个人小结

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10.1 从生长过程来看薄膜生长有哪些类型?各种类型的特点是什么?

答:薄膜的形成从生长过程来看,主要分为三类:核生长型(Volmer-Weber),层生长型(Frank-van ber Merwe)以及层核生长型(Straski-Krastanov)。各种类型的特点如下:

(1)核生长型的过程特点是,原子到达基片上后首先发生凝聚成为核,后续到达的原子聚集在核附近并不断成长,最后形成薄膜。一般大部分的薄膜形成过程都属于此类型。

(2)层生长型的特点是,蒸发原子首先在基底表面以单原子层的形式均匀地覆盖一层,然后再在三维方向上生长第二层、第三层……。这种生长方式发生在基底原子与蒸发原子间的结合能接近于蒸发原子间的结合能的情况下。如在Au单晶基片上生长Pd,在PbS单晶基片上生长PbSe,在Fe单晶基片上生长Cu薄膜等,最典型的例子则是同质外延生长及分子束外延。

(3)层核生长型的过程特点是,在基体和薄膜原子相互作用特别强的情况下,才容易出现层核生长型。首先在基片表面生长1~2层单原子层,这种二维结构强烈地受基片晶格的影响,晶格常数有较大的畸变。然后再在这个原子层上吸附入射原子,并以核生长的方式生成小岛,最终形成薄膜。在半导体表面上形成金属薄膜时,常常是层核生长型,如在Ge的表面蒸发Cd,在Si的表面蒸发Bi、Ag等都属于这种类型。

10.4 什么是薄膜的尺寸效应,都有哪些类型的尺寸效应?

答:与块体材料相比,薄膜是二维平面的材料,因此其几何尺寸对薄膜的性能将会产生影响,这种效应称为薄膜的尺寸效应。主要的尺寸效应类型有:① 熔点降低;② 干涉效应;③

表面散射;④ 表面能级;⑤ 量子尺寸效应等。

9.2 聚合物的高弹性黏弹性

8.2试述径向分布函数(RDF)的定义及特点。

答:在许多原子组成的系统中任取一个原子为球心,求半径为r到r+dr的球壳的平均原子数;再将分别以系统中每个原子取作球心时所得的结果进行平均,用函数24()rrdr表示,则24()rr称为原子分布的径向分布函数,记为RDF。径向分布函数表示多原子系统中距离任何一个原子为r处,原子分布状态的平均图像,即给出任何一个原子周围,其他原子在空间沿径向的统计平均分布。具有统计意义。

8.3说明无规则网络结构模型和微晶结构模型的异同。

答:无规则网络学说要点为:(1)形成玻璃态的物质与相应的晶体类似,形成相似的三维空间网络。(2)这种网络是由离子多面体通过桥氧相连,向三维空间无规律的发展而构筑起来的。(3)氧化物要形成玻璃必须具备四个条件。 微晶学说:1)硅酸盐玻璃中存在无数“晶子”;2)“晶子”的化学性质取决于玻璃的化学组成;3)“晶子”不同于一般微晶,而是带有晶格变形的有序区域,在“晶子”中心质点排列较有规律,愈远离中心则变形程度愈大;4)“晶子”分散在无定形介质中,两者无明显界线,逐渐过渡

核心是:结构的微不均匀性和近程有序性。

不同点:微晶学说强调有序性、不均匀性、不连续性,而无规则网络学说强调:无序性、均匀性、连续性。

相同点:玻璃结构是近程有序、远程无序

8.4 非晶态固体结构模型有哪些,各适用于什么材料?

答:微晶模型,可以用于各种非晶态固体(解决短程无序);

无规则网络结构模型,适用于共价结合的非晶态半导体、无晶非金属玻璃;

无序密堆积硬球模型,可以用于非晶态金属和合金。

8.4简述非晶态固体形成过程的特点。

答:主要阐述快速冷却和阻止形核长大两个因素即可。

8.5简要说明非晶态合金的制备方法有哪些。

答:① 从液态合金快冷的工艺;② 包括原子沉积过程在内的各种工艺。

6.1什么是铁电体,铁电体一定含有铁原子吗?

答:在某温度范围内具有自发极化且极化强度可以因外场的作用而反向的晶体,或具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。

铁电体中不一定含铁原子,铁电体又常被称作息格毁特晶体,这是因为第一个铁电体(罗息盐)是在1672年由罗息地方的药剂师息格毁特制备出来的。

6.2绘出铁电体电滞回线的示意图,说明其形成过程,在图中标出自发极化强度、剩余极化强度和矫顽电场强度。

答:铁电体的极化随外电场的变化而变化,其重新定向并不是连续发生的,而是外电场超过某一临界电场强度时发生的,极化和电场之间呈非线性关系,这和一般电介质的电场与极化强度呈线性关系不同。电场的周期变化导致了极化强度P与外加电场E形成了电滞回线,如下图所示。假设试验铁电体在外电场为零时,晶体中的电畴互相补偿,对外呈现出宏观极化强度为零,此时晶体状态处在O点。当外电场E增加时,极化强度P按OABC增加,增至C电畴变成单一取向电畴(和E取向一致),此时P达到饱和状态。当E下降时,P按CBD曲线下降,到0E时,rPP,rp称为剩余极化。而0P时,CEE,CE称为矫顽电场强度,到D达到饱和。再增加E,P按DC线增加而形成CBD回线,即P和E有滞后效应。C点处的切线和P轴的交点SP称为饱和极化强度。是相当于0E时单畴的自发极化强度,SPBC相当于P与E呈线性关系时的P一E曲线。

电滞回线表明:

(1)铁电体的极化强度P与外电场E之间呈非线性关系,而且极化强度随外电场的反向而反向。

(2)极化强度反向是电畴反转的结果,所以电滞回线表明铁电体中存在电畴。

6.3铁电相变可分为哪两种?指出这两种相变的本质区别是什么。

答:铁电相变可分为无序——有序型相变铁电体和位移型相变铁电体。

这两种相变的本质区别是:一级相变的主要特征之一是出现热滞,降温通过居里温度点时,即使在居里温度以下,晶体仍保持亚稳的顺电相,在升温在居里温度以上时,晶体仍保持亚稳的铁电相;对于二级相变自发激化强度和介电常数在温度转变点上是连续变化的。无序-有序型相变铁电体属于二级相变,位移型相变铁电体属于一级相变。

6.4铁电体压电效应中的压电常数有几种表示方法?说明这些常数的本质含义。

答:当压电材料产生正压电效应时,施加应力将产生额外电荷,发生极化,其极化强度P和应变之间的关系表示如下:

111112213314415516622112222332442552663311322333344355366PexexexexexexPexexexexexexPexexexexexex

式中的18个系数mie被称为压电(应力)常数。

在正压电效应中,电荷和应力是成正比的,在介质的极化强度和应力表示的方程中使用的系数mid被称为压电(应变)系数。还有表示单位应力引起的电压的压电常数mig和造成单位应变所需的电场的压电刚度常数mih。 6.5逆压电效应和电致伸缩的区别是什么?

答:一般电致伸缩效应是液、固、气电介质都具有的性质,而逆压电效应只存在于不具有对称中心的点群的晶体中。另外,电致伸缩效应的形变与电场方向无关,与电场强度的平方成正比,而逆压电效应的形变是随电场反向而反号,与电场强度的一次方成正比。

5.2什么叫极化强度?写出它的几种表达式及其物理意义?

答:单位体积V中电偶极矩的矢量和是用来衡量电介质极化强弱的一个参数,该参数被称为极化强度P。可表示为

极化强度是一个矢量,它是一个具有平均意义的物理量,其单位为C/m2。可以证明,电极化强度的值等于介质表面的电荷密度。

极化强度的另一种表达式是: EEP0

描述了极化强度P和电场强度E之间的关系,P与E的关系与场强方向有关,同一大小的场强如果方向不同,引起的极化强度也会不同。这里和 一样都取决于电介质的性质,叫做电介质的极化率。

第三种表述为:电极化强度P可以表示为单位体积电介质在实际电场作用下所有偶极矩的总和,即

iiNP

式中:iN为第i种偶极子数目,i为第i种偶极子平均偶极矩。

5.5电介质的极化机制有哪些?分别在什么频率范围响应?

极化机制 发生极化的频率范围

电子位移极化 直流-光频

离子位移极化 直流-红外

离子松弛极化 直流-超高频 VP电子松弛极化 直流-超高频

转向极化 直流-超高频

空间电荷极化 直流-低频103Hz

自发极化 与频率无关

5.3一平行板真空电容器,极板上的电荷面密度ζ=1.77×10-6 C/m2。现充以εr=9的介质,若极扳上的自由电荷保持不变,计算真空和介质中的E、P、D各为多少?束缚电荷产生的场强是多少?

解:真空条件下,P在任何电场强度E下均为零,故其0,0,真空介电常数0=8.85×10-12 F/m,静电力常量k=9.0×109N•m2/C2

由kdS4UQC0,dUE,SQ得:

126901085.81077.1100.914.344kE=2.26×1014N/C

D=0E=8.85×10-12×2.26×1014=2.0×103

介质中:91077.1100.914.34469rkE=2.22×103N/C

ED10=EDr0=8.85×10-12×9×2.22×103=1.77×105

ED0P=1.77×105-8.85×10-12×2.22×103=1.77×105

束缚电荷产生的场强:91085.81077.1100.914.3441269r0kE=2.5×1013N/C

5.4边长为10mm、厚度为1mm的方形平板电容器的电介质相对介电系数为2000,计算相应的电容量。若在平板上外加200 V电压,计算:① 电介质中的电场;② 每个平板上的总电量;③ 电介质的极化强度;④ 储存在介质电容器中的能量。

解:电容量:9396r1077.1101100.914.3410101020004UQCkdS ① 电介质中电场:53102101200dUEV/m

② 每个平板上的总电量:Q=CU=1.77×10-9×2×105=3.54×10-4C

③ 电介质的极化强度: EEP)(1r0=0=8.85×10-12×(2000-1)×2×105=3.54×10-3

④ 储存在介质电容器中的能量:W能=1/2rE2=1/2×2000×(2×105)2=4×1013J

5.7在交变电场的作用下,实际电介质的介电系数为什么要用复介电系数来描述?

答:在变动的电场下,电导(或损耗)不完全由自由电荷产生,也由束缚电荷产生,如果外加电场不断地改变,介质内的极化也就不断地随之改变,当电场变化的频率非常高时,某些极化就会追随不及而滞后,变现为介电弛豫现象,介质极化的这种弛豫过程在变动电场的作用下就会引起的介质损耗,并且使动态介电系数与静态介电系数不同。所以在变动的电场下,静态介电常数不再适用,而出现动态介电常数—复介电常数。且复介电常数最普遍地表示式是i。

5.8测量高频陶瓷介质的ε及tanδ的原理及条件是什么?测量哪些数据,写出计算ε及tanδ的公式及式中各量的物理意义?