功能材料性能与检测方法复习进程.doc

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1、第一章 功能材料的简介及其分类一、 功能材料的发展与现状图1-1 功能材料的发展概况近年来功能材料快速发展的动力： (1)新的科学理论和现象的发现 (2)新材料制备技术的发展 (3)新的工程与技术的需要 二、 功能材料的定义及分类利用材料的物理、化学与生物学等性能制造具有电、磁、光、声、热、生物等功能器件的材料，统称为功能材料。如光学材料、电子材料、磁学材料等。定义：具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学等功能及其相互转换功能，被用于非结构目的的高技术材料。功能材料分类：(1) 按物理属性分类l 金属功能材料l 无机非金属功能材料l 有机功能材料l 复合功能材料(2) 按功

2、能特性分类l 磁学功能材料l 电学功能材料l 光学功能材料l 声学功能材料l 热学功能材料l 力学功能材料l 生物医学功能材料(3) 按应用领域分类l 仪表仪器材料l 传感器材料l 电子材料l 电信材料l 储氢材料l 储能材料l 形状记忆材料三、 功能材料的特点l 微观结构方面：超低缺陷密度、结构精细、纯度高l 在性能方面：功能材料以材料的电、磁、声、光等物理、化学和生物学特性为主l 在用途方面：功能材料制备成元器件，材料与器件一体化l 在制造技术方面：多学科交叉、技术含量高、品种多、批量小、更新快第二章 材料的物理性能一、 量子特征1. 波粒二象性图1-2 电子与光的关系 电子的波粒二象性假

3、说(法国科学家德布罗意)： 与一个动量为p、能量为E的粒子相联系的单色场的波长或频率，可以通过普朗克常数相联系：=h/p, =E/h。称为德布罗意波长。 采用波数k=2/和角频率=2,并定义一个新常数F=h/2=1.054410-34J.s，可以得到：P=Fk, E=F 结论：光与粒子的动力学性质（动量和能量），可以统一表述。例：动能E=eV的电子德布罗意波长为：(1)具有能量是102-105eV能量的电子，其德布罗意波长为0.001-0.1nm (1nm=10)(2)热中子德布罗意波长为0.185nm，与X射线波长相近。 即：电子衍射与中子衍射都可用于晶体衍射实验。因此可以用一个延伸到整个空

4、间的恒定振幅的谐波(物质波x)来表示一个具有精确动量（p）的自由粒子。（海森伯不确定原理：粒子的位置不确定度x与动量不确定度p不能同时准确测知）不确定原理的表示方法决定材料物性的主导因素：1 原子系统（经典粒子）：反映位置序或粒子序（性）的效应；2 电子系统（量子力学特征）：反应动量序或德布罗意波序（性）的效应。通常，根据体系尺寸或粒子的平均间距a来确定：当a，粒子序为主；德布罗意波长为温度的函数，可用简并温度T0来表征。，当TT0时，粒子序为主导；当TT0时，波序占主导地位。得到结论：电子系统行为多反应波序的效应；原子系统多反应粒子序。例：(1)电子系统：以原子间距为特征尺度a，电子质量为1

5、0-27g，可以计算出简并温度T0约104K。即T T0，电子系统反应出波序的效应。(2)原子系统：原子质量为电子质量的103倍以上， T0约20K，对凝聚态物质，粒子序占主导。(3)氦元素的T0约5K，其液化温度很低，表现出超流动性，存在量子力学现象。2. 经典统计与量子统计 表征材料宏观物理性质的方法：给定系统的物理条件（粒子数、总能量），就有一最可几配分，达到这个配分时，就说这个系统处于统计平衡，可以用这个统计平衡值表征材料宏观的物理性质。主要统计方法l 经典统计：麦克斯韦-玻耳兹曼分布律-粒子性占主导的系统；系统由全同的但可区别的粒子所组成。全同粒子：指具有相同结构和组成；可区别：指在

6、原则上有确定的轨迹可跟踪。不可区别：只能区别每个能级上的多少粒子，但不能区分是哪几个。l 量子统计：波动性占主导的系统；系统由全同的并且是不可区分的粒子组成。量子统计中：l 遵从泡利不相容原理时，两个粒子不能处于同一量子态Ei，系统的波函数必然是反对称的，满足这些要求的粒子为费米子，它遵从费米-狄拉克统计；在费米子系统中，单粒子态Ei的平均占有数为费米狄拉克分布：对于单粒子能级分布非常稠密的情形采用单粒子态密度的概念，态密度分布遵守费米分布函数：式中：EF为化学势，常称为费米能，表示该系统中费米子的最大能量。p 零温度下，粒子只占有最下面的资用能级，直到费米能EF的。p 在较高温度时，较低能量

7、的态通过吸收能量从而转移到能量大于EF的态。p 对于KBTS），如图2-15。半导体的费米能级高，则电子将由半导体流向金属，在半导体表面留下带正电的离化施主，形成一层带正电的空间电荷层，与金属表面的负电荷形成电场，电场方向由半导体指向金属。空间电荷层的电势使半导体表面能带弯曲，当能带弯曲到半导体的费米能级与金属费米能级相平时，由半导体向金属的电子流动停止，系统达到平衡。图2-15 金属与N型半导体的整流接触半导体侧，表面能带高于体内，形成一表面势垒，表面势垒高度qVS为接触前金属和半导体的费米能级之差：；金属侧，表面势垒高度为：，其中为半导体亲和能，它与半导体导带底与真空电子能级之间的能量差。

8、(2) 金属接负时，金属侧电子势能升高，费米能级EFM上升；半导体侧电子势能升高，费米能级EFS降低，能带弯曲加强，表面势垒的高度和宽度增加，只会有很小的电流流过，如图2-16、2-17所示。 图2-16 偏压下的金属-半导体接触 图2-17 金属-半导体整流接触的伏安特性(a)反向偏压 (b)正向偏压(3) 金属接正时，金属侧电子势能降低，费米能级EFM降低；半导体侧电子势能升高，费米能级EFS上升，能带弯曲减弱，表面势垒的高度和宽度随偏压增大而减小，电流随偏压增大而迅速加大，如图2-16、2-17所示。金属与半导体M-S的伏安特性可以表示如下：因为金属侧界面势垒高度是固定的，半导体侧界面势

9、垒随偏压会改变，所以流过界面的总电流密度为：式中：C=qCSM，为半导体流向金属的电流密度系数。l 金属的功函数M小于半导体材料的功函数S（MS），如图2-18所示。由于金属的费米能级较高，电子将从金属流向半导体，使金属表面缺少电子，带正电；半导体表面积累电子，带负电，半导体体内电子势能升高，费米能级上升，当半导体与金属费米能级相平时，系统达到平衡。此时，半导体表面的能带向下弯曲，表面形成高电导的电子积累层，金属与半导体界面没有势垒，没有载流子耗尽层。无论偏压极性如何，电流可以无阻挡通过。此时金属与半导体的接触称为欧姆接触。实际半导体材料表面态很高，与金属接触会形成势垒，可以通过高掺杂表面形成

10、欧姆接触。对于P型半导体材料l 金属的功函数M小于半导体材料的功函数S（MS），形成欧姆接触 M-S结与P-N结具有相似的整流特性，但响应速度更快，具有良好的散热作用，适合大功率器件。图2-18 金属与N型半导体的欧欧姆接触八、 光电效应（太阳能电池）l 光电导效应光激发的电子与空穴对：当光子能量大于禁带宽度的光照射在半导体材料上时，价带电子吸收光子能量跃迁到导带，产生电子与空穴对。光生载流子是由光子注入产生的非平衡载流子，可使材料的电导率升高。光照引起的附加电导率：用途：光敏电阻非平衡载流子寿命是半导体的重要参数。它决定光照停止后半导体的电导恢复到平衡数值所需要的时间，这会直接影响其响应速度

11、。l 光伏效应当光子能量大于禁带宽度的光照射到P-N结上时，同样也会产生光生电子空穴。 由于P-N结空间电荷层有自建电场存在，在该电场作用下，光生电子被扫向N型区，光生空穴被扫向P型区，从而产生光生伏特效应。如图2-19如示。光生伏特电压的极性，P型为正，N型为负，相当于在PN结上加了正向偏压。在其他条件一定的情况下，光生电动势的大小直接可以反应入射光的强度。用途：光度计、光电池（太阳能电池）太阳能电池：只有靠近势垒区在空穴扩散长度Lp范围内n型区中的光生空穴和在电子扩散长度Ln范围内P型区中的光生电子能扩散到势垒区，其光生电流密度为：式中：S平均表示扩散长度内光生载流子的平均产生率。为提高光电转换效率，将P型区设计很薄（1um）。通常所用材料的太阳能电池转换效率为：单晶硅14%（最高20%-24%）；多晶硅6%-8%。 图2-19 P-N结光伏效应 图2-20 太阳能电池的结构(a) 无光照 (b)光照激发 示意图和能带图第四章 能源转换与储存材料的