[材料科学]材料的功能性.pptVIP

第10章 材料的功能特性 固体材料从性能角度大体可分成两类：结构材料和功能材料。结构材料是以其强度和韧性为主要应用指标，而功能材料是以其某一的特殊功能性，如电性能，热性能，磁性能或光性能等为主要应用指标。功能材料的性能与结构材料不同，取决于原子中的电子结构和电子的运动(旋转、散射、激发和跃迁等)，而结构材料的性能不涉及电子的运动，取决于原子间的键合（如金属键，离子键，共价键，氢键等）和微观结构（包括晶体结构、晶粒尺寸、组织形态、位错亚结构和第二相特性等）。因此，本章将对材料功能特性的固体物理基础进行简单的讲解，注重论述功能材料的电、热、磁和光行为的表现描述、起因和影响因素。 10.1 功能材料的物理基础概述 10.1. 能带理论 能带理论是目前研究固体中电子运动的一个主要理论基础。对固体而言，主要涉及能带而不是每个原子中的能级。 1.单个原子中电子处在分离的能级（energy level)上，根据泡利不相容原理（Pauli exclusion principle)每个能级只含有二个电子； 例如，单原子的2s能级包含一个能级和2个电子；2p能级含有3个能级，共有6个电子。 2. 由N个原子组成的固体,泡利原理仍要求在固体中只有两个电子具有同样的能量。不同分裂的电子能级集合形成能量连续的能带（energy band)，而且，每个能带中含有N个分裂的能级和2N个电子。 例如：在固体中，2s能带含有N个分离的能级和2N个电子； 3个2p能带中含有3N能级和6N电子。该规律如图所示。 10.1 功能材料的物理基础概述 10．1．1 能带理论 10．1．1 能带理论 图显示出钠能带结构的理想图，钠具有1s22s22p63s1的电子结构。能带内的能量取决于原子的间距，图中垂线表示固体钠当中平衡原子间距。3s能级是价带，空的3s能级与3s能带之间被能隙分开，它形成导带。在钠的3s价带的一半被电子占据。在绝对零度下，仅仅最低能级被占据，其中最高的能级能量就是费密能。 与经典电子论不同，密度比一般气体分子高104倍的自由电子服从费米—狄拉克(Fermi-Dirac)?分布，即在热平衡情况下自由电子处于能量状态E的几率为 所谓材料的电性能就是它们对外电场的响应。我们从电导的表象描述开始，然后论述电导的机制和材料的电子能带结构如何影响它的电导能力。这些原理扩展到金属、半导体和绝缘体，注重是半导体的特征，也涉及绝缘材料的介电性质。 固体材料最重要的电性能之一是容易传送电流。 欧姆定理把电流与外加电压相连系： V=IR (10－2) 式中 R为电阻。V和I分别为外加电压和电流。电阻受样品形状影响，而对于大多数材料而言，它独立于电流。电阻率是与样品几何形状无关，但通过下式与电阻相关： ρ=RA/l (10－3) 式中l 是电压测量两端间的距离，A是垂直于电流方向的横截面积。从欧姆定理和上式可得： ρ=VA/Il (10－4) 有时用电导率来描述材料的电特性，它与电阻率成反比，即 固体材料呈现令人惊讶的电导率变化范围，最高可超过27个数量级。固体材料的一种分类方法就是根据它们的导电难易程度分为三类： 导体，半导体和绝缘体。 电流起因于电荷粒子的运动，它是对外电场作用力的响应。正的电荷粒子沿电场方向加速运动，负的电荷则沿相反方向加速运动，在极大多数材料中，电流是由电子的流动所引起，这称为电子传导。除此外， 对于离子材料，离子的净运动可能产生电流，这种情况称为离子传导。本节只讨论电子传导。 10．2．2 基于能带理论的传导 仅当具有能量大于费密能的电子可以被电场所作用, 这些参加导电过程的电子称为自由电子。在半导体和绝缘体中发现了另一种电荷电子缺位，称为空穴。空穴具有小于费密能的能量，也参加电子的传导。因此，电导率是自由电子和空穴数目的函数。 而且， 导体和非导体（半导体， 绝缘体）的区别就在于自由电子和空穴的数目。 在金属中要成为自由的电子，它必须被激发到高于EF的能态。对于具有任何一种能带结构的金属，如图10－3所示，在EF最高填充态附近存在空态. 因此, 只需极小能量就可激发电子进入低位空态,由电场提供的能量通常足够激发大量电跃迁入低位空态进行电传导。 对于绝缘体和半导体,不存在临近满价