功能材料及其应用复习资料 - 图文

绪论

功能材料的定义：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

? 结合键：原子（离子或分子）间的作用力。 ? 结合键分类：

化学键：离子键、共价键、金属键 物理键：分子键、氢键。

晶胞的定义：在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的小平行六面体，反映晶格特征的最小几何单元。

整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。

晶胞三条棱边的边长a、b、c及晶轴之间的夹角α、β、γ称为晶胞参数 晶系：根据晶胞的外形，即棱边长度之间的关系和晶轴夹角的情况,将晶体分为七大晶系。

1848年，法国晶体学家布拉菲（A. Bravais）用数学方法证明只能有14种空间点阵。a. 简单晶胞：7个 只有在每个角上含有阵点

b. 复合晶胞：7个 除了每个角外，晶胞内部或面上还含有阵点

第一章 导电材料 复习

导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电材料两大类。

电子导电材料的导电起源于电子的运动。电子导电材料包括导体、超导体和半导体。导体的电导率≥105 S/m, 超导体的电导率为无限大 ( 在温度小于临界温度时 ), 半导体的电导率为 10－7～104S/m 。当材料的电导率 ≤10－7S/m 时 , 就认为该材料基本上不能导电 , 而称为绝缘体。

离子导电材料的导电机理则主要是起源于离子的运动 , 由于离子的运动速度远小于电子的运动速度 , 因此其电导率也远小于电子导电材料的电导率 , 目前最高不超过 102S/m, 大多都 在100S/m 以下。

导体的能带结构所示有三种结构 ：(a) 类有未充满的能带 , 能带间相互重叠 , 无禁带 ；(b) 类价电子充满下面的能带 , 上面紧接着另一个空能带 , 无禁带；(c) 类有未充满的能带 , 该能带与上面的空带间有禁带。但是不论何种结构 , 导体中均存在电子运动的通道即导带。 (a) 类的导带由未满带、 重带和空带构成，(b) 类的导带由空带构成，(c) 类的导带由未满带构成。电子进入导带运动均不需能带间跃迁。

导体中的散射中心有两类 : 一类是晶格原子的热振动 , 与温度 T 有关 ; 另一类是晶格缺陷 , 无相变时 , 一般与温度无关。不论何种温度 , 电阻率ρ均随温度升高而升高。相反 , 电导率σ随温

度升高而降低 , 这也是导体的一个特征。

1911 年Onnes HK 在研究极低温度下金属导电性时发现 , 当温度降到4.20 K 时 , 汞的电阻率突然降到接近于零。这种现象称为汞的超导现象。某些金属 , 金属化合物及合金 , 当温度低到一定程度时 , 电阻突然消失 , 把这种处于零电阻的状态叫做超导态 , 有超导态存在的导体叫做超导体。超导体从正常态 ( 电阻态 ) 过渡到超导态 ( 零电阻态 ) 的转变叫做正常－超导转变 , 转变时的温度 Tc 称为这种超导体的临界温度。

揭示出超导电性的微观本质的理论是由巴丁、库柏和施里弗三人建立的BCS理论(Bardeen、Cooper 和 Schrieffer) 。BCS 理论认为 , 在绝对零度下 , 对于超导态、低能量的电子 ( 在费米球内部深处的电子 ) 仍与在正常态中的一样。但在费米面附近的电子 , 则在吸引力的作用下 , 按相反的动量和自旋全部两两结合成库柏对、这些库柏对可以理解为凝聚的超导电子。从动量角度看 , 在超导基态中 , 各库柏对单个电子的动量可以不同 , 但每个库柏对总是涉及各个总动量为零的对态 , 因此 , 所有库柏对都凝聚在零动量上。

当正常的金属载流时 , 将会出现电阻 , 因为电子会受到散射而改变动量 , 使载流子沿电场方向的自由加速受到阻碍。而在超导体情况下 , 组成库柏对的电子虽然会受到不断地散射 , 但是 , 由于在散射过程中 , 库柏对的总动量维持不变 , 所以电流没有变化 , 呈无阻状态。

本征半导体能带结构：下面是价带 , 由于纯半导体的原子在绝

对零度时 ,其价带是充满电子的 , 因此是一个满价带。上面是导带 , 而导带是空的。满价带和空导带之间是禁带 , 由于它的价电子和原子结合得不太紧 , 其禁带宽度 Eg 比较窄 , 一般在 1eV 左右。价带中的电子受能量激发后 , 如果激发能大于Eg , 电子可从价带跃迁到导带上 , 同时在价带中留下一个空穴 , 空穴能量等于激发前电子的能量。

半导体价带中的电子受激发后从满价带跃迁到空导带中 , 跃迁电子可在导带中自由运动 , 传导电子的负电荷。同时 , 在满价带中留下空穴 , 空穴带正电荷 , 在价带中空穴可按电子运动相反的方向运动而传导正电荷。因此 , 半导体的导电来源于电子和空穴的运动 , 电子和空穴都是半导体中导电的载流子。激发既可以是热激发 , 也可以是非热激发 , 通过激发 , 半导体中产生载流子 , 从而导电。

可分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体又可分为本征半导体和杂质半导体。化合物半导体又可分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种半导体。

按掺杂原子的价电子数分可分为施主型 ( 又叫电子型或 n 型 ) 和受主型 ( 又叫空穴型或 p 型 ) 。前者掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子 , 后者正好相反。

按晶态分可分为结晶、微晶和非晶半导体。

半导体中价带上的电子借助于热、电、磁等方式激发到导带叫本征激发。满足本征激发的半导体叫本征半导体。本征半导体是高纯度 ,

无缺陷的元素半导体 , 其杂质小于十亿分之一个。

利用将杂质元素掺入纯元素中 , 把电子从杂质能级(带)激发到导带上或者把电子从价带激发到杂质能级上 , 从而在价带中产生空穴的激发叫非本征激发或杂质激发。这种半导体叫杂质半导体。

杂质半导体本身也都存在本征激发 , 因此杂质半导体有杂质激

发 , 又有本征激发。一般杂质半导体中掺杂杂质的浓度很小 , 如十亿分之一即可达到目的。

Ⅳ A 族元素(C,Si,Ge,Sn) 中掺以Ⅴ A 族元素 (P,As, Sb ,Bi)

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