性。金属键特
26、性：金属键特性：无方向性、不易被破坏。无方向性、不易被破坏。金属是良导体金属是良导体二、共价键二、共价键不易失去价电子的原子倾向于与邻近原子共有价电子、不易失去价电子的原子倾向于与邻近原子共有价电子、成为成为8电子稳定结构。电子稳定结构。共价键：拉手结合共价键：拉手结合IV 元素半导体（元素半导体（C,Si,Ge）是共价键。一个原子与周围）是共价键。一个原子与周围4个原个原子形成电子对子形成电子对 共价键共价键共价键之间的夹角：共价键之间的夹角：109oSi 正四面体结构：正四面体结构：共价键具有方向性共价键具有方向性价电子位于共价键附近的几率高于其它处价电子位于共价键附近的几率高于其它处（2
27、）性脆，延展性很差。）性脆，延展性很差。原子具有相近的电负性、价电子数之和为原子具有相近的电负性、价电子数之和为8共价键形成的条件：共价键形成的条件：III-V 及及IIVI化合物半导体也主化合物半导体也主要是共价键要是共价键III-V半导体：半导体：InSb,GaAs等等锑锑(ti)化铟化铟共价键材料特性：共价键材料特性：（1）高硬度、高熔点、导电性差、低膨胀系数；）高硬度、高熔点、导电性差、低膨胀系数；（共价键是强化合键）（共价键是强化合键）陶瓷和聚合物：或完全、或陶瓷和聚合物：或完全、或部分是共价键部分是共价键（共价键的方向性）（共价键的方向性）SiO2 主要是主要是共价键共价键SiO第
28、三节 原子的键合四种基本的原子键：金属键、共价键、离子键和范德瓦尔键一、金属键二、共价键三、离子键三、离子键离子键材料由两种以上的电负性相差很大的原子组成离子键：以正负离子间的相互作用力形成的结合622221pss13s622221pss5233ps622221pss622221pss6233ps:Na:Na:Cl:ClNaCl离子晶体的特性：（1）离子晶体是最密堆积的面心立方或六方密填结构；（离子键的各向同性）（2）对可见光透明、吸收红外波长。结构特征离子振动能级吸收（3）低温下导电性差、高温下离子导电；（结构上致密性、离子对电子约束紧密）（4）高价离子的氧化物坚硬、熔点高。,32OAl,2
29、ZrO32OY原子电子结构、电负性差异决定材料的结合机制Sp价电子金属原子间：只存在金属键过渡金属：金属键和共价键（d 电子受原子核束缚强烈、只能与邻近 d 电子形成不饱和共价键）电负性差异很大的原子：只存在离子键(氧化钇)电负性差异不大的原子：既存在离子键又存在共价键多元素化合物材料一般是离子键和共价键结合：242SOCa2Ca:O.:O.S:O.:O.2离子结合主要是共价结合四、范德瓦尔键分子或原子团间的一种弱静电键合存在于高分子材料的分子间及一些陶瓷材料的分子层间，这类分子必有显正电的部分和显负电的部分4CaSO（2）处在一定距离范围的任意分子间，存在微弱的吸引力产生的根源：（1）一个分
30、子的正电部分和另一分子的负电部分间有微弱静电吸引力；（核外电子运动相当波动电偶极子）分子间是范德瓦尔键，分子内的原子间是强有力的共价键等水分子间：范德瓦尔键 水易成水蒸气氢氧间不易断裂共价键云母：21032)(OHOAlSiKAl层间:范德瓦尔键)(K层内：离子键和共价键；层间易剥离范德瓦尔键易断裂ClCH聚氯乙烯（PVC塑料）剪切力剪切力高分子链内：共价键聚氯乙烯：性脆、可产生很大变形第四节 结合能及原子间距四种化学键的共同特征：结合力包括吸引和排斥两部分rOEP0Fmr0rmFEP排斥力和吸引力的合力两原子间距离大于 r0:吸引力大于排斥力、原子间呈现相吸引两原子间距离小于 r0:排斥力急
31、剧增加、大于吸引力，原子间呈现排斥两原子间作用力随距离的变化：rArBAB原子两原子间距离为 r0:平衡位置吸引力等于排斥力、合力为零范德瓦尔键最小rOEP0Fmr0rmFEP势能两原子间势能随距离的变化：r1:1rr;0pE:1rr;0pE:0rr 0ppEE 最小0pE原子间或晶体的结合能结合键不同、结合能不同：离子键最大共价键金属键250150)/(molkcal17515802510第三章 材料的物性第一节 材料的电性质物性：电性、磁性、热性、光学性质和力学性质材料按电性能分类：导体、半导体、绝缘体导体：绝缘体：cm410金属：cm710cm610一、欧姆定律反映材料导电性的参数：电阻
32、率 或电导率两者关系：/1半导体：cm641010试样电阻：slR欧姆定律宏观形式：IVR 电阻率：IlVs:l:s试样长度，试样截面积金属的导电性：几乎不随电压变化恒定半导体的导电性：随电压明显变化)(V伏安特性曲线为直线伏安特性曲线为曲线欧姆定律的微分形式：Ej:j:E电流密度材料中的场强电流密度定义：dsdtdQj Ej电流密度矢量：欧姆定律的微分形式反映材料中电流与电场的逐点对应关系EjEdsdtnevdtdsEdsdtdQEj11neEvnevvdtdsEv/载流子在单位电场作用下的迁移速率迁移率：电子：)/(14.02Vsme空穴：)/(05.02VsmhSi 单晶电导率的微观表达
33、式：二、固体电子能带结构能量能带能带禁带平衡间距原子间距能级能级孤立原子的能级考察 N 个相同原子组成的固体：原子距离很大（无相互作用、孤立原子）时：每个原子的能级构造相同；系统的能级相当于 N 度简并的孤立原子能级。原子相互靠近结合成晶体（原子间有相互作用）：电子除受自身原子的作用外，还受周围原子势场的作用，系统的电子能态结构：N 度简并的能级N 个彼此相距很近的能级，展宽为能带固体电子能带的形成能级分裂的原因：电子波函数叠合、相互作用的结果能级分裂：从价电子到内层电子。能量能带能带禁带平衡间距原子间距能级能级孤立原子的能级内层能级只有原子非常接近时才发生分裂，即使分成能带、能带也很窄固体电
34、子能带结构：原子间处于平衡间距时的能带结构固体在 0 K 时的能带结构电子填充能带的原则：2、首先填充能量最小的状态1、泡利不相容原理：不能有两个电子处于完全相同的量子态孤立原子的能量较高的空能级，原子结合成晶体、形成的能带后仍是空着的电子能带结构因材料不同而异（一）金属的电子能带结构Na 金属电子能带3s3p622221pss13s钠原子的电子结构：:221622pss满电子能级钠晶体的与之相应能带也是全满带与之相应能带是半满带:31sMg 金属电子能带3s3p622221pss23s镁原子的电子结构：622221pss满电子能级镁晶体的与之相应能带也是全满带与之相应能带是空带:3p23sM
35、g 金属电子能带3s3p镁晶体的 3s 与 3p 能带存在交叠622221pss1233ps铝原子的电子结构：622221pss满电子能级与之相应能带仅部分填充:31p23sAl 金属电子能带3p3s铝晶体的与之相应能带也是全满带s3p3 能带与 能带存在交叠金属的能带结构特征：存在未满的价带或存在价带和其上的空带交叠被价电子占据的最高能级上存在许多空能级最高能级：费米能级(Fermi level),Ef极小的能量即可激发费米能级附近的价电子成为自由电子金属是良导体 并非说有价电子都能参与导电、只有被激发到费米能级以上的电子（自由电子）才能导电金属中自由电子的数密度：322/10m（二）半导体
36、和绝缘体的能带结构禁带禁带导带价带价带导带ECEVEg绝缘体半导体能带结构特征：被电子填满的价带与未被电子填充的空带（导带）间没有交叠，价带和导带间被禁带隔开禁带宽度：VCgEEE绝缘体的禁带宽度：eVEg105常温下价电子几乎不能被激发到导带价带电子必须获得 ，才能从价带被激发到导带、参与导电gEE 激发前激发后绝缘体不导电半导体的禁带宽度：eVEg32.0常温下具有一定的导带性31916/1010mn 导带中电子数密度晶体能带与原子能级不一定有一一对应关系Si 单晶：3sps3p3杂化分裂成两个各包含 2N 个能级的能带：价带导带4N 个价电子恰好填满价带，导带全空三、金属的电阻电子在理想
37、晶体运动时不受晶格散射，电场的作用下自由电子作匀加速运动、电流不断增大量子理论：实际晶体：理想晶体：施加一定的电场于导体后，电流迅速达到平衡值。原因:实际晶体中存在缺陷缺陷:晶体中的杂质原子、空位、间隙原子、位错以及原子热振动等所有与理想晶体的偏离。缺陷使电子运动受到散射，电场作用下金属中电子的运动轨迹为复杂的曲折线电场迁移（如同容器中气体分子的运动）电阻率：反映载流子在导体中运动时所受散射或阻力的大小金属电阻率的构成：diT热振动 杂质(替位、间隙)形变分别起因于：Tid,T热振动越剧烈、)1(20TT:电阻率温度系数，20tT除过渡族金属外、所有纯金属：Co/1043杂质(替位、间隙)越多
38、，越大；形变越大、位错越多，越大迁移率：反映晶体缺陷对载流子运动的散射程度neEv/载流子受晶体缺陷散射的频率、强度越高，迁移率越低、电阻率越高导电材料：应有良好的导电性、力学及热学性能Ag：导电性最好，但力学性能差、价格贵Cu：导电性好，应用最广泛Al：导电性较好、价格低廉，常用的导电材料固溶体合金：导电性较差、机械强度高加热元件材料：应有较高的电阻率、高熔点及耐高温氧化特性多采用合金材料，如 Ni-Cr四、半导体半导体:本征半导体和非本征半导体（参杂半导体）四族元素半导体和化合物半导体（一）本征半导体本征半导体：没有杂质和缺陷、理想半导体禁带价带导带ECEV本征半导体gE能带特征：价带全满
39、、导带全空、禁带中无能级eVEg32.0分类：四族元素半导体：:SieVEg1.1:GeeVEg7.0化合物半导体：IV-IV 族：III-V 族：SiC,GaAsInSb（锑化铟）II-VI 族：CdSZnTe（硫化镉），（碲化锌）宽禁带、大功率半导体材料 物性物性3C-SiC4H-SiC6H-SiC Si 熔点熔点 2839 2700 2800 1420 禁带宽禁带宽 2.2 2.9 3.2 1.1 击穿场强击穿场强热导率热导率 4.9 4.9 5.0 1.5CoeVcmV/CcmWo/610361036105.25103SiC与Si的物性比较把一对Si原子和C原子看作一个小球若把第一层作
40、为A层，第2层有B和C两种可能，B上的层有C和A两种可能，C上的层有A和B两种可能，3C-SiC 積層順序4H-SiC 積層順序6H-SiC 積層順序本征Si 原子键合与导电机制：电场Si每当一个电子从价带被激发到导带，便在价带中留下一个电子空位，空穴导带电子和价带空穴成对出现:导带电子:准自由电子、可在电场的作用下定向运动、形成电流导带电子价带空穴:电场Si等效载流子其导电过程实质上是电场的作用下价电子向空穴的跳跃过程等效于带正电的空穴沿与价电子相反方向的运动空穴带正电量：e本征半导体导电：导带电子和价带空穴的共同贡献电导率：hemene,:n m导带电子和价带空穴的数密度。导带电子导带电子
41、和价带空穴的迁移率。:,hehe通常：本征半导体:nm)(hehenemene材料SiGeGaPGaAsInSbCdSZnTe11,m)/(,2Vsme)/(,2VsmheVEg,11.1410414.005.067.025.235.117.040.226.22.2610410238.005.085.07.703.003.018.0002.045.007.001.0本征半导体基本参数一、欧姆定律三、金属的电阻第三章 材料的物性第一节 材料的电性质二、固体电子能带结构四、半导体（一）本征半导体（二）非本征半导体 杂质半导体（二）非本征半导体 杂质半导体实际使用的半导体都是杂质半导体杂质半导体：对
42、本征半导体掺杂、实现改变其电性或获得某种功能杂质半导体分类：N型半导体和 P型半导体（掺杂种类不同）1、N型半导体5价P原子束缚电子5价原子以替位式参入本征 Si 或 Ge 中掺杂原子：P,As,Sb未键合电子受杂质原子的束缚很弱结合能：eV1.0Si单晶eVEg1.104.0044.0049.0SbPAsvEcEdEN型半导体能带结构5价杂质原子掺入相当在导带底引入施主杂质能级杂质能级上的束缚电子很易被（热和电）激发到导带5价杂质原子向导带提供电子5价杂质原子：施主杂质室温下施主激发产生的电子数远大于本征激发的电子或空穴数kTEe/N型半导体：电子是多数载流子；空穴是少数载流子ene2、P型
43、半导体3价原子以替位式参入本征 Si 或 Ge中掺杂原子：Al,B,Ga3价原子的周围共价键缺一个电子、周围价电子很容易被激发到这个电子空缺上结合能：eV1.03价B原子空位缺电子的位置可看作与杂质原子结合微弱的空位。价电子向空位跳跃的过程等效于空位向价带的运动3价杂质原子：受主杂质接受来自价带的电子P 型半导体能带结构3价杂质原子掺入相当在价带顶引入受主杂质能级价带电子很易被（热和电）激发到受主能级上Si单晶eVEg1.1BAlGa045.0057.0065.0vEcEaE室温下受主激发在价带中产生的空穴数远大于本征激发的电子或空穴数P 型半导体：电子使少数载流子；空穴是多数载流子Pme等效
44、于空位被激发到价带中、成为空穴3、半导体掺杂工艺掺杂：将微量的施主或受主杂质加入本征半导体中、使之成为 N 或P型半导体的过程掺杂物：被掺入的物质掺杂工艺方法：扩散法和离子注入法（1）扩散法：气相法和预沉积、高温热处理法 a、气相法：置硅片于 1000 1100 oC 的扩散炉中，扩散炉中充满掺杂原子气体。控制杂质浓度和掺杂深度的工艺参数：温度、时间、气相中掺杂原子浓度（2）离子注入法：b、预沉积、高温热处理法：Si基板预沉积杂质层热处理Si基板扩散层比气相法更易精确控制掺杂控制杂质浓度和掺杂深度的工艺参数：掺杂浓度和深度由温度和时间决定50100kV电压加速杂质离子轰击Si基板轰击深度：取决
45、于杂质原子的质量、基板的晶格损伤可在适当的温度下退火处理消除可在室温下进行、能精确控制掺杂浓度和深度、适于集成电路制作加速电压、及基板的表面状态杂质量由预沉积层厚度决定五、绝缘体禁带宽度大、常温下价电子不能被激发到导带、电导率低绝缘材料的主要性能指标：电阻率、介电系数、介质损失和介电强度（一）体电阻率和面电阻率体电阻率：表征载流子在材料体内输运时的能耗特征面电阻率：表征载流子在材料表面或界面输运时的能耗特征测量方法：欧姆定律1、体电阻率A电极试样AdIVRVVV/:d:A试样厚度电极面积电极被蒸镀在试样上AdIVRVVV/dARdIVAVVV/)/()(2、面电阻率A电极试样（1）平行电极Lb
46、IVRSSS/:b:L电极间距，电极长度bLRSS/)./(qs（2）对环状电极A芯电极环电极试样)2/(/21rdrIVRrrSSS)/ln()2/()2/(/1221rrdrrIVRSrrSSS)/ln(/2)/ln(/21212DDRrrRSSS:1D:2D芯电极直径环电极内径绝缘材料：陶瓷、高分子聚合物制作或合成过程引入的杂质会降低材料电阻率影响聚合物电阻率的因素：未反应的单体、残留的引发剂、辅助剂及吸附的水分等潮湿空气中吸附的表面水分会使表面电阻率大幅度降低（二）电介质隔断或减弱电场的性质介电性：金属能完全隔断电场、金属的介电性最强：绝缘体只能减弱体内的电场：0E0EEE电介质：用于
47、把带电体隔离、并能长期经受强电场作用的绝缘材料电介质介电性的起因：电介质在外电场中的极化电介质极化机制：（1）、分子的极化；（3)、空间电荷极化。（2）、弛豫极化（电子、离子弛豫极化）；1、电介质极化(1)、分子的极化电介质由分子组成、在外电场的作用下分子中电荷分布发生变化，极化分子极化包括：电子位移极化、离子位移极化，及有极分子（具有电偶极矩）的取向极化。A、电子位移极化外电场的作用下、原子中的电子相对原子核发生位移：|电子轨道位移0E原子正、负电中心不再重合电子轨道位移：原子中的所有电子都发生、但价电子显著、内层电子不显著电子质量小、对电场反应快电子位移极化建立时间：se1510可以跟随光
48、频变化电场原子玻尔模型电子平均极化率：3034Re:R原子或离子半径B、离子位移极化离子在外电场的作用下偏离平衡位置、相当于一感生偶极矩E结合键被拉长据经典弹性振动理论离子位移极化率：0341nai:a:n晶格常数；电子层斥力指数离子晶体 117:nC、有极分子的取向极化离子质量远大于电子质量，离子极化建立时间比电子的长离子极化建立时间：si13121010:有极分子电介质在电场的作用下除电子、离子的位移极化外，有极分子将沿电场方向有序化。取向极化：有极分子电介质主要极化方式+无电场无电场时有极分子的取向杂乱无章，宏观上电介质对外不显电性E0有电场有外电场时在外电场力矩作用下，偶极子（有极分子
49、）转向电场的方向，场强越强偶极子的取向与电场越一致。分子的热运动会破坏分子排列有序化温度不太高、外电场不太强时，平衡状态下有极分子的取向极化率：kT3200:0分子的固有偶极矩，:kBoltzman 常数取向极化的建立时间：s921010较长D、分子极化总结非（无）极性分子（可能存在对称的离子性结构）03304134naRied极化率：kTnaRied341342003300极化率：（诱导）偶极矩：EEied)(有极分子（可能存在对称的离子性结构）偶极矩：EEie)(0（二）电介质电介质极化机制：（1）、分子的极化；（3)、空间电荷极化。（2）、弛豫极化（电子、离子弛豫极化）；1、电介质极化（
50、2）、弛豫极化（电子、离子弛豫极化）；(2)、（电子、离子）弛豫极化弛豫极化 松弛极化弛豫 松弛：需要时间的过程所有极化都需要时间、都是弛豫的。电子、离子的弛豫极化：极化建立时间较长、不同于电子、离子位移极化的一种极化材料中弱联系（受束缚较弱）的电子、离子在电场和热运动的共同作用下建立的一种极化状态弱联系的电子、离子运动距离可与分子尺寸相比、甚至更大电子、离子弛豫极化的建立需克服一定的势垒极化建立时间比位移极化大得多。弛豫极化往往是不可逆的弱束缚电子A、电子弛豫极化晶格缺陷处的原子、杂质原子中的弱束缚电子晶格缺陷处的原子或杂质原子在禁带中引入的局域能级或杂质能级上的电子吸收较小的能量可由较低的
