材料學(xué)基礎(chǔ)III結(jié)構(gòu)與性能

1、Section Structure-Property Relationship 晶體結(jié)構(gòu) - 性質(zhì)：量子物理-固體物理 量子化學(xué)-固體化學(xué) nm 納米結(jié)構(gòu) -性能： “變色龍”m顯微結(jié)構(gòu) -性能：連續(xù)介質(zhì)理論1Chap.7 晶體結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系1.結(jié)構(gòu)-電子輸運(yùn)性質(zhì) 金屬 半導(dǎo)體 絕緣體電導(dǎo)率： 106S/m 106 10-8S /m 2eVEgEg() B C N GaAs,InSb,GaP Al Si P GdTe Ga Ge As Se SiC,SiGe In Sn Sb Te Bi2Te2 Tl Pb Bi Po PbTe211b.氧化物半導(dǎo)體 氧化物離子鍵較強(qiáng) Eg2eV，大多數(shù)為絕緣體

2、 過(guò)渡金屬氧化物 ZnO1+x MnO1-x NiO1+x FeO1-x(有缺陷后 Eg下降）c.半導(dǎo)體摻雜EcEf(Fermi能級(jí)） 引入額外的能級(jí)Ev12雜質(zhì)能級(jí)靠近導(dǎo)帶的底部 Eg=Ec-Ed施主能級(jí)（donor) SiBEg=0.01eV nexp(-Ed/RT)EdEa受主能級(jí)（Acceptor）P型半導(dǎo)體SiP13對(duì)氧化物： eg. Ni1-xO-P型 O2 VNi+Oo VNi VNi + h VNiLiNi摻10%Ni, : 10-10s/m 10s/m P型的找P型的摻雜 N型的找N型的摻雜145）超導(dǎo)TcTc半導(dǎo)體金屬T 4K191173879023K36K70K156)

3、離子傳導(dǎo)Eg=0 離子遷移無(wú)規(guī)則，不會(huì)有 Nernst-Einstein:空位大傳導(dǎo)離子半徑小16陽(yáng)離子傳導(dǎo)： H+ 質(zhì)子 ， Ni-H電池，燃料電池 Li+ Li+ 離子導(dǎo)體 Na+(NaAl11O17-Na-Al2O3);Ag+(AgI-RbAgI)陰離子傳導(dǎo)： F- : CaF2BaF2 O2-: ZrO2172.結(jié)構(gòu)-性質(zhì)運(yùn)算問(wèn)題尋找新材料什么是計(jì)算材料學(xué) 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出明確的解釋 模擬試驗(yàn)過(guò)程 設(shè)計(jì)新材料材料的多層次，多尺度特性計(jì)算材料科學(xué)的多層次特征電子尺度計(jì)算原子-分子尺度計(jì)算18Chap.8 結(jié)構(gòu)性能關(guān)系 方法： （1） 經(jīng)驗(yàn)方法 ： 混合法則 （2） 理論方法 ： 物理方法

4、力學(xué)方法 數(shù)值方法191.混合法則（1）解釋、闡明實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（2）指導(dǎo)、設(shè)計(jì)密度： 體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)一起來(lái)流量 材料的性質(zhì) 場(chǎng)20Local: Macro:假定 場(chǎng)在每一點(diǎn)都相等 () ，（） Voigt平均各相同性（立方） -并聯(lián)混合法則()（）E21n=1, 三方 P1 0 0四方 0 P2 0六方 0 0 P3 無(wú)規(guī)則定向：對(duì)非1-3，2-2結(jié)構(gòu)，并聯(lián) 近似結(jié)果，初級(jí)近似22（2）假定 Reuss 平均E各項(xiàng)同性/立方 串聯(lián)混合法則23上限是并聯(lián)混合法則下限是串聯(lián)混合法則對(duì)于其他材料來(lái)說(shuō)P介于兩者之間（3）推廣關(guān)系：一般的Mixture Rule m=1 并聯(lián)混合法則 m=-1 串聯(lián)混合法則 m

5、=0 對(duì)數(shù)混合法則 242.有效介質(zhì)理論（1）格林函數(shù)P0:均勻的與x無(wú)關(guān)，此時(shí) J = P0E - 場(chǎng)方程(本構(gòu)方程)又因?yàn)?平衡方程（穩(wěn)態(tài)，無(wú)內(nèi)源）LapLace方程25各相同性二維（膜）三維（塊）各相異性26（2）單顆粒問(wèn)題27G-調(diào)整格林函數(shù)28各向同性 Lii-退極因子（描述顆粒形狀的參數(shù)） d-空間維數(shù) P0-周圍介質(zhì)的P29各相異性對(duì)球： 30引入 t矩陣3132(3) 多顆粒問(wèn)題33所有顆粒的總和 二體相互作用三體相互作用34(4)近似解方法 P0的選擇： P0 相當(dāng) P0=Pm - 平均t-矩陣近似（ATA) P0= - 耦合勢(shì)近似（CPA）35（5）ATA公式Pm各向異性f

6、-體積分?jǐn)?shù)36(i)顆粒各向同性Lii:纖維或晶須 L11=L22=0.5;L33=037(ii) 薄片： L11=L22=0，L33=1(iii)近似球： L11=L22 = L33=1/338若為n相則39(iv) 近似球稀濃度近似 f 0Landau-Lifshitz公式積分嵌入原理每次增加一個(gè) f, Pm40(6) CPA公式Pm顆粒各相異性Pii異形， Lii無(wú)規(guī)則分布，定向 41(i)各向同性L11=L22=L33=1/3n=242(ii) P1/P2 0金 屬氧化物電導(dǎo)率之比 043MGBG0 1/3(對(duì)于塊體） f2MG公式只適用于為連通的材料BG較好的解決這個(gè)問(wèn)題，在1/3時(shí)有一突變，而MG未預(yù)測(cè)實(shí)際：fc=0.16突變，sher-Zallen不變量44(iii) 在滲流閾內(nèi)(iv)45(7)各相異性材料(i) ATA，46MG極限情況3311L11=L22=0, L33=1混合法則47(ii) CPABrugg