现代功能材料 全套课件.pptx

1、,出版社,现代功能材料,陈玉安 王必本 廖其龙 编,材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是 人类社会进步的里程碑。为了生存和发展，人类一方面从大自然中选择天然物质进行加 工、改造，获得适用的材料；另一方面研制 合金、玻璃、合成高分子材料来满足生产和 生活的需要。,绪 论,材料除了具有重要性和普遍性外，还具有多 样性。由于多种多样，分类方法也就没有一 个统一标准。一种常见的分类方法是按照性 能特征和用途将材料分为结构材料(structural materials)和功能材料(functional materials)两 大类。结构材料是具有较高力学性能，并主 要用来制造机械产品结构件的材料，功能

2、材 料则主要是具有特殊的物理、化学或其他性 能，并主要用来制造具有特定功能元、器件 和产品的材料。0.1功能材料的发展概况,功能材料的发展历史与结构材料一样悠久，它也是在工业技术和人类历史的发展过程中 不断发展起来的。由于电子技术、激光技术、能源技术、信息技术以及空间技术等现代高 技术的高速发展，强烈刺激现代材料向功能 材料方向发展，使得新型功能材料异军突起，促进了各种高技术的发展和应用的实现，而 功能材料本身也在各种高技术发展的同时得 到了快速的发展。从20世纪50年代开始，随 着微电子技术的发展和应用，半导体材料迅 速发展；60年代出现激光技术，光学材料面 貌为之一新；70年代光电子材料，

3、80,年代形状记忆合金等智能材料得到迅速发展。随后，包括原子反应堆材料、太阳能材料、高效电池等能源材料和生物医用材料等迅速 崛起，形成了现今较为完善的功能材料体系。0.2功能材料的特点0.2.1功能材料的定义功能材料可以定义为：具有优良的电学、磁 学、光学、热学、声学、力学、化学和生物 学功能及其相互转化的功能，被用于非结构 目的的高技术材料。,0.2.2 功能材料的特点功能材料为高技术密集型材料，在研究开发 和生产功能材料时具有三个显著的特点，即综合运用现代先进的科学技术成就，多学 科交叉，知识密集；品种较多，生产规模 一般比较小，更新换代快，技术保密性强；需要投入大量的资金和时间，存在相当

4、大 的风险，但一旦研究开发成功，则成为高技 术、高性能、高产值和高效益的产业。0.3 功能材料的分类0.3.1 基于材料的物质性的分类,按材料的化学键、化学成分分类，功能材料 有：金属功能材料；无机非金属功能材料；有机功能材料；复合功能材料。0.3.2基于材料的功能性的分类按材料的物理性质、功能来分类。例如，按 材料的主要使用性能大致可分为九大类型：电学功能材料；,磁学功能材料；光学功能材料；热学功能材料；声学和振动相关功能材料；力学功能材料；化学功能材料及分离功能材料；放射性相关功能材料；生物技术和生物医学工程材料。0.3.3基于材料的应用性的分类按功能材料应用的技术领域进行分类，主要,可分

5、为信息材料、电子材料、电工材料、电 讯材料、计算机材料、传感材料、仪器仪表 材料、能源材料、航空航天材料、生物医用 材料等。0.4功能材料学科的内容和相关学科功能材料学科的内容包括以下三个方面。(1)功能材料学(2)功能材料工程学(3)功能材料的表征和测试技术0.5功能材料的现状和展望,现已开发的以物理功能材料最多，主要有：(1)单功能材料(2)功能转换材料(3)多功能材料(4)复合和综合功能材料(5)新形态和新概念功能材料目前从国内外功能材料的研究动态看，功能 材料的发展趋势可归纳为如下几个方面：开发高技术所需的新型功能材料，特别是 尖端领域(如航空航天、分子电子学、高速信,息、新能源、海洋

6、技术和生命科学等)所需 和在极端条件(如超高压、超高温、超低温、高烧蚀、高热冲击、强腐蚀、高真空、强激 光、高辐射、粒子云、原子氧和核爆炸等)下工作的高性能功能材料。功能材料的功能由单功能向多功能和复合 或综合功能发展，从低级功能(如单一的物 理功能)向高级功能(如人工智能、生物功能 和生命功能等)发展。功能材料和器件的一体化、高集成化、超 微型化、高密积化和超分子化。,功能材料和结构材料兼容，即功能材料结 构化，结构材料功能化。进一步研究和发展功能材料的新概念、新 设计和新工艺。已提出的新概念有梯度化、低维化、智能化、非平衡态、分子组装、杂 化、超分子化和生物分子化等；已提出的新 设计有化学

7、模式识别设计、分子设计、非平 衡态设计、量子化学和统计力学计算法等，这些新设计方法都要采用计算机辅助设计(CAD)，这就要求建立数据库和计算机专家 系统；已提出的新工艺有激光加工、离子注,入、等离子技术、分子束外延、电子和离 子束沉积、固相外延、精细刻蚀、生物技术 及在特定条件下(如高温、高压、低温、高 真空、微重力、强电磁场、强辐射、急冷和 超净等)的工艺技术。完善和发展功能材料检测和评价的方法。加强功能材料的应用研究，扩展功能材料 的应用领域，特别是尖端领域和民用高技术 领域，并将成熟的研究成果迅速推广，以形 成生产力。,1.1原子的电子排列1.1.1原子的微观结构(1)主量子数n(n=1

8、，2，3，4，)(2)次量子数l(l=0，1，2，3，)(3)磁量子数m(m=0，1，2，3，),第1章 材料的电子结构 与物理性能,磁量子数m是从+l到l间的整数(包括零)，可以有(2l+1)个不同的m：l0m0l1m0，1l2m0，1，2l3m0，1，2，3(4)自旋量子数ms1.1.2原子核外电子的分布(1)泡利不相容原理,(2)最低能量原理(3)最多轨道规则(洪特规则)根据计算表明，电子这样的排列可使能量最 低。如碳原子在2p轨道上有2个电子，但2p 轨道有3个，根据洪特规则，这2个2p电子的 排列应是，而不是。同样原 因，氮原子中的3个p电子也是分布在3个p轨 道上，并具有相同的自旋

9、方向，即。作为洪特规则的特例，对于角量子数相同的 轨道，电子层结构为全充满、半充满或全空 的状态是比较稳定的，即,全充满,6或d10或f 14,半充满 p3或d 5或f 7全 空 p0或d 0或f 0,图1.1 电子能量水平随主量子数和次量子数的变化情况,1.2固体的能带理论与导电性1.2.1能带的形成根据物理学的基本原理可知，对于单个原子，其电子是处在不同的分立能级上的。,图1.2 能带的形成,1.2.2金属的能带结构与导电性(1)金属的能带结构对金属导电起作用的电子通常是外层价电子，它所处的能带的能量最高。将至少被,图1.3 各种金属的能带结构,电子部分占据的那个具有最高能量的能带称 为价

10、带。(2)电荷载流子1)电荷载流子的基本概念电荷载流子只是一个统称的概念，在不同的 场合下有不同的表现形式。在金属材料中，一般依靠公有化的自由电子导电，而衡量金 属导电性的指标是电导率，被载带电荷的基 本单位是单个电子的电荷。在离子材料中，电荷则可由扩散离子载带(其电荷是电子电 荷的整数倍)。,2)载流子的基本类型常见的载流子基本类型有：电子和阴离子 是负电荷载流子，也称为负 型载流子。阳离子 例如Pb2+，是正电荷载流子，也称 为正型载流子，这是因为它缺少电子。电子空穴 指价带中缺少了电子而形成的空 穴。它是一种正电荷载流子，在半导体中显 得更为重要。3)电导率和载流子,载流子迁移率可以解释

11、为在外加电场作用下，载流子在原子尺度的结构中移动的难易程度，即,电导率为：电阻率是材料的特性，因而它与材料的形 状无关，对于等截面材料，电阻率可转化为：,(3)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 性的，且具有正的温度系数，即随着温度上 升，电阻率增加。电阻温度系数yT与温度T和电阻率的关系如 下：1.2.3费米能级(1)费米狄拉克(Fermi-Dirac)分布按照费米狄拉克统计，能量在E到E+dE,之间的电子数为：根据泡利不相容原理，一个原子中不可能有 两个电子具有相同的一组量子数，即每个电 子应有不同的量子态，即由量子统计可导出：(2)费米分布函数和费米能的意义综

12、上所述，可以这样理解费米能的意义：,Ef以下的能级基本上是被电子填满的，Ef 以上的能级基本上是空的。虽然只要T0，相当于Ef能量水平的能级，被电子占据的几 率只有1/2，但由上面费米分布特性可知，对于一个未被电子填满的能级来说，可推测 它必定就在Ef附近。由于热运动，电子可具有大于Ef的能量，而跃迁到导带中，但只集中在导带的底部。同理，价带中的空穴也多集中在价带的顶部。电子和空穴都有导电的本领，都是电荷载流 子。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。对于 半导体，已知Ef，即可求出载流子浓度，因 而可计算电导率。,1.2.4半导体和绝缘体的能带结构与导电性

13、,图1.4 金刚石(C)、硅(Si)和锗(Ge)的能带结构,1.3半导体半导体的导电性介于导体与绝缘体之间，其 室温下的电阻率在10-4108 m之间。在导 电特性上具有两个显著的特点，即,图1.5 导体、半导体和绝缘体的能带结构,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)。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。1.3.1本征半导体本征半导体是不含有任何杂质的半

14、导体，它,表示半导体本身固有的特性。根据固体的 能带理论，在绝对零度时，对于半导体的原 子，其价带是满的，而导带是空的，导带与 价带之间的禁带一般在2.5 eV以下。,(1)电荷迁移率由于半导体的禁带(能隙)较窄，所以其价带,图1.6 价带电子受光辐射跃迁到导带，在价带上留下空穴,中的电子很容易通过热运动而跃迁到导带中 去，形成电子和空穴，从而产生可以导电的 电荷载流子。半导体的电导率应该是两者共同作用的结果，总电导率为：因ne=nh=n，故对本征半导体应有：本征半导体有如下两个特点：当沿周期表下移时，即根据C(金刚石)、Si、Ge、Sn的顺序，能隙依次减小；,在给定的半导体中，电子迁移率大于

15、同一 半导体中空穴的迁移率。(2)本征半导体的电导率与温度的关系金属在温度升高时电阻率增加，电导率减小，而本征半导体则不同，其电导率随温度升高 而增大。电子浓度为：,空穴的浓度为：本征半导体的电导率为：,1.3.2掺杂半导体(1)N型半导体1)基本定义,N型半导体是在纯半导体材料中掺入少量A族元素如P、As、Sb等而形成的。2)载流子的浓度在计算N型半导体载流子浓度时，除了主要 考虑施主杂质电子外，也要考虑本征半导体 固有的电子和空穴的浓度，即或(2)P型半导体1)基本定义,P型半导体是在半导体中加入少量A族元素 如B、Al、Ga、In等而形成的。2)载流子的浓度与N型半导体一样，P型半导体的

16、载流子浓 度计算如下：,图1.8 N型半导体电导率随温度的变化,3)受主饱和P型半导体的受主饱和与N型半导体的施主耗 尽有相同之处，当受主杂质提供的空穴达到 极限时，就产生了受主饱和。,图1.9 P型半导体中受主能级Ea的位置,(3)PN结,图1.10 在极低温度下，Hg的电阻,N型或P型半导体的导电能力虽然大大增强，但并不能直接用来制造半导体器件。1.4材料的超导电性1.4.1超导现象与超导电性超导体在超低温下电阻 为零的状态称超导态，当温度较高而电阻不为 零时则称为正常态。1.4.2 超导电性的基本,特征,图1.11 迈斯纳效应(超导球排斥磁通),(1)零电阻效应当超导体的温度T降到某一数值Tc时，超导 体的电阻突然消失，即R0，这就是超导 体的零电阻效应。(2)迈斯纳效应1933年，德国物理学家迈斯纳(W.Meissner)和奥菲尔德(R.Ochsenfeld)对锡 单晶球超导体做磁 场分布测量时发现，,在小磁场中将,金属冷却进入超导态时，超导体内的磁通线 似乎一下子被排斥出去，保持体内磁感应强 度B等于零，这一性质被称为完全抗磁性或 迈斯纳效应。,1.4.3超导体的临界参数超导