材料科学基础(固体结构之一)优秀课件.ppt

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1、材料科学基础(固体结构之一)第1页，本讲稿共21页vWhat:化学成份 形成方法(工艺)结构：电子结构(能带结构),晶体结构 形成方法(工艺)显微组织：原子团的组合状态 材料性能：物性、力性、化学性能等 制备技术 元器件性能：例如晶体管的特性曲线等 装配技术 电器整机性能：例如电视机、收录机等的特性 what第2页，本讲稿共21页Why：v元器件的发展趋势：微型化 集成化 多功能化 使用方便v制作特点：材料的深度加工 与器件制备同时进行 PN+insulatorGate(metal)第3页，本讲稿共21页How:v掌握知识结构，把握每一章乃至整门课的基本思路和方法v理解地记忆v比较地学习v预习

2、、听课、复习v独立完成作业v考核方法第4页，本讲稿共21页第一章 材料结构的基本知识v原子结构与原子间的键合v晶体结构：金属晶体结构 离子晶体结构 共价晶体结构 组合v晶体缺陷：点缺陷 线缺陷 面缺陷v晶体材料的组织:单晶与多晶 单相与多相第5页，本讲稿共21页1-1 原子结构原子结构 Atom Structure物质(Substance)是由原子（atom）组成原子的电子结构原子间键合本质 决定材料分类：金属 陶瓷 高分子决定材料性能(物,化,力学)三大要素:化学成份(原子间键合),原子排列情况(结构),原子团组合情况(显微组织)一、物质的组成（Substance Construction）

3、物质由无数微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万原子（Atom）：化学变化中最小微粒第6页，本讲稿共21页二、原子的结构二、原子的结构v18791879年年 J.J Thomson J.J Thomson 发现电子（发现电子（electron),electron),揭示了原子内部秘密揭示了原子内部秘密v19111911年年 E.RutherfordE.Rutherford提出原子结构有核模型提出原子结构有核模型v19131913年年 N.BohrN.Bohr将将 vBohr ato

4、mic modelBohr atomic model 第7页，本讲稿共21页v核外电子的排布（electron configuration)规律v描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum quantum numbersnumbers）表示表示第8页，本讲稿共21页三、元素周期表元素周期表（periodic Table of the Elements)v元素（元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是划分种，核电荷数是划分元素的依据元素的依据v同位素（同位

5、素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子 v v元素有两种存在状态：游离态和化合态（元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State&Combined Form)v7个横行（个横行（Horizontal rows)周期（周期（period）按原子序数（）按原子序数（Atomic Number)递增的顺序从左递增的顺序从左至右排列至右排列v18个纵行（个纵行（column）16族（族（Group），），7个主族、个主族、7个副族、个副族、1个个族、族、1个零族（个零族（Inert Gases）最外层的电子数相同，按

6、电子壳层数递增的顺序从上而下排列。）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。原子序数核电荷数原子序数核电荷数 周期序数电子壳层数周期序数电子壳层数主族序数最主族序数最 外外 层层 电电 子子 数数 零族元素最外层电子数为零族元素最外层电子数为8（氦为（氦为2）价电子数价电子数（Valence electron）第9页，本讲稿共21页第10页，本讲稿共21页1-2 原子间的键合原子间的键合 (Bonding type with other atom)(Bonding type with other atom)v(一一)金属键（金属键（Metallic bondingMetalli

7、c bonding）(一次键一次键)典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electronvalence electron）极易）极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子（挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electronFree electron），形成电子云（），形成电子云（electron cloudelectron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键v特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构特点：电子共有化，既无饱和性又无

8、方向性，形成低能量密堆结构v性质：良好导电、导热性能，延展性好性质：良好导电、导热性能，延展性好第11页，本讲稿共21页v(二)离子键（Ionic bonding)(一次键)多数盐类、碱类和金属氧化物v 特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体(熔融状态可导电)v(三)共价键（covalent bonding）(一次键)v 亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料v实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成 v特点：饱和性 配位数较小，方向性（s电子除外）v性质：熔点高、质硬脆、导电能力差 实

9、质：金属原子 带正电的正离子（Cation）非金属原子 带负电的负离子（nion）e 第12页，本讲稿共21页v(四)范德华力（Van der waals bonding)(二次键)v包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force)v属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质 v(五)氢键（Hydrogen bonding）(二次键)极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中，在高分子中占重要地位，氢 原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核 将与近邻分子的负端相互吸引氢桥 介于化学键与物理键

10、之间，具有饱和性第13页，本讲稿共21页结构与性质离子型晶体原子型晶体分子型晶体金属型晶体化学键类型离子键原子键(非极性共价键)分子间作用力(范德华力)金属键典型实例NaCl,CsCl金刚石，晶体硅，单质硼冰H2O干冰CO2各种金属与合金硬度略硬而脆高硬度软较高硬度熔点、沸点、挥发性熔点相对较高，沸点高，一般低挥发性熔点和沸点高，无挥发性低熔点和沸点，高挥发性一般高熔点和沸点导热性不良导体不良导体不良导体良导体导电性固态不良导体，熔或溶态为导体非导体非导体良导体机械加工性不良不良不良良好第14页，本讲稿共21页(六)混合键v形式一:元素之间以多种键合形式结合 例如:C(共价键),Si,Ge,S

11、n,Pb(金属键)金属间化合物:离子键与金属键的混合v形式二:两种类型的键独立地存在 例如:石墨,同层原子以共价键结合,层间以范德华或氢键结合第15页，本讲稿共21页v鲍林公式:(计算AB化合物中离子键结合的比例)第16页，本讲稿共21页 1-3 原子排列方式原子排列方式物质：气态 液态 固态 (等离子态)固态物质：晶体 非晶体 准晶体晶体：原子在空间呈有规则地周期性重复排列；非晶体：原子无规则排列；准晶体：原子在空间呈准周期排列研究方法：X射线衍射法(布拉格定律：2dsin=n)第17页，本讲稿共21页1-4 晶体材料的组织晶体材料的组织v组织：各种晶粒的组合特征，即各种晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分布等特征。晶体的组织比原子结合键及原子排列方式更易随成分及加工工艺而变化，是影响材料性能的敏感结构因素。v组织(金相组织或显微组织)的显示与观察：金相显微镜 电子显微镜(扫描电镜和透射电镜)洛伦磁力或声发射显微镜等第18页，本讲稿共21页v单相组织：具有单一相的组织，即其内所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同，例：纯铁、纯Al2O3等 单晶Si第19页，本讲稿共21页 多晶Cu 多晶硅(A)第20页，本讲稿共21页v多相组织第21页，本讲稿共21页