材料物理第二章

能带
原子能级
原子轨道
允带 导带
禁带 禁带
原子能级---分裂为能带
原子系列能级可看作是连续的。把这具有的能量范围 称为“能带”。
不同能带间有能量间隔，这个间隔内电子不能存在， 形成一个能级禁区，称为“禁带”。
电子数量增加时能级扩展成能带 5
最外层没电子的带--导带 CB 最外层有电子的带--价带 VB
①未掺杂质，费米能级居于禁带中央，导带内的电子或价 带内的空穴是非简并化分布(图a)。
②轻掺杂P型半导体，受主能级使费米能级向下移动(图b); 轻掺杂N型半导体中，施主能级使费米能级向上移动(图d);
③在重掺杂P型半导体，费米能级向下移到价带中，低于 费米能级的能带被电子填满，高于费米能级的能态都是空 的，导带中出现空穴——P型简并半导体 (图c);
金属的热导系数 对于立方晶系金属来说
可见立方晶系金属的热导率与电导率成正比. 电导大的金属热导系数也大.
2. 过渡金属的电阻
过渡金属的电阻和温度的关系是反常的，特别是铁 磁性金属，发生磁性转变时候，电阻率出现反常,和 温度的依赖关系不在适用。
这些金属电阻和温度的反常关系，主要原因: 金属d及其s壳层电子云相互作用所致。
材料电阻的本质
产生电阻的原因自由电子在定向迁移过程中，因不断与其他质点 发生碰撞，而使电子的迁移受阻，这就是产生电阻的原因
金属材料的电阻来源于自由电子的散射
金属的电导率:
金属导电机制
可见电导率与温度的依赖关系，实际是弛豫时间与温度的 依赖关系
金属导电机制
当电磁波在绝对0 K时候，通过一个理想的晶体点 阵，它将没有任何散射而无阻碍的传播。
2n个态0个电子2n个态4n个电子满带或价带导带和价带之间的差值就是材料的带隙pbandgap电子是否可以跃迁和迁移取决的因子是99温度为绝对零度时电子占据的最高的能级视作电子填充能级水平的一把尺子

3、热性能 4、耐腐蚀和耐气候性能 5、阻燃性能
6）晶粒度
晶粒尺寸减小到一定程度后， 能级发生改变。导电性能下 降。而升温可以激发电子的 跃迁，反而增加了导电性能。
材料的导电性
目录
1、材料的能带结构 2、金属中的电阻 3、影响导电性的因素
1、材料的能带结构
能带理论可以看成 是多原子分子轨道 理论的极限情况， 由分子轨道的基本 原理可以推知，随 着参与组合的原子 轨道数目的增多， 能级间隔减小， 能 级过渡到能带。
对轨道数量进行统计，得到轨道密度图（态密度图）
反常金属元素
电阻率随压力升高到一定值后下降，即电阻率有极大值， 如碱金属、碱土金属、稀土金属和第Ⅴ族的半金属等。
与压力作用下的相变有关
2）受力情况
应力敏感材料的应用
2）受力情况
斜拉桥上的斜拉绳应变测试
3）冷加工
冷加工使金属的电阻率增大。这是由于冷塑性变形使晶体 点阵畸变和晶体缺陷增加，特别是空位浓度的增加，造成点 阵电场的不均匀而加剧对电磁波散射的结果。此外，冷塑性 变形使原子间距有所改变，也会对电阻率产生一定影响。
硅
铝 用能带结构来理解材料的塑性变形能力
材料的所有性能（力学、电学、光学…） 都取决于原子和电子的空间排布：
•如果外界条件打破了原子排列的平衡状态，就会有位错， 晶界，裂纹
•如果外界条件打破了电子排列的平衡状态，就会导电、 发光、化学键断裂等现象。
……
要除开核物理性能，因为核物理性能，和 中子、质子的排列相关
1、材料的能带结构
对轨道数量进行统计，得到轨道密度图（态密度图）
1、材料的能带结构
－3π/a －2π/a －π/a
0 π/a
2π/a 3π/a

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三、纳米表面工程
1.纳米表面工程的内涵
纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡 材料为基础，通过特定的加工技术、加工手段, 对固体表面进行强化、改性、超精细加工,或赋 予表面新功能的系统工程。 纳米表面工程是在纳米科技产生和发展的背景 下，对固体表面性能、功能和加工精度要求越 来越高的条件下产生的。
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3.离子束技术
（1）离子注入材料表面改性 （2）等离子体源离子注入 （3）离子束沉积
一次离子束沉积
二次离子束沉积，或叫离子束溅射沉积
（4）离子束增强沉积
将离子注入和薄膜沉积两者融合为一体的材料表面改 性新技术。
离子束增强沉积技术可以提高膜与基体间的附着力， 改善膜的耐蚀性和耐用磨性，并能改变膜的应力提高 光学磁学性质。
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4.激光表面改性
激光表面改性始于20世纪80年代，其技术决定 于3个因素：激光类型、激光应用方式及所处 理材料的种类。 （1）激光表面热处理 激光使表面升温，达到退火和回火的目的。 （2）激光熔化处理 熔化后快速冷却，会产生非晶层或纳米结构
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激光辐照后将材料表面加热到熔点以上，并在 表面形成熔区（熔池）在光束停止辐照后，熔 体快速凝固导致材料表面组织和性能发生改变 的种工艺。 （1）激光熔凝 （2）激光非晶化 （3）激光熔覆 （4）激光表面合金化
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4.界面在复合材料中的作用
表面当淀积材料后就成为界面。
在复合材料中， 材料的复合是通过界面直接接 触实现的 ；
因此界面的微观结构和性质将直接影响其结合 力性质、粘合强度和复合材料的力学性能以及 物理功能；

（2）影响溶质溶解度的因素
（3）决定固溶体类型的因素
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（4）固溶体性质与溶剂金属晶体性质的异同点
金属固溶体结构 1.基本特征
• 金属（溶剂）+金属或非金属（溶质）（一次固溶体，primary solid solution）。 • 保持溶剂金属的晶体结构，溶质以单个原子分布在溶剂晶体结构中（取代 溶剂原子或位于溶剂晶格间隙位置）。 • 溶质原子分布长程无序（无序固溶体），但微观分布不均匀（理想晶体除 外），存在短程有序或原子偏聚。 • 溶剂和溶质原子的配比可以在一定范围变化（有限固溶），或以任意比例 变化（无限固溶），而不改变溶剂的晶体结构类型。 • 基本保持溶剂金属特性，金属键。良好导电性，良好塑性。但但随溶质原 子数量增加，固溶体强度升高（固溶强化），塑性降低，电阻率升高、磁 性能改变、耐腐蚀性降低等，固溶体和溶剂晶体的性能差别增大。 • 金属溶剂的晶体产生点阵畸变（晶格畸变），溶剂晶体的点阵常数改变。 • 9 在相图中，金属固溶体通常位于相图的两侧（端际固溶体）。
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短程有序分布
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长程无序
金属固溶体结构
影响溶ห้องสมุดไป่ตู้原子分布均匀性的主要因素：
同类原子间结合能EAA和EBB及异类原子间结合能EAB
若EAA = EBB = EAB，则溶质原子倾向完全无序分布。 若(EAA ＋EBB)/2＞EAB，则溶质原子倾向偏聚分布。 若(EAA ＋EBB)/2＜EAB，则溶质原子倾向有序分布。
原子电离能I ：使一个原子失去一个最外层电子所需的能量。
电子亲和势E：一个中性原子获得一个电子成为负离子所释放的能量。 • 异类原子的负电性相差越大，越易形成化合物，不易形成固 溶体。当形成化合物，电负性差将影响化合物的化合键。