材料物理基础课.pptx

第一讲第一讲 绪论绪论1.1材料物理学的定义材料物理学的定义1.3材料物理学的研究范围材料物理学的研究范围1.2材料物理学的特点材料物理学的特点1.4材料物理学的研究手段材料物理学的研究手段材料物理材料物理材料物理是研究物质的材料物理是研究物质的微观结构、组织微观结构、组织形式、运动状态、物理性能、化学成形式、运动状态、物理性能、化学成分分以及它们之间相互关系的学科。以及它们之间相互关系的学科。材料物理是物理学和材料学之间的交叉学科。材料物理是物理学和材料学之间的交叉学科。1.1材料物理学的定义材料物理学的定义它旨在利用物理中的一些学科的成果来阐明它旨在利用物理中的一些学科的成果来阐明材料中的种种规律和转变过程。材料中的种种规律和转变过程。材料性能物理学模型物理学概念、原理等物理物理科学科学材料材料科学科学材料材料物理物理1.1材料物理学的定义材料物理学的定义从物理学的一些基本概念、基本原理、基本定律出从物理学的一些基本概念、基本原理、基本定律出发，并建立相应的物理模型，力图阐述材料本身的发，并建立相应的物理模型，力图阐述材料本身的结构、性质和它们在各种外界条件下发生的变化及结构、性质和它们在各种外界条件下发生的变化及其变化规律，得出结论，进而指导材料的生产和科其变化规律，得出结论，进而指导材料的生产和科学研究。学研究。能源材料能源材料金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料光电材料光电材料有机高分子材料有机高分子材料智能材料智能材料生物材料生物材料生态环境材料生态环境材料复合材料复合材料单晶单晶多晶多晶非晶非晶准晶准晶液晶液晶建筑材料建筑材料航空航天材料航空航天材料结构材料结构材料功能材料功能材料信息材料信息材料1.1材料物理学的定义材料物理学的定义材料种类繁多材料种类繁多传感器件传感器件半导体芯片半导体芯片半导体技术半导体技术液晶材料液晶材料光学材料光学材料金属材料金属材料磁性材料磁性材料移动通讯移动通讯数码拍照数码拍照拍照功能拍照功能显示功能显示功能金属外壳金属外壳信号接受信号接受对话功能对话功能电子线路电子线路照片存储照片存储功能材料功能材料介电材料介电材料1.1材料物理学的定义材料物理学的定义材料无处不在材料无处不在“新材料新材料”与与“高技术高技术”。所谓所谓“新材料新材料”，就是那些新出现或已在发展中，就是那些新出现或已在发展中的，在成分、组织、结构、形态等方面不同于普的，在成分、组织、结构、形态等方面不同于普通材料，具有传统材料所不具备的优异性能和特通材料，具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。殊功能的材料。所谓所谓“高技术高技术”，就是采用新材料、新工艺，产，就是采用新材料、新工艺，产生更高效益，能促进人类社会更快进步的技术。生更高效益，能促进人类社会更快进步的技术。高技术引入大量新材料，二者相辅相成。其中一个高技术引入大量新材料，二者相辅相成。其中一个最突出的例子是：半导体材料及大规模集成电路技最突出的例子是：半导体材料及大规模集成电路技术的不断突破，使电子计算机的体积越来越小，能术的不断突破，使电子计算机的体积越来越小，能力却成千上万倍地提高。力却成千上万倍地提高。1.1.1材料是社会进步的物质基础与先导。材料是社会进步的物质基础与先导。人类的历史曾以使用的主要材料来加以划分人类的历史曾以使用的主要材料来加以划分，如如石器时代石器时代、青铜器时代青铜器时代、铁器铁器(钢铁钢铁)时代时代等等。等等。目前人类正进人信息社会，材料、能源和信息技目前人类正进人信息社会，材料、能源和信息技术是当前国际公认的新技术革命的二大支柱。术是当前国际公认的新技术革命的二大支柱。1.1材料物理学的定义材料物理学的定义材料科学的形成是金属材料、无机非金属材材料科学的形成是金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料各学科发展过程的殊途料、有机高分子材料各学科发展过程的殊途同归。也就是说，构成工程材料的结构材料同归。也就是说，构成工程材料的结构材料和功能材料有着共同的学科基础，这个学科和功能材料有着共同的学科基础，这个学科就是材料科学。显然，材料科学已成为一门就是材料科学。显然，材料科学已成为一门独立的学科以及各组成学科的聚集体。独立的学科以及各组成学科的聚集体。材料种类类型、材料加工工艺以及各种材材料种类类型、材料加工工艺以及各种材料之间相互有机联系而形成的材料科学，料之间相互有机联系而形成的材料科学，就广义而言，三者构成了材料学。就广义而言，三者构成了材料学。1.1.2材料的分类材料的分类材料可分为材料可分为单晶、多晶、非晶、准晶和液晶单晶、多晶、非晶、准晶和液晶 材料则可分为材料则可分为无机材料与有机材料无机材料与有机材料。材料可分为材料可分为信息材料、能源材料、生物材料、建筑信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、航空航天材料材料、航空航天材料等。等。材料可分为材料可分为结构材料和功能材料结构材料和功能材料。按状态分按状态分，从化学的角度，从化学的角度，从应用来看，从应用来看，根据材料的用途，根据材料的用途，1.1材料物理学的定义材料物理学的定义材料有共通性材料有共通性制备、使用过程中现象、概念、转变相似。制备、使用过程中现象、概念、转变相似。单晶单晶多晶多晶非晶非晶准晶准晶结构、缺陷行为结构、缺陷行为平衡热力学平衡热力学扩散、界面结构与行为扩散、界面结构与行为材料相变机理材料相变机理电子迁移及电性能电子迁移及电性能从物理学的角度，从微观的角度来阐述材料中从物理学的角度，从微观的角度来阐述材料中的种种规律是很重要的。的种种规律是很重要的。1.1材料物理学的定义材料物理学的定义高性能陶瓷高性能陶瓷高纯金属高纯金属生物工程生物工程薄膜薄膜纳米材料纳米材料半导体半导体超导体超导体聚合物聚合物材料工程材料工程1.1.3 什么是材料工程？什么是材料工程？1.1材料物理学的定义材料物理学的定义材料工程更注重实际，主要论及材料的加工工艺。材料工程更注重实际，主要论及材料的加工工艺。目前，它已变成一门极复杂的技艺目前，它已变成一门极复杂的技艺 材料物理和材料科学的关系材料物理和材料科学的关系3.材料物理的基本研究指导材料的生产应用。材料物理的基本研究指导材料的生产应用。1.2材料物理学的特点材料物理学的特点1.息息相关、相互促进和共同发展息息相关、相互促进和共同发展2.材料物理研究课题来源于材料、对象也材料物理研究课题来源于材料、对象也是材料，都是生产、科研中提出来的新问是材料，都是生产、科研中提出来的新问题。题。一方面，材料物理所研究的一些主要课题一方面，材料物理所研究的一些主要课题往往是从生产实践中提出来的往往是从生产实践中提出来的 举例举例1：金属材料：强度、范性金属材料：强度、范性低维材料，薄膜材料（低维材料，薄膜材料（2维）、纳米线维）、纳米线（1维）纳米点（维）纳米点（0维），尺寸效应。维），尺寸效应。陶瓷：烧结体，烧结技术，微结构陶瓷：烧结体，烧结技术，微结构1.2材料物理学的特点材料物理学的特点由于工艺上的突破并实现连续生产的由于工艺上的突破并实现连续生产的“金金属玻璃属玻璃”，因而金属玻璃的力学性质、磁，因而金属玻璃的力学性质、磁性、超导电性等实际问题的研究也就随之性、超导电性等实际问题的研究也就随之提出；提出；由于电子技术、激光、红外技术的需要，由于电子技术、激光、红外技术的需要，研究电介质材料就由研究绝缘体的四大参研究电介质材料就由研究绝缘体的四大参数逐步扩展到研究物质的电极化过程；数逐步扩展到研究物质的电极化过程；为了发展耐高温的材料，推动了对于金为了发展耐高温的材料，推动了对于金属或陶瓷的高温强度、高温蠕变、氧化及属或陶瓷的高温强度、高温蠕变、氧化及扩散的研究等等。扩散的研究等等。举例举例2：另一方面，将材料物理的基本研究成另一方面，将材料物理的基本研究成果应用到生产实践中去，也会发挥很果应用到生产实践中去，也会发挥很大的作用大的作用 再结晶结构的研究显著地改进了硅钢片再结晶结构的研究显著地改进了硅钢片的质量的质量利用非晶硒的光导特性的研究成果，利用非晶硒的光导特性的研究成果，发展了新的静电复印技术；发展了新的静电复印技术；集成铁电学的研究，促进了铁电存储集成铁电学的研究，促进了铁电存储器的实际应用开发。器的实际应用开发。举例：举例：材料科学的研究导致新的物理学现象材料科学的研究导致新的物理学现象研究材料的性质在各种外界条件（研究材料的性质在各种外界条件（力、力、热、光、气、电、磁、辐照、极端热、光、气、电、磁、辐照、极端条件等条件等）下发生的变化。发现到新的物）下发生的变化。发现到新的物理现象和效应、规律、形成新的概念。理现象和效应、规律形成新的概念。比如铁电、热释电、压电、电致伸缩等比如铁电、热释电、压电、电致伸缩等效应。效应。材料物理是物理和材料的交叉学科材料物理是物理和材料的交叉学科1.2材料物理学的特点材料物理学的特点材料物理是介于物理学与材料学之间的一门材料物理是介于物理学与材料学之间的一门边缘学科，它的基础牵涉到许多不同的学科，边缘学科，它的基础牵涉到许多不同的学科，诸如诸如晶体学、材料力学、物理化学、材晶体学、材料力学、物理化学、材料科学基础、材料物理性能料科学基础、材料物理性能，以及物理学，以及物理学中的一些分支（中的一些分支（热力学、弹塑性理论、统热力学、弹塑性理论、统计物理、量子力学、固体物理学计物理、量子力学、固体物理学）等。）等。就是说，它是利用了这些学科的成果，形成了就是说，它是利用了这些学科的成果，形成了以诸种材料为对象的一门独立的综合性的物理以诸种材料为对象的一门独立的综合性的物理学科。学科。晶体学揭示材料的微观组织结构晶体学揭示材料的微观组织结构材料科学有助于研究材料的内在联系材料科学有助于研究材料的内在联系1.2材料物理学的特点材料物理学的特点量子力学、统计物理及弹性力学方法帮量子力学、统计物理及弹性力学方法帮助我们理解材料中的电子、原子以及各助我们理解材料中的电子、原子以及各种晶体缺陷的运动规律和它们之间的交种晶体缺陷的运动规律和它们之间的交互作用；互作用；固体物理学提供了原子键合、原子振动、固体物理学提供了原子键合、原子振动、电子结构、能带结构等的基础知识。电子结构、能带结构等的基础知识。1.2材料物理学的特点材料物理学的特点热力学、物理化学、材料力学、材料物热力学、物理化学、材料力学、材料物理性能可以用来阐明材料一些宏观的规理性能可以用来阐明材料一些宏观的规律和材料特性。律和材料特性。好的试验结果要有好的理论来解释。好的试验结果要有好的理论来解释。一个试验现象应该有一个相应的理论一个试验现象应该有一个相应的理论解释才是完美的。解释才是完美的。为什么？为什么？是什么？是什么？材料学材料学物理学物理学金属物理学，半导体物理学、电介质物理金属物理学，半导体物理学、电介质物理学、铁电物理学、磁学、非晶态物理学、学、铁电物理学、磁学、非晶态物理学、高分子物理学、薄膜物理学等。高分子物理学、薄膜物理学等。材料物理的范围1.3材料物理学的研究范围材料物理学的研究范围每一个材料学的分支都相应的有相应的材每一个材料学的分支都相应的有相应的材料物理学分支料物理学分支材料物理是物理研究中的重要领域。材料物理是物理研究中的重要领域。比如超导体、半导体、永磁材料。也比如超导体、半导体、永磁材料。也是物理中发展最快的领域。是物理中发展最快的领域。1.3材料物理学的研究范围材料物理学的研究范围1.4 材料物理和物理学的实验测试技术X射线技术射线技术XRD扫描电镜扫描电镜SEM透视电镜透视电镜TEM高分辨率透视电镜高分辨率透视电镜HREM场离子显微镜场离子显微镜FIM远红外光谱远红外光谱IR核磁共振核磁共振NMR电子顺磁共振谱电子顺磁共振谱 ESRX光荧光谱光荧光谱XPS拉曼光谱拉曼光谱Raman1.4材料物理学的研究手段材料物理学的研究手段扫描探针显微镜扫描探针显微镜SPM材料物理作为物理学的一个分支，其发展与材料物理作为物理学的一个分支，其发展与物理学的实验技术和基本理论的进展密切相物理学的实验技术和基本理论的进展密切相关。物理学的新技术和新理论，将会极大地关。物理学的新技术和新理论，将会极大地促进材料物理领域的发展。促进材料物理领域的发展。在实验技术上，在实验技术上，XRD、SEM、TEM、HREM、FIM、XPS、IR、Raman光谱、光谱、ESR、NMR等现代测试方法的应用，为材料研究开等现代测试方法的应用，为材料研究开辟了新天地。辟了新天地。在理论方面，量子力学在材料物理理论中所在理论方面，量子力学在材料物理理论中所起的促进作用是人所共知的。起的促进作用是人所共知的。回顾材料发展和材料研究的历史，尤其是回顾材料发展和材料研究的历史，尤其是20世纪乃至最近二三十年出现的材料（市场已世纪乃至最近二三十年出现的材料（市场已出现的材料，或通过专利、论文和材料会议出现的材料，或通过专利、论文和材料会议报道即将问世的材料），以及材料科学研究报道即将问世的材料以及材料科学研究成果，可以归纳、总结出材料学与物理学是成果，可以归纳、总结出材料学与物理学是有密切联系的。有密切联系的。因此，从物理学的角度说明材料，即形成材因此，从物理学的角度说明材料，即形成材料物理学科，显然是顺理成章的。料物理学科，显然是顺理成章的。材料物理作为一门学科，其中的一个基本材料物理作为一门学科，其中的一个基本任务是关注新材料、高技术的发展，以力任务是关注新材料、高技术的发展，以力图从其中总结归纳出新的物理现象、效应、图从其中总结归纳出新的物理现象、效应、模型或图像。同时，材料物理本身也在不模型或图像。同时，材料物理本身也在不断发展中，如金属物理、半导体物理、电断发展中，如金属物理、半导体物理、电介质物理、非晶态物理、高分子物理、薄介质物理、非晶态物理、高分子物理、薄膜物理等等，其研究成果往往会揭示出一膜物理等等，其研究成果往往会揭示出一些新的物理概念和规律。些新的物理概念和规律。上述这些意味着在应用、开发上蕴藏着上述这些意味着在应用、开发上蕴藏着巨大的潜力，如研制出新材料、新的元巨大的潜力，如研制出新材料、新的元件或器件；或有可能开辟出新的技术领件或器件；或有可能开辟出新的技术领域。从这个意义上看，材料物理将为研域。从这个意义上看，材料物理将为研制高技术材料打下牢固的物理基础。制高技术材料打下牢固的物理基础。主要介绍主要介绍金属结构理论、缺陷物理、金属结构理论缺陷物理、材料强化、导电物理基础、材料的介材料强化、导电物理基础、材料的介电行为、铁电物理、磁性物理、电行为、铁电物理、磁性物理、材料材料的相变、的相变、非晶态物理、非晶态物理、高分子物理高分子物理和和低维材料结构。低维材料结构。材料物理课的主要内容材料物理课的主要内容推荐教材推荐教材固体物理固体物理主主 编：黄昆、韩编：黄昆、韩汝琦汝琦 参考书参考书 电介质物理电介质物理 主主 编：编：张良莹、姚熹张良莹、姚熹半导体物理基础半导体物理基础主主 编：编：黄昆、韩汝琦黄昆、韩汝琦金属物理学金属物理学 主主 编：冯瑞编：冯瑞 材料物理导论材料物理导论 主主 编：杨尚林编：杨尚林无机材料物理性能无机材料物理性能主主 编：吴振铎编：吴振铎作业2。联系以前学习和遇到过的材料，讨论。联系以前学习和遇到过的材料，讨论一下它可能遇到的物理问题。一下它可能遇到的物理问题。1。选一种日常用的电器、通讯设备等，指。选一种日常用的电器、通讯设备等，指出它包括那几种材料以及这些电器今后的出它包括那几种材料以及这些电器今后的前景。前景。