材料物理性能期末考試重點

1、 材料物理性能第一章考點1.電子理論的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，即古典電子理論、量子自由電子理論和能帶理論。古典電子理論假設金屬中的價電子完全自由，并且服從經(jīng)典力學規(guī)律；量子自由電子理論也認為金屬中的價電子是自由的，但認為它們服從量子力學規(guī)律；能帶理論則考慮到點陣周期場的作用?？键c2.費米電子在T=0K時，大塊金屬中的自由電子從低能級排起，直到全部價電子均占據(jù)了相應的能級為止。具有能量為Ef（0）以下的所有能級都被占滿，而在ef（o）之上的能級都空著，Ef（0）稱為費米能，是由費米提出的，相應的能級稱為費米能級?？键c3.四個量子數(shù)1、主量子數(shù)n2、角量子數(shù)l3、磁量子數(shù)m4、自旋量子數(shù)mss考點4.

2、思考題1、過渡族金屬物理性能的特殊性與電子能帶結(jié)構有何聯(lián)系？過渡族金屬的d帶不滿，且能級低而密，可容納較多的電子，奪取較高的s帶中的電子，降低費米能級。第二章考點5.載流子載流子可以是電子、空穴，也可以是離子、離子空位。材料所具有的載流子種類不同，其導電性能也有較大的差異，金屬與合金的載流子為電子，半導體的載流子為電子和空穴，離子類導電的載流子為離子、離子空位。而超導體的導電性能則來自于庫柏電子對的貢獻。考點6.雜質(zhì)可以分為兩類一種是作為電子供體提供導帶電子的發(fā)射雜質(zhì)，稱為“施主”；另一種是作為電子受體提供價帶空穴的收集雜質(zhì)，稱為“受主”。摻入施主雜質(zhì)后在熱激發(fā)下半導體中電子濃度增加（np）,

3、電子為多數(shù)載流子，簡稱“多子”空穴為少數(shù)載流子，簡稱“少子”這時以電子導電為主，故稱為n型半導體。施主雜質(zhì)有時也就稱為n型雜質(zhì)。在摻入受主的半導體中由于受主電離（pn）,空穴為多子，電子為少子，因而以空穴導電為主，故稱為p型半導體。受主雜質(zhì)也稱為p型雜質(zhì)?？键c7.我們把只有本征激發(fā)過程的半導體稱為本征半導體?？键c8.在同一種半導體材料中往往同時存在兩種類型的雜質(zhì)，這時半導體的導電類型主要取決于摻雜濃度高的雜質(zhì)。隨著溫度的升高本征載流子的濃度將迅速增加，而雜質(zhì)提供的載流子濃度卻不隨溫度而改變。因此，在高溫時即使是雜質(zhì)半導體也是本征激發(fā)占主導地位，呈現(xiàn)出本征半導體的特征（np。一般半導體在常溫下靠

4、本征激發(fā)提供的載流子甚少考點9.n型半導體的電阻率在不同溫區(qū)的變化規(guī)律祗址庶1祗址庶1胞利區(qū)丄木征IX禺邑2311型半導體屯陰率陋溫廈的變化在低溫區(qū)費米能級高于施主能級，施主雜質(zhì)并未全部電離。隨著溫度的升高，電離施主增多使導帶電子濃度增加。與此同時，在該溫度區(qū)內(nèi)點陣振動尚較微弱，散射的主要機制為雜質(zhì)電離，因而載流子的遷移率隨溫度的上升而增加。盡管電離施主數(shù)量的增多在一定程度上也要限制遷移率的增加，但綜合效果仍然使電阻率下降。當溫度升高到費米能級低于施主能級時，雜質(zhì)全部電離，稱為飽和區(qū)。由于本征激發(fā)尚未開始，載流子濃度基本上保持恒定。然而，這時點陣振動的聲子散射已起主要作用而使遷移率下降，因而導

5、致電阻率隨溫度的升高而增高。溫度的進一步升高，由于本征激發(fā)，載流子隨溫度而顯著增加的作用已遠遠超過聲子散射的作用，故又使電阻率重新下降。考點10.電介質(zhì)的極化包括電子極化、原子（離子）極化和取向極化考點11.絕緣體作為材料使用可以分為絕緣材料和介電材料兩類?？键c12.屬于介電性的有壓電性、電致伸縮性和鐵電性?？键c13.由于機械力的作用而激起表面電荷的效應稱壓電效應?？键c14.為什么鐵電體會有電滯回線主要是因為鐵電體是由鐵電疇組成的。研究表明，鐵電體并不是在一個方向上單一地產(chǎn)生自發(fā)極化，而是在許多小區(qū)域內(nèi)自發(fā)極化并具有不同的極化方向。每一極化方向相同的小區(qū)域稱為鐵電疇，而疇之間的界壁稱為疇壁。在

6、沒有外電場存在時，晶體的總電矩為零。考點15.現(xiàn)代超導理現(xiàn)代超導理論認為，在很低溫度下，由于電子和聲子(點陣振動)的強相互作用，使得電子能夠成“對”地運動，在這些“電子對”之間存在著相互吸引的能量，這些成對的電子在材料中規(guī)則地運動時，如果碰到物理缺陷、化學缺陷或熱缺陷，而這種缺陷所給予電子的能量變化又不足以使“電子對”破壞，則此“電子對”將不損耗能量，即在缺陷處電子不發(fā)生散射而無阻礙地通過，這時電子運動的非對稱分布狀態(tài)將繼續(xù)下去。這一理論揭示了超導體中可以產(chǎn)生永久電流的原因?？键c16.思考題1、試用能帶論概念解釋絕緣體和半導體滿帶：各能級都被電子填滿的能帶。滿帶中電子不參與導電過程。價帶：由價

7、電子能級分裂而形成的能帶。價帶能量最高，可能被填滿，也可不滿?？諑В号c各原子的激發(fā)態(tài)能級相應的能帶。正常情況下沒有電子填入。當溫度接近熱力學溫度零度時，半導體和絕緣體都具有滿帶和隔離滿帶與空帶的禁帶。晶體電子恰好填滿了最低的一系列能帶，能量再高的能帶都是空的，而且最高的滿帶與最低的空帶之間存在一個很寬的禁帶(如gE25eV),那么，這種晶體就是絕緣體。半導體晶體電子填充能帶的狀況與絕緣體的沒有本質(zhì)不同，只是最高滿帶與最低空帶之間的帶隙較窄(為Eg=13eV),這樣，在T=OK時，晶體是不導電的，在THOK時，將有部分電子從滿帶頂部被激發(fā)到空帶的底部，使最高的滿帶及最低的空帶都變成部分填充電子的

8、不滿帶，晶體因而具有一定的導電能力。導體中存在未滿帶未滿帶未滿帶未滿帶(由于電子未充滿或能帶重疊)。絕緣體的特征是價電子所處的能帶都是滿帶，且滿帶與相鄰的空帶之間存在一個較寬的禁帶禁帶禁帶禁帶。例如，絕緣體金剛石禁帶的能隙(Eg)為5.2eV(或500kJmol-1),是個典型的絕緣體。半導體的能帶與絕緣體的相似，但半導體的禁帶要狹窄得多(一般在1eV左右)。例如，半導體硅和鍺的禁帶的能隙分別為1.12eV和0.67eV。2、一塊n型硅材料，摻有施主濃度ND=1.5x10i5/cm3,在室溫T=300K時本征載流子濃度Ni=1.3x10i2/cm3，求此時該塊半導體的多數(shù)載流子濃度和少數(shù)載流子

9、濃度。解：多數(shù)載流子濃度即為ND=1.5x1015/cm3由公式Ni2=NDxPD得PD=1.9x109/cm3此即為少數(shù)載流子濃度3、一硅半導體含有施主雜質(zhì)濃度ND=9x1015/cm3和受主雜質(zhì)濃度NA=1.1x1016/cm3,求在T=300K時(Ni=1.3x1010/cm3)的電子空穴濃度。解：由施主雜質(zhì)濃度為ND=9x1015/cm3,以及受主雜質(zhì)濃度為NA=1.1x1016/cm3可得凈受主雜質(zhì)濃度為PA=2x1015/cm3此即為凈pD由Ni2=nDxpD得nD=8.5x104/cm3此即為電子空穴濃度第三章考點17.概念辨析1、磁矩定義為M=ISn式中，M為載流線圈的磁矩；n

10、為線圈平面的法線方向上的單位矢量；S為線圈的面積；丨為線圈通過的電流。在磁性材料中存在磁矩。磁矩可看做由北極和南極組成的小磁棒，其方向由南指北2、磁場強度H：如果磁場是由長度為1，電流為I的圓柱狀線圈（N匝）產(chǎn)生的，對于磁場強度，不考慮材料介質(zhì)特性，僅由電流決定，則H=NI/lH的單位為安/米（A/m）。3、磁感應強度B：表示材料在外磁場H的作用下在材料內(nèi)部的磁通量密度，對于磁感應強度，則考慮介質(zhì)特性，由介質(zhì)和電流共同決定。B的單位為特斯拉（門或Wb/m2。注：B和H都是磁場向量，不僅有大小，而且有方向。4、單位體積的磁矩稱為磁化強度，用M表示，即M為在外磁場日的作用下，材料中因磁矩沿外場方向

11、排列而使磁場強化的量度。M的大小與外磁場強度成正比：M=H稱為磁化率，也是無量綱參數(shù)。表玉工兩種單也制的換算關系國際單位制奇斯單位制換算關系磁場強度H安/米A7m)奧斯特1安/米計10=奧斯特（CM磁化強度M安/峯m)高斯1安/米中高i（c3）磁感磁強度B待斯拉（T）高斯1T=l(r離斯(G)磁化率才無址綱無量鋼磁導率卩事利Z(H7nj)無宦綱考點18.磁場強度、磁感應強度、磁化強度及其關系磁場強度H：如果磁場是由長度為/,電流為I的圓柱狀線圈（N匝）產(chǎn)生的，對于磁場強度，不考慮材料介質(zhì)特性，僅由電流決定，則H=NI/lH的單位為安/米（A/m）。磁感應強度B：表示材料在外磁場H的作用下在材料

12、內(nèi)部的磁通量密度，對于磁感應強度，則考慮介質(zhì)特性，由介質(zhì)和電流共同決定。B的單位為特斯拉（刁或Wb/m2。B和H都是磁場向量，不僅有大小，而且有方向。磁場強度和磁感應強度的關系為B=H式中，為磁導率，是材料的特性常數(shù)，表示材料在單位磁場強度的外磁場作用下，材料內(nèi)部的磁通量密度（見圖3.3（b）。的單位為亨/米（H/m）。在真空中（見圖3.3（a），磁感應強度為Bo=oH式中，0為真空磁導率，它是一個普適常數(shù)，其值為4X10-7H/m。描述固體材料磁性的參數(shù)有相對磁導率，磁化強度M和磁化率r相對磁導率是材料的磁導率與真空磁導率0之比。r0單位體積的磁矩稱為磁化強度，用M表示，即M為在外磁場日的作

13、用下，材料中因磁矩沿外場方向排列而使磁場強化的量度。M的大小與外磁場強度成正比：M=H稱為磁化率，也是無量綱參數(shù)。考點19.物質(zhì)的磁性分類統(tǒng)聒世甜料M=H稱為磁化率，也是無量綱參數(shù)?？键c19.物質(zhì)的磁性分類統(tǒng)聒世甜料S五姿遵陣的磁化曲線亞鐵強性材料抗昭性材科鐵昭牲材料考點20.磁化曲線BK“frftiBK“frfti圖3.10鐵磁體的磁化曲線和磁滯回線鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線（M-H或B-H）是非線性的。如圖OKB曲線所示隨磁化場的增加，磁化強度M或磁感強度B開始時增加較緩慢，然后迅速地增加，再轉(zhuǎn)而緩慢地增加，最后磁化至飽和。M稱為飽和磁化強度，B稱為飽和磁感應強度。磁化至飽和后，磁化強度不再隨外

14、磁場的增加而增加SS將一個試樣磁化至飽和，然后慢慢地減少H，則M也將減小，這個過程叫退磁。但M并不按照磁化曲線反方向進行，而是按另一條曲線改變，如圖中的BC段所示。減小到零時，M=Mr（或Br=4Mr）oMBr分別稱為剩余磁化強度、剩余磁感強度（簡稱剩磁）。如果要使M=O（或B=0），則必須加上一個反向磁場以，稱為矯頑力。通常把曲線上的CD段稱為退磁曲線。從這里可以看出，退磁過程中M的變化落后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。考點21.磁彈性能物體在磁化時要伸長（或收縮），如果受到限制，不能伸長（或收縮），則在物體內(nèi)部產(chǎn)生壓應力（或拉應力）。這樣，物體內(nèi)部將產(chǎn)生彈性能，稱為磁彈性能。因此，物體

15、內(nèi)部缺陷、雜質(zhì)等都可能增加其磁彈性能?？键c22.技術磁化包含著兩種機制：壁移磁化和疇轉(zhuǎn)磁化。壁移磁化：在有效場作用下，自發(fā)磁化方向接近于H方向的磁疇長大，而與H方向偏離較大的近鄰磁疇相應縮小，從而使疇壁發(fā)生位置變化其實質(zhì)是：在H作用下，磁疇體積發(fā)生變化，相當于疇壁位置發(fā)生了位移。磁疇轉(zhuǎn)動磁化過程：在H工0時，鐵磁體磁疇內(nèi)所有磁矩一致向著H方向轉(zhuǎn)動的過程。外磁場的作用是導致磁疇轉(zhuǎn)動的根本原因及動力（即H工0時，總自由能將發(fā)生變化，其最小值方向?qū)⒅匦路植?磁疇的取向也會由原來的方向向H方向轉(zhuǎn)動）考點23.改善鐵磁材料磁導率的方法有：消除鐵中的雜質(zhì)；把晶粒培育到很大的尺寸；造成再結(jié)晶織構，即在再結(jié)晶

16、時使晶體的易軸（100）沿外磁場排列起來；退火時在一定方向施加磁場，并在冷卻過程中使磁場從居里點保持到材料只有很低范性的低溫，這就是磁場中的退火?？键c24.軟磁材料容易磁化和退磁的磁性材料稱為軟磁材料，即這類材料的磁滯回線很窄。其特點是矯頑力低，磁導率高，每周期的磁滯損耗（Q）小。它可分為金屬軟磁材料和非金屬軟磁材料?？键c25.思考題1、試說明下列磁學參量的定義和概念：磁化強度、矯頑力、飽和磁化強度、磁導率、磁化率、剩余磁感應強度、磁各向異性常數(shù)、飽和磁致伸縮系數(shù)。a、磁化強度：一個物體在外磁場中被磁化的程度，用單位體積內(nèi)磁矩的多少來衡量，成為磁化強度Mb、矯頑力He：個試樣磁化至飽和，如果要

17、=0或B=0，則必須加上一個反向磁場He,成為矯頑力。c、飽和磁化強度：磁化曲線中隨著磁化場的增加，磁化強度M或磁感強度B開始增加較緩慢，然后迅速增加，再轉(zhuǎn)而緩慢地增加，最后磁化至飽和。Ms成為飽和磁化強度，Bs成為飽和磁感應強度。d、磁導率：=B/H,表征磁性介質(zhì)的物理量，稱為磁導率。e、磁化率：從宏觀上來看，物體在磁場中被磁化的程度與磁化場的磁場強度有關。M=H，稱為單位體積磁化率。f、剩余磁感應強度：將一個試樣磁化至飽和，然后慢慢地減少H，則M也將減少，但M并不按照磁化曲線反方向進行，而是按另一條曲線改變，當H減少到零時，M=Mr或Br=Mr（Mr、Br分別為剩余磁化強度和剩余磁感應強度

18、）g、磁滯消耗：磁滯回線所包圍的面積表征磁化一周時所消耗的功，稱為磁滯損耗Q（J/m3）h、磁晶各向異性常數(shù)：磁化強度矢量沿不同晶軸方向的能量差代表磁晶各向異性能，用Ek表示。磁晶各向異性能是磁化矢量方向的函數(shù)。i、飽和磁致伸縮系數(shù)：隨著外磁場的增強，致磁體的磁化強度增強，這時|也隨之增大。當H=Hs時，磁化強度M達到飽和值，此時=，稱為飽和磁致伸縮所致。2、什么是自發(fā)磁化？鐵磁體形成的條件是什么？有人說“鐵磁性金屬沒有抗磁性”，對嗎？為什么？a、組成鐵磁性材料的原子或離子有未滿殼層的電子，因此有固有原子磁矩。在鐵磁性材料中，相鄰離子或原子的未滿殼層的電子之間有強烈的交換耦合作用，在低于居里溫

19、度并且沒有外加磁場的情況下，這種作用會使相鄰原子或離子的磁矩在一定區(qū)域內(nèi)趨于平行或者反平行排列，處于自行磁化的狀態(tài)，稱為自發(fā)磁化。b、鐵磁性材料具有一個磁性轉(zhuǎn)變溫度:居里溫度Tc。一般自發(fā)磁化隨環(huán)境溫度的升高而逐漸減小，超過居里溫度Tc后全部消失，此時材料表現(xiàn)出順磁性，材料內(nèi)部的原子磁矩變?yōu)榛靵y排列。只有當TVTc時，組成鐵磁性材料的原子磁矩在磁疇內(nèi)才平行或反平行排列，材料中有自發(fā)磁化。材料內(nèi)部相鄰原子的電子之間存在一種來源于靜電的相互交換作用，由于這種交換作用對系統(tǒng)能量的影響，迫使各原子的磁矩平行或反平行排列，形成自發(fā)磁化。c、材料的磁性來源于電子的軌道運動和電子的自旋運動。所有的材料處于磁

20、場中時，外磁場都會對電子軌道運動回路附加有洛倫茲力，使材料產(chǎn)生一種抗磁性，其磁化強度和磁場方向相反。抗磁性是電子軌道運動感生的，因此所有物質(zhì)有抗磁性。但并非所有物質(zhì)都是抗磁體，這是因為原子往往還存在著軌道磁矩和自旋磁矩所組成的順磁磁矩。原子系統(tǒng)具有總磁矩時，只有那些抗磁性大于順磁性的物質(zhì)才成為抗磁體。3、什么叫磁彈性能？他受哪些因素影響？物體在磁化時伸長或收縮受到限制，則在物體內(nèi)部形成應力，從而內(nèi)部將產(chǎn)生彈性能，即磁彈性能。物體內(nèi)部的缺陷、雜質(zhì)等都可以增加其磁彈性能。對于多晶體而言，若磁彈性能是由于應力的存在而引起的，那么磁化方向和應力方向的夾角、材料所受的應力、飽和磁致伸縮系數(shù)和單位體積中的

21、磁彈性能都會影響該磁彈性能。4、技術磁化過程可分為那幾個階段，各個技術磁化階段的特點是什么？什么叫單疇體？單晶體一定是單疇體嗎？IIZ_tXaT厶上*、廠F4一rT*rIiab才m慶八與h曲線不再是線性。此階段中t-h4-XriMrtJ-U/liJ多M厶HJLn-rLf-/rAn一ix公甘C口TAA/匚日厶厶44-八r口、十ZUC當磁化到SI第四部分禾:書上為三個過程，但相對而言我認為這個答案更為合理和完整。若有疑慮，可省說法一、具有強磁化強度的顆粒如磁鐵礦其自發(fā)能隨著體積增大能夠迅速增大。在某些非子自旋最終定向排列。這種顆粒被均勻磁化，并被稱為單疇（singledomain,SD）。當磁化到

22、SI第四部分禾:書上為三個過程，但相對而言我認為這個答案更為合理和完整。若有疑慮，可省說法一、具有強磁化強度的顆粒如磁鐵礦其自發(fā)能隨著體積增大能夠迅速增大。在某些非子自旋最終定向排列。這種顆粒被均勻磁化，并被稱為單疇（singledomain,SD）。說法二、多疇的大塊材料在很強的外磁場的作用下，被磁化至飽和狀態(tài)，整塊材料內(nèi)的自發(fā)磁化強度基本上取在個磁化方向上，形成一個單疇。單晶體不一定是單疇體假如單晶半徑為R，單疇體的臨界尺寸為r，如果Rr,則不是單疇結(jié)構；如果Rr,則肯定是單疇結(jié)構。也就是說，單疇體有一個臨界尺寸，但臨界尺寸r不一定是單晶尺寸。當R0第四章考點26.金屬的摩爾定容熱容由點陣

23、振動和自由電子兩部分的貢獻組成考點27.常溫時與點陣振動對摩爾定容熱容的貢獻相比，電子的貢獻微不足道，但在極高溫和極低溫條件下則不可忽略。這是因為在高溫下，電子像金屬晶體的離子那樣顯著地參加到熱運動中，以CCccaT作出貢獻。因此,在III溫區(qū)CV不以3R為漸近線，而繼續(xù)有所上升。在極低溫度下電子摩爾定容熱容不像離子熱容那樣急劇減小，V,m因而在極低溫下起著主導作用。隨T的降低CV趨近于零，當T增高到德拜溫度D以上時，CV接近于3R。如果把CV看做T/n的函數(shù)，貝對所V,mDV,mV,mD有金屬都得到同樣的關系。過渡族金屬摩爾定容熱容中電子部分的貢獻表現(xiàn)得較顯著，它包括s態(tài)電子的摩爾定容熱容，

24、也包括d或f態(tài)電子的摩爾定容熱容?？键c28.相變相變分為一級相變和高級（二級、三級相變。1、當系統(tǒng)由1相轉(zhuǎn)變?yōu)?相時，化學勢廣2,而化學勢的一級偏微商不相等，稱為一級相變。在一級相變時發(fā)生體積突變（V的同時還發(fā)生熵（及熱焓）的突變（）0屬于一級相變的有：物態(tài)變化、同素異構轉(zhuǎn)變、共晶、包晶、共析轉(zhuǎn)變等。2、當系統(tǒng)相變時廣2,且化學勢的一級偏微商也相等，而化學勢的二級偏微商不相等。貝稱為二級相變。二級相變時Cp,m0*，即體積和熱焓均無明顯變化而Cp,m有突變屬于二級相變的有：鐵磁-順磁以及部分鐵電-順電和有序-無序轉(zhuǎn)變等。考點29.膨脹合金的工業(yè)應用鐵磁合金的熱膨脹反常在工業(yè)上有重要的應用。這里

25、大體可分為兩大類：低膨脹合金和定膨脹合金。考點30.熱傳導的物理機制熱傳導的過程就是材料內(nèi)部的能量傳輸過程。在固體中能量的載體可以有自由電子、聲子（點陣波）和光子（電磁輻射）。因此，固體的導熱包括：電子導熱、聲子導熱和光子導熱。考點31.思考題1、何謂德拜溫度？有什么物理意義？對它有哪些測試方法？德拜溫度:固體比熱理論中按照德拜假設分析時產(chǎn)生的一個參量。（為了準確計算固體比熱容而引入的一個物理量。）不同固體的德拜溫度不同。物理意義:德拜溫度D是反映晶體點陣內(nèi)原子間結(jié)合力的又一重要物理量，是反映固體的許多特性的重要標志。測試方法：X射線衍射強度2、根據(jù)維德曼-弗蘭茲定律計算鎂在400的熱導率。已

26、知鎂在0的電阻率=4.410-6xcm，電阻溫度系數(shù)=0.005-1。注意:1、計2、計=0.005-1。注意:1、計2、計時要注意開氏溫度與攝氏溫度的換算；注意厘米與米的換算k-23、計算時為了求。，因此公式Qk-2解：由公式/（TT）=2.54x10-8W=1T1T=o(1+T)Q得:=111111111111111111111111111-=210.5Wm-1k-1AA7TZ*第五章考點32.可見光波的波長為390770nm?？键c33.偏振性是橫波的特有性質(zhì)?？键c34.幾條有關光傳播特性的基本規(guī)律1、光在均勻介質(zhì)中的直線傳播定律；2、光通過兩種介質(zhì)的分界面時的反射定律和折射定律；3、光的獨立傳播定律和光路可逆性原理?？键c35.棱鏡、透鏡和反射鏡1、利用材料的折射性質(zhì)