无机材料的介电性质.ppt

主讲教师：李志成;Outline;无机材料物理基础; 材料的物理性能根本上是由物质结构特性（即化学键的性质、电子结构和晶体结构）决定的 。 了解晶体结构、晶体中原子和电子的状态，有助于分析和研究材料性能参数的物理现象和物理本质；有助于通过理论与计算预测所设计材料的相组分、结构与性能。;晶体的基本特征是结构具有周期性。用空间点阵概括周期性，空间点阵是由R =l1a1+l2a2+l3a3的点的集合组成的点阵。 布喇菲格子的最主要特征是每个格点周围的情况都一样。对于多个原子组成的“分子”，将其看作基元。真实的晶体结构是由点阵+基元构成。 晶体结构的周期性重复单元称为原胞。最小的重复单元是固体原胞。 晶体中的晶面用密勒指数表示。; 根据原胞基矢（a1、a2、a3）定义倒格子基矢量（b1、b2、b3）; 正格子基矢和倒格子基矢的关系;倒格子与正格子间的相互转化（简单单斜点阵在(010)上的投影及部分倒格子点阵）;倒格子与布里渊区;布里渊区（Brillouin Zone） 定义：倒格子空间的维格纳－赛茨原胞。 作由原点出发的诸倒格矢的垂直平分面，这些平面完全封闭形成的最小的多面体（体积最小）------第一布里渊区（如图）。;吸引力：原子间距较大时，吸引起主要作用；吸引作用来源于异性电荷之间的库仑引力。 排斥力：间距较小时，排斥作用起主要作用；作用则来自两个方面：一方面同同性电荷之间的库仑斥力；另一方面是泡利不相容原理所引起的排斥力。 在某一适当的距离r0，两种作用相抵消，使晶体处于稳定状态。;由势能u(r)可以按下式计算互作用力： f(r) = -du(r)/dr 当两原子很靠近时，斥力大于引力，总的作用力f(r) ?0。 当两原子相离比较远时，总的作用力为引力，f(r)?0 ;原子间存在相互作用导致原子形成固体，原子间的这种相互作用称作键。 基本的键有五种类型：离子键、共价键、金属键、范氏键和氢键。前三种是强键，后两种是弱键。 结合力的不同可以将其分成五个典型的结合类型: 离子晶体、原子晶体、金属晶体、分子晶体、氢键晶体; 固体的结合全部归因于电子的负电荷和原子核的正电荷之间的静电吸引作用。但不同类型，表现形式不同。 离子键是由异性离子的静电吸引而形成；共价键是反平行自旋的交叠电子，通过静电吸引束缚与它们关联的离子而形成；金属键是靠负电子云同正离子实间的库仑力形成；;格波;格波波长:;相邻原子位相差举例说明; -?/2a, 0 ?/2a q;? 复式格子两种格波的振动频率， ?-—支格波的频率总比?+—支的低。 ? ?+支格波：光学支格波（光学波）可以用红外光来激发； ? ?-支格波：声频支格波（声学波），可以用超声波来激发。;晶格振动是晶体中诸原子（离子）集体在作振动，其结果表现为晶格中的格波。 声子----晶格振动中的独立简谐振子的能量量子。;—— 声子是一种元激发，可与电子或光子发生作用;无机材料的热学性能;无机材料的电导性质;微观上搬运电荷的自由粒子称为载流子。 物质中只要存在载流子，就可在电场在作用下产生导电电流。 载流子种类： ①电子或空穴——电子导电 ②离子（正离子、负离子及其空位）——离子导电 电介质陶瓷主要是离子导电；离子载流子的运动伴随着明显的质量迁移，有的可能发生氧化还原反应而产生新的物质。 半导体陶瓷、导电材料、超导电材料主要呈现电子导电。;载流子的物理特征 (1) 霍尔效应：电子电导的特征是具有霍尔效应。沿试样x轴方向通入电流I（电流效应Jx），Z轴方向加一磁场Hz，那么在y轴方向将产生一电场Ey，这一现象称为霍尔效应。 (2) 电解效应：离子电导的特征是存在电解效应。离子的迁移伴随着一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产生新的物质，这就是电解现象。遵循法拉第定律（M=KQ=KIt） ;载流子的迁移率：载流子在单位电场中的迁移速度。 设单位截面积内载流子浓度为n、每个载流子的荷电量为q，则参加导电的自由电荷的浓度为nq。当电场E作用于该材料上时，作用于每个载流子的电场力为qE，电荷在这个力的作用下发生漂移，其平均速率为v。 则电流密度为 J=nqv 根据欧姆定律得到电导率为 σ=J/E=nqv/E;电导率为 σ=J/E=nqv/E 引入载流子的迁移率概念 μ=v/E 则得出： 电导