材料物理考试知识点-终.doc

1、 决定材料强度的关键因素是原子之间的结合力。除了原子间的键合类型和结合力外,对材料强度影响最大的因素是位错。2、 如果在高温下给材料施加一个应力，即使这个应力小于该温度下的材料屈服强度，材料也可能发生塑性变形，以至断裂。这种现象就称为蠕变。3、 引起材料在较低温度下发生塑性变形的主要原因是位错的滑移，而引起材料在高温下发生蠕变的主要原因则是位错的攀移。位错攀移，即位错能够在与滑移面垂直而不是平行的平面上移动。4、 加工硬化，又称为应变硬化，是由于位错增值所引起的。所以能够产生加工硬化的材料必须是位错能够滑移的塑性材料。通过使金属发生塑性变形的方式，可以使其屈服强度增高。这就是所谓的加工硬化。经过了冷加工的金属材料中的位错密度可增殖至1012cm/cm3 ，比初始的位错密度大近百万倍。位错密度越大，位错之间的相互作用也越大，对位错进行滑移的阻力也随之增大。这就是加工硬化的原理。 5、 位错增殖方式，参照增殖图（4.20）P65 当外加应力超过屈服强度时，位错开始滑移。如果位错在滑移面上遇到障碍物，就会被障碍物钉住而难以继续滑移。a图表示的就是一段位错线的两端被障碍物钉住的情况。继续增大的应力将使位错线不断弯曲（c、d图）并扩展，以求滑移。最后，相互接近的两段位错刚好具有相反的性质（伯氏矢量相同、位错线方向相反），它们会相互靠近，以至消失。这样的结果是原来的一段位错线仍然被钉在障碍物上，但在这段位错线的外围却多出来一个位错环（图d），这就是Fr位错原理。6、 固溶体与混合物的区别：混合物：混合物中含有2种以上的相，混合物中的这些相依然保持自己的特性。 固溶体：固溶体本身只是一个相，组成固溶体的各个组元都已经相互溶解，不再保持组元自己的特性。7、 固溶强化的效果决定因素：1. 溶剂原子和溶质原子的尺寸差别越大，固溶强化的效果越大 ；2. 添加的合金元素越多，固溶强化的效果也越大。 8、 所谓弥散强化，是指将多相组织混合在一起所获得的材料强化效应。如果材料中添加的合金元素太多，以致超过了其溶解度，就会出现第二相，形成两相合金。在这两种相之间的界面上的原子排列不再具有晶格完整性。在金属等塑性材料中，这些相界面会阻碍位错的滑移，从而使材料得到强化,这就是弥散强化的由来9、 共晶反应：从一个液相生成相和相两种固相的反应。共析反应： 从一个固相S1转变成两个固相S2和S3的反应。共析反应与共晶反应不同之处：共晶反应是从一个液相转变成两个固相的，且不同通过热处理的方式来实现。而共析反应是固相之间的反应，是由一个固相转变为两个固相的反应。需要热处理的方式来实现。10、 可以用来强化材料的固态相变有：时效强化、共析反应，非平衡态的马氏体相变。11、 能够携带电荷的粒子称为载流子。 在金属、半导体和绝缘体中携带电荷的载流子是电子 ；在离子化合物中，携带电荷的载流子则是离子。 12、 控制材料的导电性能实际上就是控制材料中的载流子的数量和这些载流子的移动速率。对于金属材料来说，载流子的移动速率特别重要。13、 从连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动，到不连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动，再到不连续能量分布的价电子在周期性势场中的运动，分别是经典自由电子论、量子自由电子论、能带理论这三种分析材料导电性理论的主要特征。14、 未填满电子的能带称为导带。由价电子能级分裂而成的能带称为价带。在能带之间没有可能量子态的能量区域叫禁带。15、 费米能级：能带中有一半的能级被电子占据的能级称为费米能级。 由于钠只有1个3s电子，所以在3s价带上，只有一半的能级被电子所占据。这些被电子占据的能级应该是能量较低的能级。当温度为绝对零度时，只有下面一半的能级被电子占据，上面一半的能级没有电子占据。而当温度大于绝对零度时，有一些电子获得了能量，跳到价带里的较高能级，而在相对应的较低的能级上失去了电子，产生了相同数量的空穴。因此钠能导电。镁这样的周期表A族元素的最外层3s轨道有2个电子，它的3s能带就会被电子全部占满。由于固体镁的3p能带与3s能带有重叠，这种重叠使得电子能够激发到3s和3p的重叠能带里的高能级，所以镁具有导电性。 铜中的内层3d能带已经被电子充满，这些电子被原子紧紧束缚，不能与4s能带相互作用。由于铜中的3d能带和4s能带之间基本没有相互作用，所以铜的导电性非常好。银和金的情况与铜类似。 16、 超导体与理想导体之间的差别：（1）理想导体定义为在它里面不存在任何散射电子机制的一种导体。超导体：这种在一定低温条件下电阻突然失去的物质称为超导体。（2）理想导体没有迈斯纳效应，而超导体具有迈斯纳效应（磁力线不能穿过超导材料）。相同点：都是零电阻。17、 马基申规则：金属固溶体中溶质原子的浓度较小，以致可以略去它们之间的相互影响，把固溶体的电阻看成由金属的基本电阻和残余电阻组成。这实际上表明，在一级近似下不同散射机制对电阻的贡献可以加法求和。这导电规律称为马基申定则。18、 锗比硅容易提纯，所以最初发明的半导体三极管是锗制成的。但是，锗的禁带宽度（0.67eV）只有硅的禁带宽度（1.11eV）的大约一半，所以硅的电阻率比锗大，而且在较宽的禁带中能够更加有效地设置杂质能级，所以后来硅半导体逐渐取代了锗半导体。硅取代锗的另一个主要原因是在硅的表面能够形成一层极薄的SiO2绝缘膜，从而能够制备MOS型三极管。 19、 掺入了施主杂质（磷）的非本征半导体以负电荷（电子）作为载流子，所以称为n型半导体。掺入了受主杂质（镓）的非本征半导体以正电荷（空穴）作为载流子，所以称为p型半导体。向本证半导体提供电子作为载流子的杂质元素称为施主；向本证半导体提供空穴作为载流子的杂质元素称为受主。20、 p-n结具有单向导电性：如果外加一个电压，使负极与n半导体联接，正极与p半导体联接，电子和空穴都向p-n结移动，最后相互结合，这些电子和空穴的移动产生电流，此时所加的外电压称为正偏压；如果外加的电压相反，即处于反偏压时，电子和空穴都会离开p-n结，在p-n结附近出现一个没有载流子的耗尽区，就像绝缘体一样，没有电流流过。21、 由于p-n结只允许电流沿一个方向流过，它可以只让交流电中的正向电流流过，而将反向电流阻挡住，所以p-n结能够将交流电转变成直流电，这种p-n结称为*整流二极管；利用p-n结的反向电流特性制备的特殊器件称为齐纳二极管，或稳压二极管。22、 在p-n结处于反向偏压时，一般只有很小的漏电流，这是由于热激发的少量电子和空穴引起的。但是，如果反向偏压太大，通过p-n结的绝缘区的漏电流的载流子将会被大大加速，导致产生一个很大的电流。这种现象称为p-n结的反向击穿 .23、 价带的电子受到入射光子的激发后，会跃过禁带进入导带。如果导带上的这些被激发的电子又跃迁回到价带时，会以放出光子的形式来释放能量，这就是光致发光效应，也称为荧光效应。 24、 光致发光现象不会在金属中产生。因为在金属中，具有没有充满电子的能带，低能级的电子只会激发到同一能带的高能级。在同一能带内，电子从高能级跃迁回到低能级，所释放的能量太小，产生的光子的波长太长，远远超过可见光的波长。 25、 这些被陷阱能级所捕获的激发电子必须首先脱离陷阱能级进入导带，然后这些电子跃回到价带，才能发出可见光，所以它们被入射光子激发后，需要延迟一段时间才会发光，这样就出现了所谓的余辉现象。余辉时间取决于这些陷阱能级与导带之间的能级差，即陷阱能级深度。 26、 光激发伏特效应是另一个重要的半导体物理效应，是太阳能电池的理论基础。结合右图解释光伏特效应的原理.首先，考虑禁带宽度相等的p型半导体与n型半导体的结合情况。受光激发后，在二者的结合区域，会产生大量的空穴载流子和电流载流子。当然，这些正负电荷载流子还有可能再次相互结合。但一部分电子载流子会 移动到能级较低的n型导带，空穴载流子会移动到能级较高的p型导带。其结果是在n型中负电荷增加，在p型中正电荷增加，形成电流。但是这种电荷的增加不会无限进行下去，正负电荷相互分离后，会产生反电位，而阻止正负电荷进一步积累。这种反电位与正负电荷移动趋势相互平衡所达到的平衡状态，就是该太阳能电池产生电动势最大值。27、 所谓半导化，是指在禁带中形成附加能级，这些附加能级的电离能都比较低，高温下受到热激发就会产生载流子而形成半导体 。氧化物陶瓷这种由绝缘体转变为半导体的现象称之为半导化。 在氧化物晶体中，产生附加能级主要有两个途径：（1）不含杂质的氧化物主要通过化学计量比偏离，在晶体中存在固有缺陷。（2）在氧化物掺入少量杂质，在晶体中存在杂质缺陷。28、 判断一个系统是否处于平衡状态的根据是看其费密能级是否相等。 29、 在能带结构图中，电子的能级向上为越来越高，空穴的能级向下为越来越高。30、 由不同材料组成的p-n结又称异质结。（两个禁带宽度不同的半导体材料）禁带较宽的半导体将吸收波长较短的光线，禁带较窄的半导体则吸收波长较长的光线，可以利用的太阳光波长范围更大，从而增加了太阳能利用效率。由于短波光线的穿透能力差一些，所以此时一般都将禁带宽度较宽的半导体设计在朝向太阳光一侧，这种半导体又称为电池的窗口材料。 31、 n型半导体与金属接触：金属的功函数M半导体的功函数S，整流效应；M S时，也形成欧姆接触；M S时整流效应。32、 电介质是在电场作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物质。 33、 电介质的四大基本常数：（1）介电常数是指以电极化的方式传递、存贮或记录电的作用 （2）电导是指电介质在电场作用下存在泄露电流 （3）介电损耗是电介质在电场作用下存在电能的损耗 （4）击穿是指在强电场下可能导致电介质的破坏 34、 分子的极化可以归结为三个来源：（1）电子位移极化（2）离子位移极化（3）固有电矩的转向极化 。35、 固体电介质的电导按照载流子的类型不同可以分成三种：离子电导或电解电导(本征缺陷载流子 ，杂质缺陷载流子 ，质子) 离化分子电导或电泳电导 电子电导(本征载流子，非本征载流子，注入载流子)36、 电击穿：当固体电介质承受的电压超过一定的数值VB时，就使其中相当大的电流通过，使介质丧失绝缘性能，这个过程就是电击穿。击穿强度： EB=VB/d。37、 解释电击穿的理论：碰撞电离理论，雪崩理论，齐纳击穿理论。38、 在碰撞电离理论中，碰撞机制一般应考虑电子和声子的碰撞，同时也应该计及杂质和缺陷对自由电子的散射。若外加电场足够高，当自由电子在电场中获得的能量超过失去的能量时，自由电子便可在每次碰撞后积累起能量，最后发生电击穿。 39、 雪崩理论是在电场足够高时，自由电子从电场中获得的能量在每次碰撞后都能产生一个自由电子。因此往n次碰撞后就有2n个自由电子，形成雪崩或倍增效应。这些电子一方面向阳极迁移，一方面扩散，因而形成一个圆柱形空间，当雪崩或倍增效应贯穿两电极时，则出现击穿。40、 当外电场足够高时，由于量子力学的隧道效应，禁带电子就可能进入导带。在强场作用下，自由电子被加速，引起电子碰撞电离。这种电子雪崩过程同样引起很大的电流，但这并不导致晶体的破坏。导致晶体击穿的原因是由于隧道电流的增加，晶体局部温度提高，致使晶体局部熔融而破坏。这个机理首先由齐纳提出的，因此称为齐纳击穿 41、 在不均匀介质中随着试样厚度的增加，材料的EB值显著下降。薄试样的EB值比厚试样的要高得多，这是由于薄试样比较均匀，瑕点数目少的缘故。 42、 局部放电就是在电场作用下，在电介质局部区域中所发生的放电现象，这种放电没有电极之间形成贯穿的通道，整个试样并没有被击穿。 43、 铁电体是指在某温度范围具有自发极化，而且极化强度可以随外电场反向而反向的晶体。热释电晶体是具有自发极化的晶体，但因受到表面电荷等的抵偿作用，其电矩不能显现出来。只有当温度改变，电矩发生变化不能被抵偿时，才显现其固有的极化。44、 当温度高于某一临界温度Tc时，晶体的铁电性消失，而且晶格结构也发生转变，这一温度是铁电体的居里点 45、 按照铁电相变时的结构变化特点，铁电体可以分为无序-有序型相变铁电体（以KDP为代表）和位移型相变铁电体（钛酸钡为代表） 。KDP的铁电性是由质子的有序化造成的，他的自发极化强度在转变点上连续变化，为二级相变。钛酸钡的自发极化是由于晶胞中钛离子的位移造成的。他的自发极化强度在居里点连续增大，为一级相变，升温和降温时，自大极化强度随温度变化不一致，有“热滞”出现。46、 铁电体判据：自发极化能被外电场重新定向是铁电体最重要的判据，也是铁电体具有许多独特性质的主要原因。47、 反剩余极化全部去除所需的反向电场强度称为矫顽电场强度。48、 晶体在发生铁电-顺电相变时，其结构也要发生改变，按照铁电相变时的结构变化特点，铁电体可以分为无序-有序型相变铁电体和位移型相变铁电体 。49、 一般势阱有：（1）抛物线势阱, 离子在这种势阱中作谐振动。(2) 非谐势阱,离子在非谐势阱中作非谐振动这种情况相当于位移型相变铁电体的情况（3）双平衡位置势阱，这种情况相当于无序-有序型相变铁电体。50、 对于不存在对称中心的晶体，加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，同时，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力的作用而使介质发生极化的现象称为正压电效应。逆压电效应：如果把外电场加在这种晶体上，改变其极化状态，晶体的形状也将发生变化，这就是逆压电效应。晶体构造上不存在对称中心是产生压电效应的必要条件。 51、 压电振子在最小阻抗频率fm附近，存在一个使信号电压与电流同位相的频率，这个频率就是压电振子的谐振频率fr。在最大阻抗频率fn附近，存在另一个使信号电压与电流同位相的频率，这个频率叫压电振子的反谐振频率fa。只有压电振子在机械损耗为零的条件下fm=fr，fn=fa。52、 电致伸缩效应与压电效应的区别在于：前者是二次效应，在任何电介质中均存在；而后者是一次效应，只可能出现于没有中心对称的电介质中53、 外加电场所造成的晶体折射率的变化称为电光效应。一般情况下，电场对晶体折射率的影响可用一个幂级数表示. 由电场的一次线性项造成的折射率的变化称为一次电光效应、线性电光效应或普克尔（Pockels）效应。由电场的二次平方项造成的折射率的变化称为二次电光效应或克尔效应。54、 半导体吸收光子后，引起载流子激发，增加了电导率，这附加的电导称为光电导，这种现象又称为半导体的内光电效应 55、 在光的照射下，半导体p-n结的二端产生电位差的现象，人们称为光生伏特效应。外斯分子场理论的主要内容：（1）在铁磁物质内部存在很强的“分子场”它使原子磁矩趋于同向平行排列，产生自发磁化到饱和（2）铁磁体的自发磁化分成若干磁畴，由于磁畴的磁化强度各方向不一致，所以大块磁体对外不显示磁性。补充：三个主要结论 ：(1)T0k，温度升高，自发磁化强度逐渐降低。TTc，自发磁化强度为零，材料表现出顺磁性。这个临界温度就是居里温度Tc。 (2) 当TTc后，材料的磁化率服从居里-外斯定律。(3) 交换积分常数A与居里温度成正比。 直接交换作用：在原子组成物质时，当各电子的电子云重叠时，根据量子力学理论可以导出各电子之间存在静电的相互交换作用，引起的交换作用能为：Eex=-2ASaSb。根据能量最小值原理的要求，当交换积分A为正时，相邻原子自旋磁矩要同向平行排列，从而实现磁矩自发平行排列，这就是磁畴中原子磁矩要平行排列的起因 。直接交换作用最大的贡献是揭示了分子场的本质来源于电子间的静电的相互作用。 间接交换作用：RKKY理论的中心思想，在稀土金属中4f电子是局域的，6s电子是游动的。f电子与s电子发生交换作用,使s电子极化，这个极化了的s电子的自旋对f电子自旋取向有影响；结果形成了以游动的s电子为媒介，使磁性离子的4f电子自旋与相邻的离子的4f电子自旋存在间接交换作用，从而产生自发磁化。稀土金属与3d过渡族金属形成一系列金属间化合物，是以传导电子为媒介产生间接交换作用 。对于原子序数小于Gd的轻稀土金属来说，3d金属原子与4f稀土金属原子自旋的平行排列，导致两种原子磁矩的铁磁性耦合；而原子序数大于Gd的重稀土金属，3d金属原子与4f稀土金属原子自旋的反平行排列，导致了两种原子磁矩的亚铁磁性耦合 。56、 磁畴结构受到畴壁能E,磁晶各向异性能Ek、磁弹性能E和退磁场能Ed的制约，其中退磁场能将是铁磁体分成畴的动力。其它能量将决定磁畴的形状、尺寸和取向57、 原子磁距不为零，交换积分常数A0是物质具有铁磁性的必要和充分条件。 58、 根据原子磁矩转变的方式，可把畴壁可分为布洛赫壁和奈尔壁 。布洛赫壁的特点是畴壁内的磁矩方向始终与畴壁平面平行。奈尔壁始终与薄膜表面平行地转变。59、 在非晶态固体中，原子分布不存在周期性，描述其微观结构的方法，最常用的是借用统计物理学中的分布函数，即用原子分布的径向分布函数来描述。径向分布函数，记为RDF，RDF=4r2（r） ，（r）表示以任何一个原子为球心，半径为r的球面上的平均原子密度。RDF的基本性质：统计性和球对称性。60、 薄膜的定义 ：（1）薄膜是两个几何学平面间所夹的物质，即在二维空间扩展，呈很薄的形态 。（2）薄膜的厚度，其尺寸范围从几个纳米到几十微米。 1m的膜谓之薄膜 1m的膜为厚膜61、 薄膜的形成过程分为四个阶段：临界核的形成；岛的形成、长大与结合；沟道薄膜的形成；连续膜的形成 62、 薄膜形成的理论基础 ：（1）热力学界面能理论（成核和毛细作用理论）；（2）原子聚集理论（统计理论）。63、 两种成核理论比较：两种理论依据的基本概念是相同的，所得到的成核速率计算公式的形式也相同。所不同之处是两者使用的能量不同和所用的模型不同。热力学界面能理论（毛细作用理论）适合于描述大尺寸临界核。因此，对于凝聚自由能较小的材料或者在过饱和度较小的情况下进行沉淀，这种理论是比较适宜的。对于小尺寸临界核，则原子聚集理论模型（统计理论）比较适宜。64、 表面结构：未污染的清洁表面（垂直方向上的弛豫，平行方向上的重构，台阶）不清洁的表面（单层吸附，生成化合物，表面偏析）65、 表面态：在薄膜晶体的表面，晶格电子的势能在垂直表面方向上也不再存在平移对称性，这样电子波函数沿着垂直表面方向作指数衰减，处于这种状态的电子将定域在表面层中，称为表面态 。表面态的产生原因，除了晶格在表面的突然终止外，还有表面结构的缺陷和杂质，以及表面吸附外来原子等。66、 由于表面态的存在，电子在体内态和表面态之间的转移，通常会在表面产生一层表面电荷，它们将产生一个垂直表面的电场。为了屏蔽这个电场，在半导体或电介质的表面形成一个相当宽度的空间电荷层。67、 金属的表面势垒，由三个部分组成：正负电荷的吸引力，即镜像力的作用；表面电偶极层的作用；导带底（Ec）以下，电子受原子核束缚 。68、 尺寸效应： 由于表面能的影响使熔点降低； 干涉效应引起光的选择性透射和反射； 表面上由于电子的非弹性散射使电导率发生变化； 平面磁各向异性的产生； 表面能级的产生；电子结构发生变化； 由于量子尺寸效应引起输运现象的变化； 由于薄膜的表面与内部的差别引起铁电相变居里温度发生变化； 由于退极化场的影响，使铁电薄膜的介电常数与膜厚关系发生变化等。69、 相关尺度：（1）对于输运性质，相关的尺寸包括德布罗意波长，平均自由程，标识电子局域化的各种尺度以及磁场中的回旋半径。（2）在磁性体系中，相关的尺度是交换作用的范围，它是原子间距的量级。（3）在铁电体中，相关的尺寸是铁电临界尺寸，其与居里温度、铁电相变、铁电畴等密切相关。（4）在超导体中，有两个相关的尺度：London穿透深度和相干长度。 70、 根据膜厚d、有效载流子的平均自由程l和德布罗意波长这些量的相对大小，可将其划分为几个区域：经典区，其中ld；经典尺寸效应区，其中dl；量子尺寸效应区，其d。课本P117图5.34仔细看一下。以上加粗的题目考简答题的概率比较大。