材料物理性能复习题1

材料物理性能复习题

一． 概念题

压电体：某些电介质施加机械力而引起它们内部正负电荷中心相对位移，产生极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在一定应力范围内，机械力与电荷呈线性可逆关系这类物质

导体：在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流的物体

半导体：能带结构的满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄，导电性能介于导体和半导体之间的物体

绝缘体：在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，难以导通电流的物体

热电效应：当材料存在电位差时会产生电流，存在温度差时会产生热流的这种现象

电光效应：铁电体的极化能随E而改变，因而晶体的折射率也将随E改变，这种由外电场引起晶体折射率的变化

一般吸收：在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变的这种现象

选择吸收: 对于波长范围为3.5—5.0μm的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化的这种现象

发光效率：发光体把受激发时吸收的能量转换为光能的能力

受激辐射：当一个能量满足hv=E2-E1的光子趋近高能级E2的原子时，入射的光子诱导高能级原子发射一个和自己性质完全相同的光子的过程

因瓦效应：将与因瓦反常相关联的其它物理特性的反常行为

二、 简答题

(1) 电介质导电的概念、详细类别、来源。

概念：并不是所有的电介质都是理想的绝缘体，在外电场作用下，介质中都会有一个很小的电流

类别：一类是源于晶体点阵中基本离子的运动，称为离子固有电导或本征电导，这种电导是热缺陷形成的，即是由离子自身随着热运动的加剧而离开晶格点阵形成。另一类是源于结合力较弱的杂质离子的运动造成的，称为杂质电导

来源（导电方式）：电子与空穴（电子电导）；移动额正负离子电导（离子电导）。对于离子电导，必须需要指出的是：在较低场强下，存在离子电导；在高场强下，呈现电子电导。

(2) 硬磁材料与软磁材料各自的特点与区别。

软磁材料：磁滞回线瘦长，μ高、 Ms高、 Hc小、 Mr低，如变压器铁芯，常用材料如工业纯铁、硅铁、铁镍合金、铁钴合金等。

硬磁（永磁）材料：磁滞回线短粗，μ低、 Hc与 Mr高，常用材料如铁氧体、铝镍、稀土钴、稀土镍合金等，80年代发展的Nd-Fe-B系合金

Mr/Ms接近于1的矩形回线材料即矩磁材料是理想的磁记录材料。

(3) 请简要回答热电性的三个基本热电效应。

(4) 电滞回线的各个物理量的名称和物理意义。

极化强度P，外加电场E，饱和极化强度Ps，剩余极化强度Pr，矫顽电场强度Ec

(5) 磁滞回线的各个物理量的名称和物理意义。

Hs称为使磁化强度达到饱和时的磁场强度，饱和磁感应强度Bs，Ms称为饱和磁化强度，Mr称为剩余磁化强度，要使M降至0，必须施加一反向磁场－Hc， Hc称为磁矫顽力，

(6) 请基于磁化率给物质磁性分类，并说明各类的物质磁化难以程度。

(7) 简要回答物质磁性的来源

任何物质由原子组成，原子又有带正电的原子核（核子）和带负电的电子构成。核子和电子本身都在做自旋运动，电子又沿一定轨道绕核子做循规运动。它们的这些运动形成闭合电流，从而产生磁矩。

材料磁性的本源是：材料内部电子的循规运动和自旋运动。

(8) 为什么自发磁化要分很多的磁畴。

交换能力图使整个晶体自发磁化至饱和，磁化方向沿着晶体易磁化方向，就使交换能和各向异性能都达到最小值。但必然在端面处产生磁极，形成退磁化场，增加了退磁场能，从而将破坏已形成的自发磁化，相互作用的结果使大磁畴分割为小磁畴，即减少退磁能是分畴的基本动力。分畴后退磁能虽减小，但增加了畴壁能，使得不能无限制分畴。当畴壁能与退磁能之和最小时，分畴停止。（局部的退磁场作用下，出现三角形畴（副畴，塞漏畴），与主磁畴路闭合，22/1enm减少了退磁能，但增加各向异性能、磁弹性能）

(9) 正常情况下，为什么半导体材料的电阻随着温度的升高而降低。

载流子密度

(10) 正常情况下，为什么金属的电导率随着温度的升高而降低。

金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，可认为μ与温度成正比，则ρ也与温度成正比。

(11) 影响金属导电性的因素有哪些。

(12) 为什么金属化合物的导电性要低于单一金属，请基于电离势能方面的差异进行简要说明。

（1）晶体点阵畸变；（2）杂质对理想晶体的破坏；（3）影响了能带结构，移动费米面及电子能态密度和有效电导电子数；（4）影响了弹性常数。过渡金属与贵金属两组元固溶时：电阻异常高，原因它们的价电子可以转移到过渡金属的尚未被填满的d-或f-壳层中，从而使有效电导的电子数目减少。原子键合的方式发生了变化，其中至少一部分由金属键变为共价键获离子键，使导电电子减少。

(13) 超导体为什么具有完全的抗磁性。

这是由于外磁场在试样表面感应产生一个感应电流，此电流由于所经路径电阻为0，故它所产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相反，因而使超导体内的合成磁场为零。由于此感应电流能将外磁场从超导体内挤出，故称抗磁感应电流，又因其能起着屏蔽磁场的作用，又称屏蔽电流。

(14) 简述本证硅的导电机理。

导电机理：在热、光等外界条件的影响下，满带上的价电子获得足够的能量，跃过禁带跃迁至空带而成为自由电子，同时在满带中留下电子空穴，自由电子和电子空穴在外加电场的作用下定向移动形成电流。

(15) 简述硅中掺杂硼的导电机理（要有示意图）

在本征半导体中，掺入3价元素的杂质（硼，铝，镓，铟），就可以使晶体中空穴浓度大大增加。因为3价元素的原子只有3个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素原子，并与周围的4个硅（或锗）原子组成4个共价键时，缺少一个价电子，形成一个空位。因为，3价元素形成的空位能级非常靠近价带顶的能量，在价电子共有化运动中，相邻的原子上的价电子就很容易来填补这个空位（较跃迁至禁带以上的空带容易的多），从而产生一个空穴。所以每一个三价杂质元素的原子都能接受一个价电子，而在价带中产生一个空穴。

(16) 简述硅中掺杂砷的导电机理（要有示意图）

本征半导体中掺入5价元素（磷，砷，锑）就可使晶体中的自由电子的浓度极大地增加。因为5价元素的原子有5个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素的原子时，余下了1个价电子变成多余的，此电子的能级非常靠近导带底，非常容易进入导带成为自由电子，因而导带中的自由电子较本征半导体显著增多，导电性能大幅度提高。

(17) 简述介质损耗的几种形式及造成这几种损耗的原因。

介质损耗形式：

1）电导（或漏导）损耗 实际使用的电介质都不是理想的绝缘体，都或多或少地存在一些弱联系带电离子或空穴，在E 作用下产生漏导电流，发热，产生损耗。

低场强下，存在离子电导（本征电导和杂质电导）；高场强下，电子电导。

2）极化损耗 一方面：极化过程中离子要在E作用下克服热运动消耗能量，引起损耗。

另一方面：松弛极化建立时间较长，极化跟不上外E的变化（特别是交流频率较高时），所造成的电矩往往滞后于E，即E达最大时，极化引起的极化电荷未达最大，当E开始减小时，极化仍继续增至最大值后才开始减小，当E为0时，极化尚未完全消除，当外E反向时，极板上遗留的部分电荷中和了电源对极板充电的部分电荷，并以热的形式散发，产生损耗。

3）电离损耗 又称游离损耗，是气体引起的，含气孔的固体电介质，外E大于气体电离所需的E时，气体发生电离吸收能量，造成损耗。

(18) 剩余极化的形成过程。

铁电畴在外电场作用下，总是要趋于与外电场方向一致，这称为电畴的“转向”。实际上电畴运动是通过在外电场作用下新畴的出现、发展以及畴壁的移动来实现的，而且由于转向时引起较大内应力，所以这种转向不稳定。当外加电场撤去后，则有小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，而大部分电畴则停留在新转向的极化方向上，这叫剩余极化。 kTETKpngii2exp231(19) 铁电畴转向过程，包括在畴壁附近的作用过程。

在外电场的推动下，电畴会随外电场方向出现转向运动。其运动过程分为新畴成核、发展和畴壁移动来实现。

１８０°畴：反向电场——（边沿，缺陷处即成核）新畴——尖劈状的新畴向前端发展（因１８０°畴前移速度快几个

数量级）,１８０°畴不产生应力（因自发极化反平行），一般需耗较大电场能。

９０°畴：对于９０°畴的“转向”虽然也产生针状电畴，但是主要是通过９０°畴的侧向运动来实现。但因晶轴的长缩方向不一致，而产生应力并引起近邻晶胞承受压力。

(20) 为什么铁电单晶剩余极化值比铁电陶瓷高。

实际的铁电体中，必然同时存在９０°畴和１８０°畴，并且相互影响，相互牵制。尤其多晶陶瓷中杂质，缺陷，晶粒间界，空间电荷的存在将给电畴的转向带来电的或机械应力方面的影响，故铁电陶瓷在外电场作用下的定向移动率，通常比铁电单晶的定向率低的多

(21) 压电体产生压电效应的机制是什么,请简要画出压电效应的机理示意图。

因为机械作用（应力与应变）引起了晶体介质的极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。

三、 综合题

引起电介质击穿的形式及其对应物理机制。

击穿形式： 1）电击穿 是一电过程，仅有电子参与。过程：强电场作用下，少数能量高的“自由电子”，沿反电场方向运动，形成电流（漏电流），其运动过程中不断碰撞介质内的离子，并将其部分能量传递给离子。当外电压足够高时， “自由电子”速度超过某一临界值，就使被撞击的离子电离出一些新电子，即成为“次级电子”，原自由电子与次级电子又从电场中获得能量而加速，又撞击出三级电子，这样连锁反应，造成大量自由电子，形成“电子潮”，使贯串介质的电流迅速增大，导致介质击穿。

2）热击穿 绝缘材料在电场作用下出现各种消耗，部分电能转换为热能，外电压足够高时，产生的热量大于散发热量，温度升高，产生热量进一步增加，这样恶性循环，使材料不断升温，超过一定限度，介质被烧裂，熔融等，丧失绝缘能力，称介质的“热击穿”。

3）化学击穿 长期运行在高温、潮湿、高压或腐蚀性气体环境中的绝缘材料，内部发生电解、腐蚀、氧化、还原、气孔中气体电离等不可逆的化学过程，经一定时间，材料老化，丧失绝缘性能，导致击穿。如氧化物还原出金属离子。

超导现象的物理机制是什么。

超导现象产生的原因是超导体中的电子在超导态时，电子间存在着特殊的吸引力，而不是正常态时的静电斥力。这种吸引力使电子双双结成电子对。它是超导态电子与晶格点阵间相互作用产生的结果。使动量和自旋方向相反的两个电子el、e2结成了电子对，称为库柏电子对

请阐明P209页图4.19的物理特征。

1） 、可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是红光：

2） 、所以，Eg<1.8eV的半导体材料，是不透明的，因为所有可见光都可以通过激发价带电子向导带转移而被吸收。

3） 、Eg=1.83.1的非金属材料，是带色透明的，因为只有部分可见光通过激发价带电子向导带转移而被材料吸收。

铁磁性物质产生铁磁性的充分条件及自发磁化的物理机制。

铁磁性产生的充分条件：原子内部要有未填满的电子壳层（或说存在固有磁矩），且A具有较大的正值（或说可发生自发磁化）。前者是指原子的本征磁矩，后者指的是要有一定的晶体点阵结构。机理：据键合理论，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换位置。对过渡族金属，原子的3d与4s态能量接近，它们电子云重叠时引起了3d、4S态电子的交换。交换所产生的静电作用力称为交换力，交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。因交换作用而产生的附加能量称为交换能：