1、1一、原子的微观结构 1.1.主量子数 n(n=1、2、3、4)主量子数确定核外电子离原子核的远近和能级的高低。2.2.次量子数 l(l=0、1、2、3)次量子数反映的是电子轨道的形状。在由主量子数n确定的同一主壳层上的电子的能量有差异，可分成若干个能量水平不同的亚壳层，其数目随主量子数而定，习惯上以s、p、d、f 表示。3.3.磁量子数m(m=0、1、2、3)磁量子数表示电子云在空间的伸展方向，它确定轨道的空间取向。4.4.自旋量子数ms(ms=+1/2、-1/2)自旋量子数表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。第一节原子的电子排列 第一章材料的电子结构与物理性能1.1 1.1 原
2、子的电子排列 2标题添加点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容前言点击此处输入相关文本内容标题添加点击此处输入相关文本内容3二、原子核外电子的分布 三个基本原理：l 泡利不相容原理 在一个原子中不可能存在四个量子数完全相同（即运动状态完全相同）的两个电子。或者，在同一个原子中，最多只能有两个电子处在同样能量状态的轨道中，而且这两个电子的自旋方向必定相反。l 最低能量原理 电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。l 最多轨道规则（洪特规则）相同能量的轨道（也称等价轨道）上分布的电子将尽可能分占不同的轨道，而且自旋方向相同。作为洪特规则的特例，对于角量子数相同的轨道，当电
3、子层结构为全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的。即：全充满:p 6或d 10或f 14；半充满:p 3或d 5或f 7；全空:p 0或d 0或f 0。第一章材料的电子结构与物理性能1.1 1.1 原子的电子排列 45第二节固体的能带理论与导电性 一、能带的形成 基本原理：对于单个原子：u 单个原子的电子处在不同的分立能级或轨道上。例如，一个原子有一个2s 能级，3个2p 能级，5个3d 能级。u 不同能级之间的电子能量各不相同。电子的能量就是其所在能级的能量。u 单个原子的电子只能占据特定的轨道或能级，在每个能级上可容许有两个自旋方向相反的电子。u 各能级之间存在着能隙。能隙是电子能量的“真
4、空”地带。第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性6重要概念：满带：被电子填满的能带。空带：没有被电子填充的能带。价带：被价电子占据的能量最高的能带。导带：价带以上的空带。金属导电机理：价带上的电子跃迁到导带上成为自由电子，自由电子在电场作用下作定向运动形成电流。二、金属的能带结构与导电性 金属的能带结构第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性7各种金属的能带结构3p02p63s22s21s2(b)碱土金属Mg3s和3p能带重叠，形成扩展能带4s23d63p63s22p62s21s2(c)过渡金属Fe4s和3d能带重叠，形成扩展能带3s12p62
5、s21s2(a)碱金属Na导带价带第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性8l 电荷载流子 定义：载带电荷运动的粒子称为电荷载流子。基本类型：电子和阴离子负电荷载流子，也称为负型载流子。阳离子正电荷载流子，也称为正型载流子。如Pb2+。空穴正电荷载流子。在半导体中尤为重要。电导率和载流子：载流子迁移率：在外加电场作用下，载流子在原子尺度的结构中移动的难易程度，即：电导率：由载流子浓度n、每个载流子所带电荷q、载流子迁移率 决定，即：nq1 第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性9l 金属的电阻率与温度的关系一般而言，金属的电阻率与温度的关系是线
6、性的，且具有正的温度系数，即随着温度上升，电阻率增加。原理：由于晶体热扰动的强度随温度的上升而成比例地增加，减少了晶体的规则性而使电子的平均自由程减小，从而减小了金属中电子的迁移率，使电阻率增大。电阻温度系数yT与温度T和电阻率 的关系：)1(T0TTy 第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性10三、费米能级 费米分布函数 f（E）1e1)(T/)(kEEfEff（E）的物理意义：代表在一定温度下电子占有能量为E的状态的几率。Ef ：费米能 l 费米能的意义（1）Ef 以下基本上是被电子填满的，Ef 以上的能级基本上是空的。（2）由于热运动，电子可具有大于Ef 的能量
7、而跃迁到导带中，但只集中在导带的底部。同样理由，价带中的空穴也多集中在价带的顶部。（3）对于一般金属，Ef 处于价带和导带的分界处。对于半导体，Ef 位于禁带中央。第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性11导体、半导体和绝缘体的能带结构（Ev代表价带的最高能量，Ec代表导带的最低能量，Ef是费米能）价带导带EgEfEcEv价带导带EcEv价带导带Ev半导体导体绝缘体Eg第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性12第三节半导体半导体导电特性的两个显著的特点：l 半导体的电导率对材料的纯度的依赖性极为敏感。例如，百万分之一的硼含量就能使纯硅的电导率
8、成万倍增加。如果所含杂质的类型不同，导电类型也不同（如电子电导或空穴电导）。l 电阻率受外界条件（如热、光等）的影响很大。温度升高或受光照射时均可使电阻率迅速下降。一些特殊的半导体在电场或磁场的作用下，电阻率也会发生变化。第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体13半导体材料的能隙与电子运动性材料能隙/eV电子运动速率孔运动速率/cm2(Vs)-1/cm2(Vs)-1C(金刚石)SiGeSn5.41.1070.670.081800190038002500140050018502400两个规律：沿周期表下移，即依C(C(金刚石)、SiSi、GeGe、SnSn的顺序，能隙依次减小；在给
9、定的半导体中，电子迁移率大于同一半导体中空穴的迁移率。第点在讨论与p p型半导体相对照的n n型半导体时尤其重要。l 本征半导体的电荷迁移率)(henq第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体14l 本征半导体的电导率与温度的关系 当温度升高，价带中电子热运动加剧，使电子能够获得更高的能量，从而使跃迁到导带的电子数增加，电荷载流子数随之增加，最终使电导率增大。本征半导体的电导率：结论：本征半导体的电导率受温度影响很大，随温度的升高呈指数增长。通过测定半导体材料的电导率和温度的关系可以求出其禁带宽度Eg。kTEge2/0第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体15l n型
10、半导体 基本定义：当在纯净的硅(或锗)中掺杂施主杂质时，半导体则主要依靠施主提供的电子导电，此即n型半导体。特点：l 施主杂质提供的额外电子不能位于价带中，而只能位于靠近禁带的顶部。l 额外电子与原子结合不够紧密，能量较高，只需外界施以较小的能量就可以进入导带。l 额外电子进入导带需要克服的能垒为E Ed d ，通常称为施主能级。它比较接近导带底的能量。l 控制n n型半导体电导率的是E Ed d 而非是E Eg g 。第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体16 载流子的浓度：式中：第一项为施主杂质的电子浓度，第二项为无杂质纯半导体的电子和空穴浓度，n0d 和n0均大致为常数。施
11、主耗尽(受主饱和)：在n n型半导体中，当温度升高时，有越来越多的施主杂质电子能克服E Ed d进入导带，最后直到所有杂质电子全部进入导带，即出现施主耗尽。施主耗尽出现时，n n型半导体的电导率将不再发生变化。n总ne（施主）ne（本征）nh（本征）n总kTEkTEgdnnn2/0/d0e2e总 第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体17l p型半导体 基本定义：当在纯净的硅(或锗)中掺杂受主杂质时，半导体则主要依靠受主提供的空穴导电，此即p型半导体。特点：l 受主杂质提供的空穴不能位于价带中，而只能是靠近禁带底部。l 受主杂质接受一个电子并产生空穴所需克服的势垒只稍高于价带，以
12、受主能级E Ea a表示。l 控制p p型半导体电导率的是E Ea a 而非是E Eg g。载流子的浓度：kTEkTEgannn2/0/a0总e2e第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体18二、超导电性的基本特征l 零电阻效应（R0）材料在某一温度下突然失去电阻的现象，称为零电阻效应。l 迈斯纳效应（B0）处于超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一特征叫完全抗磁性或迈斯纳效应。迈斯纳效应（超导球排斥磁通）第一章材料的电子结构与物理性能1.4 1.4 材料的超导电性 19三、超导体的临界参数l 临界温度T Tc c 临界温度即超导转变温度。当T T T Tc c
13、时：超导体呈正常态；当T T T Tc c时，超导体由正常态转变为超导态。l 临界磁场H Hc c 当温度低于T Tc c时，强磁场也会破坏超导态，即有磁力线穿入超导体内，材料就从超导态转变为正常态。将可以破坏超导态的最小磁场，称为临界磁场。l 临界电流I Ic c（临界电流密度J Jc c）通过超导体的电流也会破坏超导态，当电流超过某一临界值时，超导体就出现电阻。将产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流，称为临界电流。第一章材料的电子结构与物理性能1.4 1.4 材料的超导电性 20超导部分正常导体部分磁通磁场电流超导态与正常态的混合状态两类超导体：l 第一类超导体：当H H H H
14、c c时，呈超导性；当H H H Hc c时，呈正常态。l 第二类超导体：有两个临界磁场：下临界磁场和上临界磁场（分别用H Hc1c1和H Hc2c2表示）。T T T Tc c时：当H H H Hc1c1时，与第一类超导体相同，表现出完全抗磁性；当H Hc1c1H H 0）抗磁体（Eg，就可以在p区、n区和p-n结区激发出电子空穴对，打破原有的平衡状态。在p-n结附近区域产生的电子在自建电场作用下将穿过势垒到达n区，并积累起来。同样，p-n结附近区域产生的空穴也以这样的方式到达p区，也积累起来。这样，在n区就积累了较多的负电荷，在p区就积累了较多的正电荷，这相当于在p-n结上加上了正向电压，
15、即由于光照而在p-n结的两端出现了电动势（称为光生电动势）。h pn 自建电场I第一章材料的电子结构与物理性能1.7 1.7 材料的光学性质 40eeeep np 耗尽层 n-+0 x空穴电子0Ux0 x动平衡时 p 型与 n 型接触区域的电势变化p-n结的内建电场电势电子势能41无光照P型N型P型N型EfpEfnEf能级弯曲的原因：在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级p-n结的能带图42有光照43l 光电发射效应 当金属或半导体受到光照射时，其表面和体内的电子因吸收光子能量而被激发，如果被激发的电子具有足够的能量，足以克服表面势垒而从表面离开，即产生光电发射效应。光电发射的三个过程：光
16、吸收、电子向界面运动和克服表面势垒向外逸出。光电发射遵守的规律：式中，WW为材料的逸出功；h h 为光子能量；u umaxmax为光电子逸出材料后具有的最大速率。只有h W，才能产生光电发射，即入射光频率有一下限值(波长有一上限值)，称为红限频率，相应的波长称为红限波长。一个光子与其所能引致的发射光电子数之比，称为量子效率，一般为0.10.2。Whmu2max21第一章材料的电子结构与物理性能1.7 1.7 材料的光学性质 44导电材料可分为电子导电材料和离子导电材料两大类。三大类电子导电材料：导体：电导率 105 Sm-1（或-1m-1）；半导体：电导率 在10-8104 Sm-1之间；超导
17、体：电导率 趋于无限大（TTc）。第一节导电材料导电材料纯金属合金 铜铝其他(银、金、镍、铂等)铜合金铝合金其他(银合金、金合金、镍合金等)导电材料的性能要求：高的电导率，高的力学性能、良好的耐腐蚀性能和加工性能。45一、导电材料的种类及应用l 纯金属电导率 在107108 Sm-1之间。1、铜纯铜，又称紫铜，外观呈淡紫红色。优点：良好的导电性（仅次于银）、耐腐蚀性、塑性加工性。缺点：硬度低、耐磨性差、易与硫生成硫化铜而致使导电性能降低。因此，用铜制造的导线不能与硫化过的橡胶直接接触，使用时必须在铜导线外面预先镀好一层锡。影响铜导电性能的因素：杂质(如氧)、冷加工等将降低铜的电导率。改善措施：
18、在保护气氛下可以重熔出无氧铜，具有塑性高，电导率高的特点。冷加工制成的纯铜经400600C退火处理，可使其导电性能有所恢复。462、铝铝的电导率约为铜的61%，密度为铜的30%，机械强度为铜的1/2，比强度比铜高约30%。优点：良好的导电性，资源丰富，价格便宜。缺点：强度低，热稳定性较差，不易焊接，与其他电极电位较大的金属(如铜)接触时耐腐蚀能力降低。例如，在环境潮湿中，易形成电动势相当高的局部电池而遭受严重的腐蚀破坏。因此，在选用铝材时，应避免高电极电位杂质的存在，而对铝线与铜线的接合处，则要增加保护措施。影响铝的性能的因素：杂质使铝的电导率下降（其中铬、锂、锰、钒、钛等影响较大，须严格控制
19、）。冷加工对铝的电导率影响不大（例如经90%以上冷变形，铝的抗拉强度可提高56倍，电导率降低约1.5%）。473、其他纯金属（1）银特点：具有最高的电导率，极好的加工性，但价格较高。在贵金属中，银又是价格最低的。应用：接点材料、云母与陶瓷电容器的被覆与烧渗银电极、银基焊料、导线电镀材料、制造高分子导电复合材料的导电相材料等。（2）金特点：电导率与铝相近，化学性质稳定，但价格昂贵。应用：接点与电镀材料，引线和连接材料等。（3）镍特点：熔点较高，便于焊接。应用：电真空器件(如支架、栅板、极板、隔离罩等)。（4）铂特点：良好的化学稳定性、良好的加工性。应用：触点材料、高温热电偶材料、厚膜导体及电极材
20、料等。48室温下一些纯金属的电导率材料类别 /Sm1材料类别 /Sm1银（Ag）6.3107铁（Fe）1.03107铜（Cu）5.85107铂（Pt）0.94107金（Au）4.25107钯（Pd）0.92107铝（Al）3.45107锡（Sn）0.91107镁（Mg）2.2107钽（Ta）0.8107锌（Zn）1.7107铬（Cr）0.78107钴（Co）1.6107铅（Pb）0.48107镍（Ni）1.46107锆（Zr）0.2510749 （2）硅和锗单晶的制备 首先获得超高纯度的硅或锗的多晶材料，然后制备硅或锗单晶。石英管高频加热器惰性气体(N2)拉伸装置石墨制螺杆容器气体出口半导体材
21、料区熔提纯法示意图区熔提纯原理：利用溶质在凝固时的重新分布来获得提纯效果。将原料装入螺杆状容器内，采用感应加热使一部分原料熔化，然后缓慢移动熔化部分，杂质（溶质）则陆续淀积于螺杆容器的终端，经过多次循环作用，即可获得到超高纯度的半导体多晶材料，有害杂质的含量小于0.0110-6。50石英坩埚石墨托石墨加热器保温筒电极硅单晶籽晶现代直拉炉示意图直拉单晶原理：首先将区域熔炼法得到的高纯度硅或锗多晶材料装入坩埚中使之熔化，然后加热到比材料熔点稍高的温度后保持炉温。将籽晶夹在籽晶杆上，随后让籽晶杆下降，使籽晶与液面接触，接着缓慢降低温度，同时使籽晶杆一边旋转，一边向上提拉，这样晶体便在籽晶下按籽晶的方
22、向长大，最终成长为单晶硅锭或单晶锗锭。514、晶体管最简单的晶体管：在一块半导体单晶片上，采取一定的工艺措施，在三个区域分别掺杂，形成串联的p-n结，即一个最简单的晶体管。晶体管的特性：信号放大。多余的空穴多余的电子nnp一个npn双极结晶体管 52npn发射区集电区基区外部负载IexVbcVeb 基区-集电区结上承受较大的反向偏压（Vbc），回路中的电流很小。发射区-基区结上受到较小的正向偏压的作用（Veb），在发射区-基区结界面附近区域中，发生空穴和电子的复合。这种复合并不能都准确地发生于结界面上。来自发射区的一些电子，在复合前已穿过发射区-基区结进入基区。若基区足够薄，则来自发射区的未复
23、合电子将跨过基区-集电区结。电子一旦跨过基区-集电区结，将快速被吸引到集电区右侧高电位处，如果未复合电子足够多，就会有一个较大的电流流过外部负载。晶体管的工作原理：53（1）镧锶铜氧化物（La-Sr-Cu-O）超导体La2-xMxCuO4(MSr,Ba)由LaCuO4掺杂得到，具有K2NiF4结构。特点：具有准二维结构特征，属四方晶系。纯La2CuO4没有超导电性，有过量氧的La2CuO4+才是超导体。当部分La3+离子被二价Ba2+和Sr2+替代时才显示出超导性质，超导转变温度在2040K之间。（2）钇钡铜氧化物（YBa2Cu3O7-）超导体YBa2Cu3O7-由三个类钙钛矿单元堆垛而成的。
24、特点：随氧含量的降低，结构由正交相转变为四方相，Tc 逐渐降低。三个典型YBa2Cu3O7-超导相：Y-123(YBa2Cu3Oy)，Tc93K；Y-124(YBa2Cu4Oy)，Tc80K；Y-247(Y2Ba4Cu7Oy)，Tc40K。54（1）镧锶铜氧化物（La-Sr-Cu-O）超导体La2-xMxCuO4(MSr,Ba)由LaCuO4掺杂得到，具有K2NiF4结构。特点：具有准二维结构特征，属四方晶系。纯La2CuO4没有超导电性，有过量氧的La2CuO4+才是超导体。当部分La3+离子被二价Ba2+和Sr2+替代时才显示出超导性质，超导转变温度在2040K之间。（2）钇钡铜氧化物（Y
25、Ba2Cu3O7-）超导体YBa2Cu3O7-由三个类钙钛矿单元堆垛而成的。特点：随氧含量的降低，结构由正交相转变为四方相，Tc 逐渐降低。三个典型YBa2Cu3O7-超导相：Y-123(YBa2Cu3Oy)，Tc93K；Y-124(YBa2Cu4Oy)，Tc80K；Y-247(Y2Ba4Cu7Oy)，Tc40K。55（1）镧锶铜氧化物（La-Sr-Cu-O）超导体La2-xMxCuO4(MSr,Ba)由LaCuO4掺杂得到，具有K2NiF4结构。特点：具有准二维结构特征，属四方晶系。纯La2CuO4没有超导电性，有过量氧的La2CuO4+才是超导体。当部分La3+离子被二价Ba2+和Sr2+
26、替代时才显示出超导性质，超导转变温度在2040K之间。（2）钇钡铜氧化物（YBa2Cu3O7-）超导体YBa2Cu3O7-由三个类钙钛矿单元堆垛而成的。特点：随氧含量的降低，结构由正交相转变为四方相，Tc 逐渐降低。三个典型YBa2Cu3O7-超导相：Y-123(YBa2Cu3Oy)，Tc93K；Y-124(YBa2Cu4Oy)，Tc80K；Y-247(Y2Ba4Cu7Oy)，Tc40K。56磁致伸缩效应及其表征在磁场中磁化状态改变时，铁磁和亚铁磁材料引起尺寸或体积微小的变化，称为磁致伸缩。焦耳发现磁致伸缩效应Villari发现逆磁致伸缩效应57因为磁致伸缩量极小，可由应变张量S的分量表示如i
27、表示三个互相垂直方向的线磁致伸缩，则由于一般金属及合金的体积磁致伸缩系数很小，所以现在大量研究和应用的是线磁致伸缩系数，亦被称为磁致伸缩系数。112233SSSi 58沿不同方向测量出的不同。一般情况下，是指沿磁场方向的测量值。通常有纵向磁致伸缩系数（用表示）和横向磁致伸缩系数（用表示）。=(dl/l)(沿磁场方向测量值)=(dl/l)(垂直磁场方向测量值)59是磁场和温度的函数。在一定温度下，随磁场强度增加而增大，达到饱和磁化时，达到一稳定的饱和值，称为饱和磁致伸缩系数，以s表示，可正、可负。s正：铁磁化时，随磁化强度M的增加至饱和磁化强度Ms，沿磁化方向发生伸长。s负：镍磁化时，随磁化强度
28、M的增加至饱和磁化强度Ms，沿磁化方向发生缩短。一般资料中的值即是指s。60 对单晶体而言，s是一个各向异性的物理量。不同晶向的s值用100、110、111等表示。材料的磁致伸缩系数不仅与化学成分有关，而且与材料的热处理状态有密切关系。这主要是因为磁畴分布、磁化过程与热处理有密切关系。61 某些多晶体的-H曲线关系与M-H曲线关系类似。铁的情况较复杂，在某磁场强度值时会发生变号，也是磁致伸缩的各向异性所致。铁在弱及中等强度的磁场中时，100晶向的起主要作用，而在强磁场中，111晶向的起主要作用。62磁致伸缩也有磁滞现象。当磁场由正到负循环变化一周时，可得到一条磁致伸缩系数回线。几种铁磁体磁致伸
29、缩系数随磁场的变化63软磁材料磁性材料磁记录材料硬磁材料 磁性材料是应用物质的磁性和各种磁效应，以满足电工设备、电子仪器、电子计算机等各方面技术要求的金属、合金及铁氧体化合物材料。磁性材料的基本参量：起始磁导率i、最大磁导率m、矫顽力Hc、剩余磁感应强度Br、最大磁能积(BH)m等。磁性材料的类别：第三章磁性材料特性比较64第一节软磁材料 软磁材料是电力和电子工业中的重要磁性材料。一、软磁材料的特性 矫顽力低 一般为Hc 0.8kA/m。易磁化 在磁场中容易显示磁性，即使磁场强度较小。易退磁 施加外磁场即显示磁性，去掉外磁场，则获得的磁性便会全部或大部分丧失。第三章 磁性材料3.1 软磁材料6
30、5软磁材料的磁滞回线BrO-HcHc-BrBHBs-Bs二、软磁材料的基本性能要求 贮能高：要求单位体积贮存的磁能量高。磁性参量的要求：高的Bs或Br。灵敏度高：要求在弱磁场中对信号有高灵敏性。磁性参量的要求：高的i和m。效率高：要求在磁场中工作时具有低的磁滞损耗 和涡流损耗。磁性参量的要求：低的Hc，高的。回线矩形比高：保证噪音小，信号不失真等。磁性参量的要求：高的Br/Bs 比值。稳定性好：要求磁性不随外界条件变化而改变，其变化率越小则稳定性越好。第三章 磁性材料3.1 软磁材料66HBBr-HcO硬磁材料的退磁曲线第二节硬磁材料 硬磁材料是在磁场中被磁化后能够显示磁性，磁场撤除之后仍然保
31、持较强磁性的一类铁磁物质，又称永磁材料、恒磁材料。一、硬磁材料的基本性能要求 最大磁能积(BH)m大 可在给定的空间产生足够大的磁场H。决定(BH)m大小的两个因素：Hc和Br：Hc和Br越大，(BH)m则越大。退磁曲线的形状：退磁曲线的凸起越显 著，(BH)m则越大。磁稳定性好 要求磁铁产生的磁场不随时间、应力、温度、振动、辐射及电磁场的变化而变化，或变化很小。第三章 磁性材料3.2 硬磁材料67一、磁记录技术与原理l 磁记录模式 三种记录模式：1、纵向（水平）记录利用磁头位于磁记录介质面内的磁场纵向(水平)矢量来写入信息。2、垂直记录 利用磁场的垂直分量在具有各向异性的记录介质上写入信息。
32、3、磁光记录 利用光头，靠激光束加磁场来写入信息，利用磁光效应读出信息。磁记录材料磁头材料磁记录介质材料磁记录材料的类别：第三章 磁性材料3.3 硬记录材料68l 磁记录系统四个基本单元：1、存储介质即磁记录材料，如磁带、磁盘等。2、换能器即磁头。3、传送介质装置即磁记录介质传送机构。4、电子线路与上述单元相匹配的电路。第三章 磁性材料3.3 硬记录材料69纵向磁记录过程l 磁记录过程以纵向记录模式为例：1、信号的记录磁头线圈中的信号电流在缝隙产生磁场溢出，使磁介质(磁带)磁化，产生的剩磁对应着信号电流。电流信号磁信号2、信号的读出已磁化的介质重新接近磁头时，通过拾波线圈感生出磁通，磁通大小与
33、磁介质中的磁化强度成比例。磁信号电流信号第三章 磁性材料3.3 硬记录材料70第一节激光材料一、激光的特性和激光器的基本结构l 激光的特性定向性或准直性好一般光线是发散开来的。波长单一，即单色性好一般光通常是由几种不同频率的光组成的。具有相干性激光的光波都是同相位的，可以互相增强，而一般光是非相干的。强度大，亮度高。激光的上述四个特性都很重要，每一个特性都能开发出许 多重要的应用。第四章光学材料4.1 激光材料71二、固体激光器材料 l 固体激光器材料应具备的条件应具有合适的光谱特性激发态吸收要小具有良好的光学均匀性和稳定性应具有良好的物化性能l 固体激光工作物质 固体激光工作物质由激活离子和
34、基质晶体两部分构成。1、激活离子（1）激活离子的作用实现粒子数反转。激活离子在固体中提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一定波长的激光，即实现将低能级上的粒子“抽运”到高能级上去。激活离子是激光晶体的发光中心，激光的波长即由激活离子的种类决定。第四章光学材料4.1 激光材料72（2）激活离子的种类 过渡金属离子 Ti3+、V2+、Cr3+、Co2+、Ni2+和Cu+等，在不同晶体中，其光谱特性有 很大差异。三价稀土离子镧系稀土元素Nd3+(钕)、Pr3+(镨)、Sm3+(钐)、Eu3+(铕)、Dy3+(镝)、Ho3+(钬)、Er3+(铒)、Tm3+(铥)和Yb3+(镱)等，以Nd3+最常见。对
35、一般光 泵的吸收效率较低，因此应采用敏化技术或提高掺杂浓度等措施来提高效率。二价稀土离子Sm2+、Tm2+、Er2+和Dy2+等。有利于泵浦光的吸收，但不稳定。锕系离子主要是U3+。由于有放射性，不易制备，使用不方便，实用较困难。第四章光学材料4.1 激光材料73三能级系统能实现粒子数反转激励抽运W21E1E2E3E0E3 E1寿命短,E2 是亚稳态.因此能容易实现E2与E1四能级体系效率高激励抽运E1E2E3W21E3与E1构成一个宽吸收带E3上的原子无辐射跃迁到E2E2与E1构成粒子数反转.三能级体系效率不高.能级的粒子数反转.激活离子74YAG:Nd（Y3Al5O12）KTP（KTiOP
36、O4）CLBO（CsLiB6O12）2、基质晶体。（1）基质晶体的要求基质晶体一般是单晶体，应有良好的机械强度、良好的导热性和较小的光弹性，对产生激光的吸收应接近零，且光学性能均匀。基质晶体都是“宝石”。一些常见的激光晶体第四章光学材料4.1 激光材料75三、半导体激光器的基本结构l 基本结构+-反射镜面（晶体劈开面）激光束激光束电极空穴流电子流活性区p区n区半导体激光器的基本结构第四章光学材料4.1 激光材料76l 半导体激光器产生激光的条件 （1）利用电流注入的少数载流子复合时放出的能量须高效率变换为光。一般必须是直接带隙半导体。（2）在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。载流子浓度低于
37、某一阈值，仅引起注入发光，但不会发生激光。（3）具备谐振器。利用垂直于结面而且平行的二极管两个侧面作为反射镜即可。第四章光学材料4.1 激光材料77l 半导体激光器的工作原理 半导体的p-n结提供价带的空穴和导带的电子，利用它们越过带隙的复合而释放出光，这时，如进行泵浦和光学谐振，便可以实现受激辐射。图a：电子与空穴自发复合，并放出一个光子图b：电子与空穴受激复合，放出两个光子图c：能量、相位相同的两个光子射向右边并被反射回来 图d：光子来回运动时，激发出越来越多的光子图e：形成相干的光束图f：一部分激光束就被引导出来半导体激光发射原理第四章光学材料4.1 激光材料78 第四章光学材料4.2
38、光纤材料79l 光的传输模式 具有一定频率、一定的偏振状态和传播方向的光波叫做光波的一种模式，或称为光的一种波型。传输模式是光纤最基本的传输特性之一。两种模式的光纤：单模光纤：直径仅310m，与光波的波长相近，只允许传输一个模式的光波。多模光纤：直径为几十至上百微米，允许同时传输多个模式的光波。第四章光学材料4.2 光纤材料80 由光学损耗引起的光脉冲振幅衰减由光学色散引起的光脉冲失真 第四章光学材料4.2 光纤材料81 由光学损耗引起的光脉冲振幅衰减由光学色散引起的光脉冲失真 （dB/km）第四章光学材料4.2 光纤材料82光纤的传输特性83发光现象经历的物理过程为了解释发光物质的定义，下图
39、给出了光致发光物质的晶体。它包括基质、发光中心（通常称为激活剂）。例如，典型的发光物质Al2O3:Cr3+和Y2O3:Eu3+，它们的基质分别是Al2O3和Y2O3，激活剂分别是Cr3+和Eu3+。第四章光学材料4.3 发光材料AEXCEMHEATSEXCEMHEATAHEATETEXC-激发，EM-发射（辐射回基态），HEAT-非辐射回基态，ET-能量传递。Al2O3:Cr3+经紫外光或可见光激发，会发出深红色的光。红宝石对紫外光或可见光区的吸收应归因于Cr3+，基质Al2O3完全不参与光的吸收和发射。Ca5(PO4)3F:Sb3+,Mn2+其中，Sb3+吸收紫外辐射，Mn2+不吸收紫外辐射
40、。在紫外光照射下，发出的光包括Sb3+发出的蓝色光和Mn2+发出的黄色光。由于Mn2+不被直接激发，因此激发能力应由Sb3+转移到Mn2+能量吸收：Sb3+h(Sb3+)*能量转移：(Sb3+)*Mn2+Sb3+(Mn2+)*发射过程：(Mn2+)*Mn2+h若在Sb3+附近没有Mn2+，那么只能蓝色光发出。发光物质中激活剂和敏化剂离子的含量一般为百分之几（摩尔分数），而且一般情况下它们在基质中的分布是极为均匀的。84发光现象经历的物理过程l不过有的时候，激活剂的含量可以达到100%。高含量发光物质CaWO4就是一个典型的例子，其中W是发光中心，它的基质是有Ca2+和WO42-组合而成的。l有
41、时也可以不必激发低含量的激活剂和敏化剂，而是激活基质。在一些情况下，基质将能量转移给激活剂，这样基质就扮演了敏化剂的角色。例如在YVO4:Eu3+中，作为基质晶格的VO43-被紫外光激发，所发的光中却包含Eu3+发的光。这表明基质可以将激发能量转移给Eu3+。又如ZnS:Ag+是一种用于显像管发蓝光的阴极射线粉。紫外线、电子束、X射线激发硫化物基质，然后硫化物迅速将能量转移给激活剂Ag+。尽管还有一些基础性的背景知识没有介绍，但是到此为止，我们应该已经了解到了一下在发光物质中发挥重要作用的物理过程：u 通过激活剂、敏化剂、或基质吸收能量的过程，即激发过程；u 激活剂发光u 非辐射回到基态（此过
42、程降低物质的发光效率）u 发光中心之间的能量转移第四章光学材料4.3 发光材料852.复合发光 源于固体本征态的辐射跃迁 如II-VI、III-V族半导体发光1.分立中心发光3.特殊的复合发光BaF2型 固体中局域中心内部电子态间的辐射跃迁如稀土离子发光（宽禁带绝缘体材料）发光分类发光的物理机制86一、分立中心发光 RE3+发光，杂质、缺陷发光 其发光通常是掺杂在透明基质材料中的离子，或基质材料自身结构的某一个基团。选择不同的发光中心和不同的基质组合，可以改变发光体的发光波长，调节其光色。发光中心分布在晶体点阵中，受晶体点阵作用，使其能量状态发生变化进而影响材料的发光性能。87 根据发光中心与
43、晶体点阵之间相互作用的强弱可分为两种情况：发光中心基本上是孤立的它的发光光谱与自由离子相似；发光中心受基质点阵电场（或晶体场）影响较大，其发光特性与自由离子不同必须把中心和基质作为一个整体来分析。88稀土离子发光：“4f4f”电子组态间的跃迁 如Tb3+,Eu3+,Gd3+,Pr3+线谱，禁戒部分解除）“4f5d”电子组态间的跃迁 如Ce3+带谱，允许跃迁 特点：及其丰富的能级，具有光谱的可调性。89 缺陷发光 F心，PWO的绿光、红光中心，ZnO的绿光，ZrO2的发光氧化物、氟化物、碱卤化物，负离子缺位（电子陷阱）+e F心901.固体“导带电子价带空穴”间的复合2.“导带电子受主A（空穴）
44、”或“价带空穴施主D（电子）”或“DA”复合3.激子（“eh”）或束缚激子的复合91固体中可能的跃迁（1）带间吸收；（21）带间发射或自由激子发射（因有一定结合能，略Eg,图上未显示）；（22）有一定声子参与的光发射；（3）（5）与杂质、缺陷有关的辐射复合；（6）分立中心内部的发射；（7）无辐射（多声子）弛豫；（8）俄歇Auger过程92复合发光效率：带间跃迁直接高（仅有光子参与的电子跃迁）间接低（有光子和声子同时参与的电子跃迁）带间跃迁中要保持能量守衡和动量守衡93某些较重要的灯用荧光粉基质分子式激活剂发光颜色硅酸锌Zn2SiO4锰绿硅酸钙CaSiO3铅、锰粉红卤磷酸钙Ca(PO4)3(FC
45、l)锑、锰蓝到粉红磷酸锶镁(SrMg)3(PO4)2锡淡红白磷酸钡钛Ba4Ti(PO4)4蓝白钨酸钙CaWO4深蓝钨酸镁MgWO4淡蓝镓酸镁MgGa2O4锰蓝绿氟锗酸镁Mg4GeO6MgF2锰深红氟砷酸镁Mg6As2O11MgF2锰深红氧化钇Y2O3铕红钒酸钇YVO4铕红铝酸镁RMgAl11O19(R=铈、铽)铕绿铝酸钡镁BaMg2 Al16O27铕蓝第四章光学材料4.3 发光材料94l 上转换发光材料 上转换发光：发光体在红外光的激发下，发射可见光，这种现象称为上转换发光，这种发光体称为上转换发光材料。上转换发光的三种情况：原子能级中存在一个中间能级，处于基态的电子在光激发下跃迁至该中间能态
46、，并停留足够长的时间，以致它还能吸收另一个光子而跃迁到更高的能级。电子从这个更高的能态向基态跃迁时，就发射出波长比激发光的波长更短的光。原子能级中虽没有中间能级，但发光体可以连续吸收两个光子，使基态电子直接跃迁到比激发光光子的能量大得更多的能级，从而发出波长更短的光。材料中有两个敏化中心被激发，它们把激发能按先后顺序或同时传递给发光中心，使其中处于基态的电子跃迁到比激发光光子能量更高的能级，然后弛豫下来，从而发出波长短得多的光。第四章光学材料4.3 发光材料95三、射线致发光材料 两类射线致发光材料：阴极射线致发光材料和放射线致发光材料。l 阴级射线致发光材料 1、阴极射线发光的三个基本过程
47、电离过程 当高能电子束激发发光物质时，晶体吸收激发能，由于基质大大多于激活剂，引起基质价带或满带电子的激发。电子和空穴的运动过程 满带中的电子被电离后进入导带，在满带中产生了空穴，电子和空穴分别在导带和满带中扩散。电子空穴对复合发光过程由电子束轰击发光物质而引起的发光现象，又称为电子束激发发光。由高能、射线，或X射线轰击发光物质而引起的发光现象。第四章光学材料4.3 发光材料96四、等离子发光材料l 等离子的特征及发光机理1、等离子体的特征宏观物质在一定的压力下随温度升高由固态变成液态，再变为气态（有的直接变成气态）。当温度继续升高，气态分子热运动加剧。当温度足够高时，分子中的原子由于获得了足
48、够大的动能，便开始彼此分离。分子受热时分裂成原子状态的过程称为离解。若进一步提高温度，原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子。失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程称电离。除了加热能使原子电离（热电离）外，还可通过吸收光子能量发生电离（光电离），或者使带电粒子在电场中加速获得能量与气体原子碰撞发生能量交换，从而使气体电离（碰撞电离）。第四章光学材料4.3 发光材料97第一节压电材料 1880年，P.居里和J.居里兄弟发现：当对石英晶体在某些特定方向上加力时，在垂直于作用力的平面上出现正、负束缚电荷，即发生电极化。由此发现材料的压电性。一、压电效应1、正压电效应当外加应力T作用于某些单晶
49、或多晶介电体并使它们发生应变S时，介电体内的正负电荷中心会产生相对位移，并在某两个相对的表面产生异号束缚电荷。这种由应力作用使材料发生电极化(即带电)或电极化的变化的现象称为正压电效应。2、逆压电效应与正压电效应产生的过程相反，当对这类介电体施加外电场并使其中的正负电荷中心产生位移时，该介电体要随之发生变形。这种由电场作用使材料产生形变的现象称为逆压电效应。第五章功能转换材料 5.1 压电材料98三、压电材料 1.压电晶体 （1）石英(SiO2)晶体结构：三方晶系。特点：压电效应出现在X、Y轴上，在Z轴上无压电效应。压电性能稳定，内耗小，但K值不是很大。应用：频率稳定器、扩音器、电话、钟表等。
50、（2）含氢铁电晶体 晶体结构：三方晶系。特点：应变Sx与极化强度Px2呈直线关系。典型材料：磷酸二氢铵(NH4H2PO4，ADP)、磷酸二氢钾(KH2PO4，KDP)、磷酸氢铅(PbHPO4，LHP)、磷酸氘铅(PbDPO4，LDP)。（3）含氧金属酸化物 典型材料：钛酸钡(BaTiO3，钙钛矿型结构)、钽酸锂(LiTaO3，畸变的钙钛矿型结构)、铌酸锂(LiNbO3，畸变的钙钛矿型结构)、铌酸锶钡(BaxSr1-xNbO6，SBN，钨青铜型结构)。第五章功能转换材料 5.1 压电材料99第二节热释电材料一、热释电效应热释电效应是晶体因温度变化而引起电极化的变化，即晶体表面产生等量异号电荷的现
