大学物理：材料科学.ppt

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1、材料科学讲座,一、材料及其发展简史,二、物理学材料科学的基础,三、材料简介,前言,材料科学物理、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、医学、生物学及计算科学等多学科交叉融合的结果，同时也是一个正在蓬勃发展中的学科。材料技术的基本原理根植于凝聚态物理学、物理化学与合成化学。物理学及物理技术为材料科学提供了强有力的理论和实验研究手段，材料的组织、结构及性能的研究都离不开物理学。简要介绍有关材料的基本知识及物理学在材料科学中的应用，并着重介绍几种重要材料。,一、材料及材料发展简史,1、材料与材料科学,材料是人类赖以生存和国民经济发展的物质基础。材料、信息、能源被公认为现代文明的三大支柱。80年代：新材料、信

2、息技术和生物技术并列为新技术的重要标志。什么是材料？,材料由一定配比的若干相互作用的元素组成的、具有一定结构层次和确定性质，并能用于制造器件、设备、工具和建筑物等的物质系统。,材料科学研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。是多学科交叉与结合的结晶，是一门与工程技术密不可分的应用科学,材料技术：材料的制备技术；结构、性能分析技术；材料应用技术。,当代每一项重大技术的出现都依赖于新材料的发展。例如：,半导体材料的发现和发展导致了微电子工业、大规模集成电路、高速运算计算机等的出现；高温材料及高性能结构材料的出现使航空航天技术快速发展；低损耗光导纤维使当今你蓬勃发展

3、的光纤通信得以实现；等等。,2、材料的发展史,人类发展的历史证明，材料的发展导致时代变迁。人类的历史曾以使用的主要材料来划分，如石器时代、铜器时代和铁器时代等。,100万年前，人类开始使用石头做工具，人类进入旧石器时代,大约1万年前，人类能对石头进行加工，使石头成为精制的器皿和工具，从而进入新石器时代。在新石器时代，人类开始用毛皮遮身。,8000年前，中国开始用蚕丝做衣服。4500年前，印度人开始种植棉花。此外，人类还使用竹、木、骨等原始天然材料，不经或稍许加工而制成工具或用具。这是材料发展的初始阶段，其特点是人类单纯选用天然材料。,人类还处于新石器时代，就已经发明了粘土成型，在火烧固化而得到

4、陶器，用作器皿或装饰品。陶器的出现，是对人类文明的一大促进。,在烧制陶器的过程中，又偶然发现了铜和锡，实际上是铜和锡的氧化物在高温下被碳还原的产物，进而生产出色泽鲜艳且能浇铸的青铜，使人类进入青铜时代。这是人类较大量使用金属的开始。希腊、印度、埃及和中国都在公元前3000年左右进入青铜时代。中国在商周处于青铜时代的鼎盛时期，湖北隋县出土的编钟、西安青铜马车都反映当时中国冶金技术水平和高超的制造工艺。,公元前13-14世纪，人类开始使用铁。3000年前的铁器比青铜器更为普遍，人类开始进入铁器时代。,到春秋末期，中国的生铁技术遥遥领先于其他国家。如生铁退火而制成的韧性铸铁以及生铁炼钢技术发明，促进

5、了当时生产力的大发展，对农业、水利和军事的发展起到了极大的作用，推动了世界的文明与进步。,18、19世纪蒸汽机、电动机的发明对金属材料提出了更高的要求，同时对钢铁冶金技术产生了更大的推动作用。炼钢技术大大促进了机械制造、交通铁路及纺织业的发展。,随之，各种特殊钢如高速钢、硅钢及不锈钢相继问世，铜、铝业得到大量应用，其他金属和合金也都出现，从而使金属材料在20世纪占据了主导地位。铜、铁和其他合金的发现与应用是材料发展的第二阶段。在这一阶段，金属（主要是铁和钢）确立了工业材料的绝对权威。这个阶段的特点是人类从自然界提取有用的材料。,20世纪70年代，材料与能源、信息并列为现代文明的三大支柱。80年

6、代，人们又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的主要标志。可见，一个国家的材料的品种、数量和质量，已成为衡量其科学技术、国民经济水平和国防力量的重要指标之一。,3、材料分类,材料品种繁多、用途广泛，其分类也就十分复杂，以致目前还没有统一的标准。（1）从材料来源上看，材料可分为天然材料和合成材料。天然材料选择天然有形物质直接或进行简单加工改造的材料，如沙石、木材、石材、天然纤维、天然橡胶等等。合成材料通过化学或物理手段，利用化学原料制取不能从自然界直接得到的新型材料。如合金、玻璃、陶瓷、合成高分子等。,（2）从功能上看，材料可以分为结构材料和功能材料。,结构材料通常指具有力学承载功能、以

7、制造受力构件为应用目的的材料（也要考虑物理化学性能如光泽、导热性、抗腐蚀、抗氧化等）。常被称为第一代材料。如建筑材料、机械制造材料，航天航空材料，用于制造工具、机器、车辆，修建房屋、桥梁、铁路、飞机、航天器等。,功能材料指具有光、电、磁、声、热、化学、生物等特定功能和性质的材料。用于非承载目的，涉及面很广。,如电阻及导电材料、磁性材料、介电材料、发光材料、光电材料、电极材料、压电材料、热电材料、声光材料、电光材料、磁光材料、激光材料、超导材料、智能材料、仿生材料等。利用他们可以制造具有记录、储存、信息传输等功能元器件，在电子、激光、光电、通信、生物医学等许多新技术领域有广泛应用。,现代高新技术

8、的发展如微电子、激光、光电、能源、计算机、信息等技术的兴起，强烈地刺激着现代功能材料的发展。,结构材料特点：常以材料形式为最终产品，如钢材、塑料、玻璃等；功能材料特点：一般用于非结构目的，常常以元件形式为最终产品，如传感器件、电子器件等。现代社会对研制新一代材料提出了结构与功能相结合的要求，即材料不仅能作为结构材料使用，而且具有特殊功能。即功能-结构一体化（同一种构件、设备或器件可能是结构材料和功能材料的结合），例如航天航空器既有特殊的结构材料，又有特殊的功能材料。,（3）从化学组成与结构来分，有金属材料、无机非金属材料（陶瓷材料）、有机高分子材料，或者分为无机材料和有机材料。或单组分材料、复

9、合材料,（4）从用途上，可分为电子材料、能源材料、建筑材料、生物材料、核材料、航空航天材料、研磨材料 耐火材料、耐酸材料、电工材料、光学材料、包装材料等,（5）按物理性质分，有高强度材料、耐高温材料、超硬材料、导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁性材料、铁电材料、透光材料、感光材料等。,（6）按状态分类，单晶材料、多晶质材料；晶态材料、非晶态材料、准晶态材料、液晶材料等。,（7）按技术含量分，传统材料和先进（或新型）材料。传统材料已经成熟且大批量生产与应用、价格相对较低、已有长期使用经验和数据的材料，如钢铁、水泥、塑料等。这类材料是很多支柱产业的基础，故又称为基础材料。先进材料（新型材料）正在发

10、展、具有优异性能和应用前景、正在努力商业化或处于研制中的材料。传统材料与先进材料没有明显的界限，传统材料通过采用新技术、提高技术含量和性能、大幅度增加附加值，就成为了先进材料，先进材料经过长期应用、大批量生产以后就成为了传统材料。,材料工程技术,陶瓷冶金粉末冶金薄膜生长技术表面处理技术：表面改性技术、表面涂覆技术 热处理,包括材料的制备、材料成型加工,材料加工：热加工、压力加工、机械加工,二、物理学材料科学与技术的基础1、凝聚态物理材料科学的理论基础,材料物质形态一般是固体和液体。固体和液体是由大量的物质分子构成的紧密聚集态，统称为凝聚态。材料科学的基础是物理与化学，化学侧重于材料的合成与制备

11、方法，而物理则侧重于对材料的基本理论机制的研究。,凝聚态物理学就是从微观角度出发，研究凝聚态物质的结构和动力学过程及其与宏观物理性质之间的关系的学科。,影响凝聚态物质宏观性质的根本因素：系统内组成粒子（原子、分子）中电子的运动规律、粒子间的相互作用以及系统与外界相互作用的微观过程。这些是凝聚态物理要解决的基本问题。只有深入研究凝聚态物质系统内部的微观运动规律，才能了解材料的各种性能，从而为发展新材料开辟新的途径。,凝聚态物理学的一些基本理论，如固体能带理论、点阵动力学理论、对称破缺的相变理论、元激发理论、缺陷理论和临界现象理论等都是为解释材料各种物理现象的发生及其表现而建立的。,物理学的新成就

12、大大推动了材料科学的发展。例如，晶体管的发明是物理学与材料科学结合的典型范例，它直接基于晶体中电子的量子理论。在晶体管基础上，半导体器件不断小型化、集成化，不仅对材料加工技术提出了更高的要求，而且使物理学家面临建立新理论体系的挑战，如表面、界面的结构，表面态的分布等成为了研究热点。几乎每一种新材料的发现和改进，都离不开凝聚态物理。总之，没有凝聚态物理的研究成果，就不会有新材料。,2、现代物理技术材料结构表征与性能检测的基本手段,材料性能的各种测试技术、材料组织（从宏观到微观不同层次）的表征技术构成了材料科学与工程的重要组成部分。而材料的结构表征与性能检测又依赖于现代物理技术手段。,材料的性能是

13、指其在给定的条件下或在条件发生变化时所产生的响应，如材料的弹性模量、比热、热导率、电导率、磁性、极化率、扩散系数、耐高温性、抗腐蚀性、抗震性等。这些性质又与材料的组织形态、微观结构及成分有关。,无论是性能检测，还是组织结构与成分分析，都需要各种各样的物理测量仪器。几乎每一种材料性能检测技术都与物理学密切相关。,例如：基于材料与声波的相互作用的有超声波检测仪；基于材料与电磁波相互作用的分析仪器有光学金相显微镜、x射线衍射分析仪、核磁共振仪、电子顺磁共振仪、光电子能谱仪、穆斯堡尔谱仪、光谱仪（红外光谱仪、拉曼光谱仪、激光光谱仪等）等；基于材料与电子相互作用的有扫描电子显微镜、透射电子显微镜、正电子

14、湮没装置等；基于材料与离子相互作用的有离子束分析仪；,基于材料与中子相互作用的有中子衍射仪；,但是，场离子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜等的基本原理却是直接利用探针检测材料的表面微观形貌。几种常用的材料分析表征手段：,（1）x射线分析技术,X射线与物质的相互作用将产生吸收和散射现象。X射线吸收X射线透过物质后将变弱即发生能量损耗。,X射线吸收的产生原因：(a)光电效应 即原子吸收X射线光子发生电离而发出光电子。该效应能获得光电子谱信息，可用于测定原子和分子轨道的结合能。(b)荧光效应 X光子打出一个原子内层电子后，激发态原子中高能量轨道上的电子将填补内层空位，同时产生X射线，称为X射线荧

15、光。可利用荧光光谱分析材料中所含的元素及成分。,(c)俄歇效应 原子内层电子被X光子打出而出现空位，较高能量电子将填充该空位，产生X射线荧光向外辐射。也可能使另一个核外电子脱离原子逸出，逸出的电子叫做俄歇电子。俄歇能谱是材料表面成分分析的一种重要方法。,散射的主要机制是波长改变的康普顿散射和波长不变的相干散射，还有晶格振动引起的热漫散射和晶体点缺陷引起的漫散射（叫黄昆散射）。康普顿散射是非相干性的，强度很弱，可不予考虑。相干散射是X射线在样品中产生衍射现象的基础。利用X射线衍射可以测定晶体结构常数，利用黄昆散射可以研究晶体缺陷。,X射线散射射入物质后，产生不同方向的子波线,X射线分析技术在材料

16、科学中应用十分广泛，主要用于物相鉴定、物质成分分析、晶体点阵参数测定、晶体取向确定、晶体点阵畸变测定、缺陷分析、非晶态结构测定等。,(2)、电子显微分析技术,人眼能够分辨清楚的最小细节是0.10.2mm。如果要观察更微小的细节，必须借助于显微镜。光学显微镜放大倍数有限。提高分辨本领的办法是增大孔径和减小光波长，但增大孔径困难且可见光波长范围有限。要想改善显微镜分辨率，只有减小波长，于是就出现了电子束照明的电子显微镜。,电子具有波动性，经100伏左右的电压加速后的电子的波长约1,加速电压更高时，波长更短。显然用电子束作光源，显微镜的分辨率将更高。,然而，电子和光子毕竟不同，电子是带电粒子且有静止

17、质量，因此不能用光学透镜会聚成像。但可以用电场和磁场使电子会聚和发散，起到类似于光学透镜的作用，这就是电子透镜。电子显微镜就是用电子束照明的放大仪器。,电子显微镜是洞察微观世界的有力工具，目前世界上的大型电子显微镜的分辨本领能达到23，放大倍数高达120万倍。电子显微镜类型很多，细致分类困难。一般以电子束和样品相互作用来分类：利用样品透射电子的透射电镜；利用样品反射电子的扫描电镜；利用样品发射电子的发射电镜；利用样品吸收电子的电子探针。,入射电子与物质作用能产生各种信息，将这些信息加以收集、整理、分析即可得知材料的微观结构和成分。散射是电子与物质作用的主要过程。入射电子束与物质中原子核和核外电

18、子发生作用时，入射电子的方向和能量可能改变，有时甚至“消失”或产生别的粒子，这些现象统称为电子散射。如果电子与物质作用后基本无能量改变，称为弹性散射。反之，电子不但改变方向，而且改变能量，则称为非弹性散射。,电子弹性散射是电子衍射的基础，布拉格方程同样是电子衍射的重要方程，利用它可以表征晶体参数。还可以测定非晶态结构。电子非弹性散射同样可以得到很多重要信息。所以，电子显微分析技术是研究材料的的重要手段。,（3）、扫描隧道显微镜（STM）与原子力显微镜(AFM),20世纪80年代以后，显微技术出现了新的革命，产生了以扫描隧道显微镜（STM）为代表的新一代显微镜。STM能直接观测到物质表面单个原子

19、的立体形貌，把人们带到了原子级的微观世界。,扫描隧道显微镜不同于电子显微镜。电子显微镜是利用高速电子穿进物质内部研究物质的微观结构。扫描隧道显微镜不用光源也不用透镜，其显微部件是一枚非常细而尖的探针。,在物质的表面有一层阻止内部电子向外运动的势垒屏障。量子力学告诉我们，表面电子能够穿过这个屏障，到达表面外形成一层电子云，这就是所谓的隧道效应。这层电子云的纵向和横向分布与样品表面的微观结构有关。所以，STM通过探针探测出这层电子云的分布，就可以观察到物体表面的微观结构。,探针在表面做x、y方向扫描的同时，针尖将依表面原子的起伏而在z方向移动。这种移动经电信号放大并由计算机进行图像处理，可以得到表

20、面原子分布的三维图象。这个图像和实际尺寸相比可以放大一亿倍，人们能清楚地看到物体表面的三维立体微观情况。,STM 使人类第一次能够立体显示单个原子在物体表面的排列状况。STM的出现也为纳米科技注入了活力，使人们能够实现在纳米尺度甚至原子尺度上对物质进行微加工和对单个原子、分子的操纵。1990年美国IBM公司研究人员首先用STM在金属镍表面用35个氙原子排出了“IBM”字样。1994年，中国科学院研究人员利用STM在硅单晶表面直接取走硅原子，形成了硅原子晶格背景下的书写文字。,操纵原子,48个Fe原子的Cu表面扫描隧道显微镜照片。,硅表面,由于隧道电流的产生需要两个电极，因此STM对绝缘体表面不

21、能直接测量。为了解决这一问题，1986年宾尼格(Gerd Binnig,1947-)等人在STM基础上又发明了原子力显微镜（AFM）,利用针尖与样品之间的原子力（引力、斥力）随距离的变化测量样品表面微观形貌、弹性、硬度等。原子力显微镜对各种材料均可获得原子级分辨图像。此外，基于扫描探针近场技术的显微镜还有：研究磁性样品表面磁畴和磁场分布的磁力显微镜、观察微电路上电特性的静电力显微镜、光子扫描隧道显微镜等等。,三、各种材料简介,（一）金属材料,金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。（注：金属氧化物（如氧化铝）不

22、属于金属材料）,人类文明的发展和社会的进步同金属材料密切相关。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为时代标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。,黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90以上的工业纯铁，含碳 24的铸铁，含碳小于 2的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。,金属材料种类:黑色金属、有色金属和特种金属材料。,有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小

23、。,特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、储氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等,特殊功能合金 金属与合金多用做结构材料，但也可用做功能材料，如电阻器用的各种低阻、中阻、高阻精密合金以及导电材料、热电偶合金（制作高温测量装置）、膨胀合金（制作温控自动保护装置、启动装置等）、形状记忆合金、储氢合金等。这里介绍一下储氢合金和形状记忆合金,储氢合金 氢是一种重要的二次能源，其优点是无污染（燃烧生成水）、资源丰富（可用太阳能到海水中取氢）、发热值高。但是氢能源的开发

24、却遇到了两个难题：制氢和储存氢。用一般的钢瓶储氢非常危险，解决储氢的重要手段是储氢合金，其原理是用金属吸收氢气生成金属氢化物，需要时加热放出氢，该过程是可逆的。储氢合金是储存氢的容器，其氢密度是市售氢气瓶密度的10倍、标准状态气态氢密度的1000倍，比固态氢密度略高。例如，-269oC下，固态氢密度为5.31022（原子/cm2），而LaNi6H6.7的氢密度为7.61022（原子/cm2）。现已研制成功的储氢合金有镧-镍合金、铁-镍合金等。,形状记忆合金 一些合金在高于某转变温度时被制成某一形状，把温度降到转变温度以下后改变其形状，当温度回升到转变温度以上时，它会按记忆恢复原状，这种现象叫做

25、形状记忆效应。例如，用某些金属制的头饰花蕾，在阳光下开放，回到室内花蕾闭合；某些金属雕塑造型能随季节变化，表现出春夏秋冬四季主题。,有的形状记忆合金的形状在高低温只能恢复一次，叫单程记忆合金。有的形状记忆合金，在高低温下能反复恢复形状，叫做双程记忆合金。目前已发现许多种形状记忆合金，还发现了一些聚合物和陶瓷形状记忆材料。形状记忆合金在工程上有重要应用，例如用形状记忆合金做套管，低温下扩径装配后升至室温而恢复原状，便结合紧密。像飞机液压系统接头、航船管道、海底输油管道、铆钉、连接件都需要形状记忆合金,用记忆合金制作的眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。不久的将来

26、，汽车的外壳可以用记忆合金制作。不小心碰瘪了，用电吹风加温就可恢复原状，省钱省力方便。,用于制造探索宇宙奥秘的月球天线。利用形状记忆合金在高温环境下制做好天线，再在低温下把它压缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球，太阳的强烈的辐射使它恢复原来的形状，按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置（该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染）。,（二）、半导体材料,1941年，多晶硅材料制成的检波器问世，拉开了半导体材料应用序幕。1947年，美国科学家肖克利、巴丁和布拉顿利用半导体材料锗制成的第一个晶体三极管，引发了现代电子

27、学的革命（荣获1956年的诺贝尔物理学奖）。1958年半导体硅集成电路诞生。,1968年，硅大规模集成电路实现产业化，标志微电子学时代开始。30多年来，惊人发展。,1962年，半导体激光器问世，后来各种半导体光电器件问世。80年代，半导体激光器在光通信和光盘等方面大量应用，形成了光电子学。,什么是半导体？特点？,半导体材料为信息时代的到来奠定了物质基础,1、本征半导体,金属：非常多自由电子。平均每个原子一个电子。密度1022个/cm3。绝缘体：几乎无自由电子。半导体：介于两者之间，平均每1010-1013个原子一个自由电子，密度1012-1019个/cm3，室温电导率10-8-103(cm)-

28、1,半导体自由电子数较小，易通过外部电学作用控制其中电子的运动。所以比金属更适合做电子器件。,原子,半导体,导带,价带,1eV,原子形成固体，分立能级变成连续能带。,未掺杂半导体叫本征半导体。,本征半导体中每个原子四个价电子，恰好填满能带（价带）。上面未填充的能带为导带。中间禁带宽度约1eV。,以上是理想、绝对0度情况。,原子,半导体,导带,价带,1eV,当T升高，电子激发到导带，在价带留下空穴。在电场作用下，导带中电子和价带中空穴均导电，称为本征导电。,2、杂质半导体,当掺杂时，半导体导带上会有自由电子或价带上会有空穴。主要靠电子导电的称为n型半导体；主要靠空穴导电的称为p型半导体.,n型半

29、导体,Si四价，与周围原子组成四个价键,Si中掺5价P，P取代Si原子。4个价电子与Si组成共价键。第5个价电子多余，输送到导带上成为自由电子。导带中电子导电。产生的自由电子浓度约等于杂质原子浓度（可控）。,P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。,导带,施主,价带,导带,施主,价带,n型半导体,p型半导体,掺3价B。B取代Si，形成共价键，缺一个价电子。可以从价带上取得一个电子产生一个空穴。,导带,受主,价带,导带,受主,价带,B称为施主杂质，表示能得到一个价电子。,p型半导体,所以，掺杂可有意识地控制导电类型和载流子浓度。,导带,施主,价带,导带,受主,价带,p型半导体,n型半导体,以上杂质

30、能级处于禁带中导带低或价带顶附近，故称为浅能级杂质,如果杂质或缺陷（C、O、N、Fe、Cu、Ag、Au等）及晶体缺陷（空位、位错），产生的能级往往在禁带中部，称为深能级。,深能级杂质一般是在材料生长、器件制造时无意带进的。,深能级杂质、缺陷可以捕获自由载流子，引起电子从导带到价带跃迁。必须避免。但有时有用，如GaP中掺N发红光。,3、半导体器件的基本构成 pn结 如果把一块p型半导体和一块n 型半导体连接，在交界处就形成了pn结。pn结是许多半导体器件的基本构成单元，如晶体管、集成电路、整流器、半导体激光器、发光二极管、各种光电器件、微波器件、太阳能电池等都有pn结结构。,半导体材料的应用简介

31、(1)、传统的典型半导体材料及应用,硅、锗、砷化镓及碲镉汞材料是传统的典型半导体材料。硅是目前世界上最重要的半导体材料，95%以上的半导体器件是用硅制作的。但是在半导体工业发展的初期，唱主角的是锗，而不是硅。后来，硅之所以能取锗而代之，一是因为其资源极为丰富，成本低廉；二是因为其禁带宽度较大，硅半导体器件的性能较稳定；三是因为其机械强度高，结晶性好，可以制出高纯度的大尺寸单晶。硅是制造大规模集成电路最关键的材料。,砷化镓是继锗、硅之后发展起来的第二代半导体材料，广泛应用于通讯、医疗、家电、办公设备、航空航天等民用及军事领域。砷化镓的禁带宽度比硅、锗都大，介电常数小，适于制造高频、高速的电子器件

32、和电路。例如，用砷化镓制作的普通发光二极管和激光二极管，其发光效率高、亮度高、电压低、电流小、响应快，易与晶体管和集成电路匹配，用作固体显示器、信号显示、文字显示等器件。砷化镓隧道二极管用于计算机开关时，速度快、时间短。砷化镓最适合做场效应晶体管，主要用于微波放大、振荡、调制和高速逻辑电路等方面。,碲镉汞(Hg1-xCdxTe)是三元化合物半导体材料，物理性质随x的改变可连续地从金属变到半导体。Hg1-xCdxTe的本征载流子浓度低，电子迁移率高，导电类型可以由本身组分的改变来调节，也可用掺杂方法来控制，适于制作光导或光伏型器件。碲镉汞本征半导体的吸收系数大，可以全部吸收几微米到几十微米波长的

33、光，是目前制造红外探测器最理想的材料。此外，可制成高速响应器件、金属-绝缘体-半导体（MIS）或金属-氧化物-半导体（MOS）结构型的器件。碲镉汞是继硅、砷化镓之后发展起来的第三代用途广泛的半导体材料。,(2)、集成电路 集成电路是60年代初发明的，半导体二极管和三极管是其主要组成元件。采用氧化、光刻、扩散、外延、离子注入等工艺，将晶体管元件和电阻器、电容器等元件，按照一定的电路连接，集成在一块半导体晶体片上，这便是集成电路。它能完成特定的电路或系统功能。集成电路的出现，大大缩小了电子设备的体积，提高了可靠性，降低了成本，延长了使用寿命。集成电路是现代计算机科学技术发展的重要基础，它使计算机小

34、型化、运算速度提高、不断升级换代，为现代信息社会奠定了主要的物质基础。,(3)、可控硅 pn结的单向导电性，可以使输入的交流电变为直流电输出，称之为整流。一般的硅二极管，其整流后的直流电压是不能变化的，使其应用受到限制。而可控硅则可以在一定的输入交流电压下，连续随意地改变输出直流电压的大小，其应用十分广泛。,可控硅的结构为三个pn结的四层元件pnpn，实现可控整流。（原理叙述略）可控硅可用做直流调压电源、直流电机无级调速器、自动控制、触点开关、变频器等，在电子、电工、电机设备中有广泛应用。,(4)、半导体微结构材料及应用 半导体异质结、量子阱和超晶格材料统称为半导体微结构材料。这种材料在自然界

35、中是不存在的，是一种人工微结构材料。它们是微电子、光电子领域的新型功能材料，广泛应用于激光器件、电子器件、光通讯、光计算机等方面。,半导体中自由电子局限于一个平面内运动二维电子气,理论上证明：二维运动电子发射光比体材料三维运动电子发光更集中，更适合做激光器，还有其他应用。,A,B,异质结两种不同半导体材料组成的结,A,B,A,量子阱两个同样异质结背对背,A,B,A,B,B,超晶格两种或以上薄层周期性交替生长。,A,A,A,B,B,衬底,d,A,B,A,A,A,B,B,禁带A,禁带B,(5)、半导体光电效应及其应用 物质受光照射后引起某些电性质变化的现象叫光电效应，包括光电导、光电子发射和光生伏

36、特。光照使半导体材料的电导率升高的现象，称为光电导。原因是，半导体吸收光子引起载流子激发。利用该效应可制成光敏器件、光电摄像管、图像传感器等。半导体或金属中的电子吸收光子克服逸出功而从表面离开的现象，叫做光电子发射。利用光电子发射可制成光电发射管用于光电继电器（自动报警器等）、光电光度计、光电倍增管、电视摄像管等。,在光照射下，半导体pn结两端产生电势差的现象称为光生伏特。光生电动势的大小直接反映了入射光的强度，由此可制成光度计，如照相机的曝光表。利用光伏效应制成的太阳能电池已在航天器上和日常生活中（如太阳能灶、太阳能热水器等）广泛使用，这是一种取之不尽、用之不竭的无污染能源。,(6)、半导体

37、激光器 半导体激光器是一种重要的固体激光器，其特点是体积小、效率高、运行简单便宜。半导体激光器结构很简单，就是一个pn结二极管，在电流正向流动时发激光。我们知道，产生激光需要两个条件，一是实现粒子数反转（材料要有特殊的能带结构和外界激发），二是要有谐振腔。硅和锗不具备发激光的特殊能带结构，而砷化镓、磷化铟、锑化镓等具备产生激光的特殊能带结构（激光波段为近红外，0.84，0.90和1.5m）。外界激发是加上直流电源注入足够浓度的载流子；半导体激光器谐振腔是由垂直于结面的二极管两个侧面作为反射镜（解理产生的两个平行的光滑表面）组成。在阈值电流以下，普通的发光二极管中会引起注入发光，但不会发激光。,

38、半导体激光器是光纤通讯的主要器件，而光纤通讯是未来通信发展的必然趋势，因此半导体激光器的研制倍受关注。半导体材料除上述应用外，还有许多用途，此处不再细讲。,（三）高分子材料,高分子（high polymer,polymer,Macromolecule),又名：高聚物，聚合物，大分子。由许多大分子组成，分子量达104106.,许多相同简单结构单元，通过共价键重复连接而成（分子链）,聚氯乙烯,聚丙烯,n重复单元（聚合度，DP表示）,单体能形成聚合物结构单元的低分子化合物（合成聚合物的原料）,两类聚合物：（1）结构单元、重复单元、单体单元相同（如上）；（2）结构单元与重复单元不同，且与形成聚合物的单

39、体也不同。如尼龙-66.,结构单元,结构单元,重复单元,原料单体,分类与命名,1、按热行为分,热塑性聚合物,加热熔融，冷却凝固成型。反复熔凝，不改变材料的基本性质和结构。如聚丙烯，聚乙烯等等。结构：线型分子结构。,热固性聚合物,成型前：分子量相对较小的线型分子或齐聚物。加热成型后：不溶不熔，不能再成型加工。比热塑性聚合物，耐热性更好。结构：共价键，构成交联三维网络结构,2、按性能用途分,塑料、纤维、橡胶、粘合剂、功能高分子等,塑料,合成树脂为基料，加入（或不加入）助剂、填料而塑制而成的材料（工程塑料、通用塑料）。,橡胶,有可逆形变的高弹性聚合物（天然、合成两种）。,生胶（线型聚合物）经硫化，轻

40、度交联获得所需弹性,纤维,柔韧而纤细的丝状物（天然纤维如棉、麻，化纤）,功能高分子,带有特殊功能基团的聚合物,（四）、陶瓷材料,陶瓷是工程技术中应用广泛的一种材料。所谓陶瓷是指以各种粘土、石英等天然无机物为主要原料成型后在高温窑炉中烧结而成的制品，许多是金属氧化物（属于无机非金属材料）。陶瓷有很多优良的性能，如耐高温、耐磨、耐氧化、耐腐蚀、重量轻、强度高等，其缺点是易碎。陶瓷可分为结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷指具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷。,功能陶瓷指具有电、磁、光、生物功能等方面特殊性能的陶瓷，包括：,导电陶瓷（如氧化锆，碳化硅等）,介电陶瓷（用于制作电容器、电路器件，如钛酸钡）

41、,超导陶瓷（在一定温度下没有电阻）,压电陶瓷（能实现机械能与电能的转换，如钛酸钡）,磁性陶瓷（具有很强的磁性，如四氧化三铁）,透明陶瓷（锆钛酸铅PZT）,气敏陶瓷（不同陶瓷的电阻对不同气体敏感，氧化锡对可燃气体敏感、氧化锆对氧气敏感、氧化钛对汽车排气敏感等）,湿敏陶瓷（电阻对湿度敏感，如氧化锌、氧化铝、氧化钛等）热敏陶瓷（电阻对温度敏感，如钛酸钡、钛酸锶等）压敏陶瓷（对电压敏感的陶瓷，如碳化硅、钛酸锶等）热释电陶瓷（把热信号转变为电信号）电光陶瓷(实现电信号与光信号转换，如钛酸钡、铌酸锂等)磁光陶瓷（实现磁效应与光信号转换）声光陶瓷（实现声信号与光信号转换）生物陶瓷（如制作人工牙齿）等等。,这

42、些功能陶瓷在工业、农业、环保、通讯、军事、航海、航天航空、医学等各个技术领域都有十分广泛的应用，可用来制作各种探测器、传感器（各种信号转换与处理器件）、电子器件等。,压电陶瓷应用：水声、超声换能器（实现电信号与声信号转换），用于发射、接收声波，完成水下观察、通讯、探测；制作电声设备如扬声器；制作高电压发生装置如压电打火器（汽车火花塞、燃气打火器、打火机等）、引燃引爆、压电开关、小型电源、压电变压器；,热释电陶瓷、热敏陶瓷应用：可用于制作温度计、热辐射探测器、红外遥感装置、红外光谱仪等。功能陶瓷的应用不胜枚举。,压电振子对某些频率信号衰减大而对另一些频率衰减小，从而实现滤波，在无线电通讯和测量仪

43、器中有应用；制作力敏传感器、应变仪、血压计、压力计等。,压电陶瓷应用：,（五）、超导材料 许多金属、合金、化合物在温度低于某一临界温度时，电阻完全消失，且成为完全抗磁性物质，这种性质称为超导电性。具有超导电性的材料称为超导体。1911年荷兰低温物理学家H.K.Onnes在研究汞的低温电阻时发现，当温度降到4.2K以下时，汞的电阻突然变为零。这一发现引起了各国科学家的极大兴趣。后来人们陆续发现一些金属、合金和化合物也具有超导性质。超导体在电阻消失前的状态叫正常态，电阻消失后的状态叫超导态。材料由正常态变为超导态的转变温度用Tc表示，称为临界温度。,1、超导体的基本性质（零电阻、完全抗磁性）(1)

44、、零电阻效应与临界参数 所谓零电阻效应是指在临界温度Tc以下，超导体电阻突然消失的现象。为了证明超导态的零电阻现象，有人曾设计过一个实验。把金属环置于磁场中，再撤去磁场，金属环会由于电磁感应而出现电流，由于金属环有电阻，该电流会很快消失。如果把超导圆线圈放在磁场中，然后把温度降到该超导体的临界温度以下，再去掉磁场，该线圈内的感应电流经过两年半的时间，还没有丝毫的衰减。经研究计算这个电流的衰减时间可达10万年以上。正常导体有电阻，维持电流需要能量。,超导体电阻为零，只要电流一经产生，维持电流便不需要能量，因此超导体内部电场强度一定为零。,实验发现，施加足够强的磁场，可以破坏超导态物质的超导电性，

45、使它由超导态变回正常态，恢复电阻。破坏超导态所需的最小磁场强度Hc叫做临界磁场。Hc是温度的函数，可近似表示为,由上式可以看出，在临界温度Tc时，Hc=0。,实验还发现，不加磁场，在超导体中通以足够大的电流也能破坏其超导电性。超导态所允许的最大电流Ic叫做临界电流。要维持超导态，必须将超导体置于三个临界值Tc、Hc和Ic之下，其中任何一个条件被破坏，超导电性随即丧失。三个临界值中，Tc、Hc与材料的电子结构有关，是材料的本征参数；Hc和Ic彼此有关，且都是温度的函数。,有的超导体（Nb3Sn）有两个临界磁场：下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2。当磁场小于Hc1时，超导体处于超导态；当磁场大于H

46、c2时，超导体恢复正常态；当磁场介于Hc1和Hc2之间时，超导体处于“混合态”，即一部分区域处于超导态，其余部分处于正常态。为了区别，称只有一个临界磁场的超导体为第一类超导体；称有两个临界磁场的超导体为第二类超导体。,(2)、迈斯纳效应,零电阻是超导态的特性之一，然而理想导体同样具有零电阻。由电磁学理论可以证明，理想导体内的磁场为常量，可能为零，也可能不为零，与初始条件或“历史”有关。,这就是说，如果先降温至无电阻的理想导体状态，加上磁场后又去掉磁场，则内部无磁场；如果先加磁场在降温至理想导体后去掉磁场，则在体内会保持不变的不为零的磁场。1933年德国的迈斯纳(W.Meissner)等人通过实

47、验否认了超导体是理想导体的说法，不管初始条件或“历史”如何，在超导状态下，超导体内部的磁感应强度恒为零，这就是迈斯纳效应。,超导体表面电流的磁场总能够完全抵消体内的外磁场，从而使体内磁场为零。迈斯纳效应表明超导体和理想导体有本质区别。所以零电阻效应和迈斯纳效应是超导体的两个独立的基本特性。,2、BCS理论超导的理论解释*,按照经典理论，金属电阻是晶格上离子热振动对定向运动的电子碰撞的结果。只有绝对零度时，在离子没有热振动的完整晶体中，电子才能在离子行间直线运动而不受碰撞，电阻才为零。,按照量子力学对电阻的最初解释，电子具有波动性，只有在无热振动的完整晶体中，电子波可以不受任何散射地传播，才没有

48、电阻。如果点阵排列有缺陷，或晶格离子热振动都将使电子波散射而传播受阻，便出现电阻。只有在绝对零度时，完整晶体的晶格热振动消失，电阻才为零。所以，无论是经典理论，还是量子力学的最初解释，都不能说明绝对零度以上的零电阻现象。,自超导现象发现以来，物理学家们便致力于寻求其理论解释，先后提出了二流体模型、伦敦方程、金兹堡-郎道方程等唯象理论，但这些理论都没能指出产生超导电性的微观物理机制。1957年，美国物理学家巴丁(Bardeen，1908-1991)、库柏(Cooper，1930-)、施瑞弗(Schrieffer，1931-)建立了超导电性量子理论，即BCS超导微观理论。BCS理论的核心思想是超导

49、体中电子形成了“库柏对”。,金属中的电子并不是完全自由的，它会对周围晶格正离子产生吸引作用，邻近局部正电荷向电子微微靠拢而相对集中，又会吸引其它电子，其总效果是一个电子对另一个电子产生小的吸引力，如图所示。正常状态下，这种吸引力极小，不会引起任何效果。但当温度低于Tc时，热运动几乎消失，这种吸引力就能使两个电子结合成对，称为库柏对。,图 电子使正离子位移从而吸引其它电子,库柏对由两个动量完全相反的电子组成，按照经典理论，这两个电子会沿相反方向分离；而根据量子理论，两个动量等大反向、自旋相反的电子结合成对时能量最低，是最稳定的。电子对中一个电子如果受晶格碰撞而改变动量，另一个电子同样会受到晶格碰

50、撞而发生相反的动量改变，结果是电子对总动量不变，所以晶格不会影响库柏对的运动，宏观上表现为零电阻。大量库柏对的出现就是超导态的形成。,BCS理论不仅能解释超导态的零电阻现象，而且能解释迈纳斯效应、超导体比热、临界磁场、临界温度、超导能隙等与低温超导相关的各种实验事实，并包含了此前的各种唯象理论，清楚地揭示了超导电性的微观本质。巴丁、库柏、施瑞弗因此荣获了1972年的诺贝尔物理奖。,3、约瑟夫森效应*,20世纪60年代超导研究的另一项突破性进展是在弱连接超导体中发现了约瑟夫森效应。,所谓弱连接超导体是在两块超导体中间夹一层纳米厚度的绝缘膜，如图所示。,当一个小于Ic的电流从一个超导体流向另一个超