第3章材料化学资料.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 电子受激吸收光子而越过禁带； 电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光； 所以，只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。 光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换过程。 材料对光的吸收机理 禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波，但吸收机理不是激发电子从价带跃迁到导带，而是因其杂质在禁带中引进了附加能级，使电子能够吸收光子后实现从价带到受主能级或从施主能级到导带的跃迁。 研究物质的吸收特性发现，任何物质都只对特定的波长范围表现为透明，而对另一些波长范围则不透明。金属对光能吸收很强烈。这是因为金属的价电子处于未满带，吸收光子后即呈激发态，用不着跃迁到导带即能发生碰撞而发热。在电磁波谱的可见光区，金属和半导体的吸收系数都是很大的。但是电介质材料、包括玻璃、陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区内都有良好的透过性，也就是说吸收系数很小。这是因为电介质材料的价电子所处的能带是填满了的。它不能吸收光子而白由运动，而光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带，所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。 光的吸收与波长的关系 金属、半导体和电介质的吸收率（系数）随波长的变化 吸收系数α越大，表明吸收越强烈，透光率越低 3.1ev 除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。 在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为均匀吸收；但在3.5—5.0μm的红外光，石英表现为强烈吸收，且吸收率随波长的变化剧烈变化，这种同一物质对不同波长的吸收系数变化的现象为选择吸收。 均匀吸收和选择吸收 普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线、紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。 在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透明的石英制作。 实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定的透光极限。任何物质都有这两种形式的吸收（一般吸收和选择吸收）只是出现的波长范围不同而已。 * * Optical property 金属材料：强反射（金属光泽）； 电子吸收光能后激发到较高能态，随即又以光波的形式释放出能量回到低能态 无机非金属材料：主要受介质的折射率差影响； 当光线从一种介质入射另一种介质时，介质的折射率差别越大，反射就越强。 材料的折射率受其结构影响 单位体积中原子的数目越多，或结构越紧密，则光波传播受影响越大，从而折射率越大。 原子半径越大(极化率大），折射率就越大。 光的反射和折射 * * 几种金属材料的反射率随光波波长变化曲线 * * Optical property 金属材料：颜色取决于其反射光的波长； 无机非金属材料：颜色通常与光吸收特性有关； 材料的颜色 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * Electrical property 电阻： 电阻率：? 电导率：? = 1/? ? = nZe? 要增加材料的导电性，关键是增大单位体积内载流子的数目（n）和使载流子更易于流动（增大? 值）。 载流子密度 载流子的电荷数 载流子迁移率 欧姆定律： V=IR 电阻率单位：Ω?m 电导率单位：S/m Electrical property 能带理论（Band Theory） 能带的形成 材料的导电性与材料中的电子运动密切相关，能带理论是研究固体中电子运动规律的一种近似理论。 * * Electrical property 能带结构 * * Electrical property 各种材料的能带结构 超导体 定义：在某些材料中，在一定的条件下（温度，磁场，压力），当温度降低到某个临界值Tc时，电阻率突然下降为0，这种现象为超导态。 1911年，Onnes发现水银在4.2K附近，电阻小于10-25Ω cm. 1913年： Onnes在诺贝尔领奖演说中指出：低温下金属电阻的消失“不是逐渐的，而是突然的”，水银在4．2K进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可以称为超导态” 离子化合物和高分子材料通常导电性很低，作为绝缘材料 使用，但一些无机陶瓷在低温下表现出超导性。 * 材料可按其对外电场的响应方式区分为两类： 一类以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响应，称为导电材料； 另一类以感应的方式对外电场作出响应，即沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，