“材料物理”教学大纲

“材料物理”课程教学大纲课程名称：材料物理(MaterialPhysics)课程代码：20301700课程学分/学时：3/48先修课程：高等数学、大学物理、材料晶体化学、(结构化学)、材料学导论开课学院：材料与化学学院（03）开课学期：春季课程教学目的：1.使学生从微观的成分、结构、缺陷以及电子、原子（离子）运动出发，认知、探讨材料的宏观性质。2.使学生掌握材料物理的基本概念、基本知识、基本理论、基本思维方法3.学会从微观本质出发去研究材料宏观性质的思路；4.定性掌握根据微观成分、结构、缺陷设计材料性能的思路。本课程适用于材料类本科专业主修，也适用于物理、化学、宝石学类专业本科生、研究生修读。课程内容提要:0绪论材料物理在材料科学与工程学科中的地位，材料物理的研究内容、研究方法，材料物理与其它学科分支的关系，材料物理与后续课程的关系。1统计物理基础理解宏观态与微观态的关系，掌握经典粒子、费米子、玻色子的概念及异同，理解微观粒子全同性、非定域性、定域性、可辨性，理解近独立粒子系统、粒子相空间、统计假设、微观状态数(热力学概率)。理解玻耳兹曼统计、费米统计、玻色统计的基本原理及异同。掌握玻耳兹曼分布函数、费米分布函数、玻色分布函数及三者的关系，掌握量子态密度、费米能级含义。掌握粒子在有势场中的玻耳兹曼分布。2材料的点缺陷掌握亚晶格、晶格缺陷的概念，熟练掌握点缺陷的Kröger-Vink符号、缺陷浓度的含义、缺陷反应的书写规则。掌握点缺陷的种类及其形成方式：本征的肖特基缺陷、弗伦克尔缺陷、反结构缺陷，非化学计量的阴离子缺位型、阳离子缺位型、间隙阴离子型、间隙阳离子型缺陷，掺杂的替位杂质缺陷、间隙杂质缺陷。掌握施主掺杂及施主能级、受主掺杂及受主能级。理解电子陷阱，掌握点缺陷的局域能级。理解质量作用定律应用于缺陷反应的条件，掌握本征点缺陷热力学平衡的推导，学会分析单因素点缺陷平衡，掌握点缺陷浓度与温度、非化学计量、气氛、掺杂的关系。会用微重量-密度法、密度-晶格常数测定法判断缺陷类型。理解点缺陷的材料学意义。理解点缺陷扩散的微观机理。实习：通过分析结构模型(实物)直观理解晶体的点缺陷1.通过实物模型，认识、理解本征的肖特基缺陷(MgO)、阳离子弗伦克尔缺陷(AgCl)、阴离子弗伦克尔缺陷(CaF2)，非化学计量的阴离子缺位型(TiO2-x)、阳离子缺位型(Fe1-xO)、间隙阴离子型(UO2+x)、间隙阳离子型缺陷(Zn1+xO)，替位杂质缺陷及间隙杂质缺陷(MgO:Al2O3、ZrO2:CaO、ZrO2:Y2O3、CaF2:YF3)、施主掺杂(Si:As)、受主掺杂(Si:B)。2.写出相应的缺陷反应式。3材料的热容、热膨胀、热导理解晶格振动、格波能量的概念，掌握声子的概念及统计属性。了解材料热容的杜隆--柏替定律、柯普定律。理解声子热容的德拜热容模型，掌握声子热容、电子热容、光子热容的结论，了解热容与结构、物态、相转变的关系。理解热膨胀及热膨胀系数(包括线膨胀系数和体膨胀系数)的概念，理解热膨胀机理，理解热膨胀与熔点、结合能、热容的关系，理解成分、结构、缺陷对热膨胀的影响，了解负热膨胀。理解热传导的概念及其宏观规律，掌握热传导的微观机理(声子热导、光子热导、电子热导)，掌握温度、成分、结构对热传导的影响，理解非晶态热传导的特征及其与晶体热导的差异。4材料的磁学掌握材料的磁性分类。掌握电子磁矩(电子轨道磁矩、电子自旋磁矩)、原子(离子)总磁矩理论，掌握Hund法则并会计算基态原子(离子)磁矩。了解抗磁、顺磁物质的磁性特点。掌握铁磁性物质的特征，了解居里-外斯定律，了解铁磁性的分子场估计，理解直接交换作用理论、能带理论模型。掌握反铁磁性、亚铁磁性的微观本质及宏观特征，理解间接交换作用。掌握尖晶石型、石榴石型铁氧体的结构及其与磁性的关系，理解掺杂对磁性的影响，会计算铁氧体的分子磁矩。了解铁磁（亚铁磁）体的相互作用能，理解磁畴、磁畴壁、单畴概念，理解磁畴形成。理解磁化的微观机理，能解释磁化曲线及磁滞回线。5材料的电导掌握电导率、迁移率的(宏观、微观)物理意义及数学表达式，理解电子、空穴有效质量。掌握平衡本征半导体、掺杂半导体、非化学计量半导体电子性载流子浓度的计算及影响因素，掌握半导体的掺杂补偿、杂质补偿半导体及其载流子浓度，理解温度对半导体电导率的影响，了解简并半导体概念。掌握非平衡载流子概念，理解非平衡载流子的注入、寿命、复合理论（直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合）,了解准费米能级的概念。了解pn结的制备，掌握pn结的形成与能带，了解反向pn结、正向pn结的机理与特性。掌握离子电导与离子扩散的关系，从微观机构理解离子电导的本质、离子迁移率及其势垒的关系，掌握离子电导率微观表达式。理解快离子导体的概念、结构特征，掌握α-AgI、β-Al2O3、CaF2(ZrO2)、MoS2等结构型离子导体的结构特征与导电特征，并了解离子导体的实用价值，理解通道尺寸、活化能、亚晶格无序、配位数、极化率、化学键、迁移离子的浓度、路径系数对离子迁移的影响。6材料的光电子学理解光的本征吸收、载流子吸收、杂质吸收、晶格吸收，理解激子及激子吸收，理解吸收光谱，掌握光吸收系数。了解发光的激发类型，理解发射光谱、激发光谱，了解发光寿命、发光效率。掌握半导体材料的本征辐射跃迁发光、能带和杂质能级之间的跃迁发光、施主到受主的跃迁发光、等电子中心的跃迁发光，理解pn结发光，理解激子及激子发光。理解分立中心发光的概念，理解稀土离子、过渡金属离子的发光原理，理解上转换发光、量子剪裁发光原理。掌握激光的特性(高方向性、高单色性、高相干性、高能量的概念及原理)，掌握激光产生的基本原理(自发辐射、受激辐射、受激吸收，受激辐射光放大、集居数反转、激活粒子的能级系统、光的自激振荡的概念及原理)，了解激光器的基本组成(激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔)，理解红宝石激光器基本原理。了解光电导、光生伏特效应及其原理。7电介质材料的极化从微观本质理解电极化、电介质、极化率的概念，了解宏观电场、局部电场、洛伦兹场的概念，理解电极化的克-莫方程。掌握电子弹性位移极化、离子弹性位移极化、离子松弛极化、电子松弛极化、转向极化、空间电荷极化的形成机理与特征，了解高介电晶体的极化。掌握压电效应及其本质，掌握压电性与晶体对称性的基本关系，掌握压电晶体、压电材料的概念，能根据点群对称性直接分析正应力下的压电性、压电常数，理解并会使用压电常数矩阵(能根据压电常数矩阵，分析各种正压电效应、逆压电效应)，理解电致伸缩及其与逆压电效应的区别。掌握自发极化、热释电效应的微观本质及宏观特征。掌握铁电性及其微观本质、宏观特征，掌握铁电体的位移型结构相变、有序-无序结构相变，理解电畴、电畴运动，掌握铁电材料的技术极化，能解释电滞回线，理解电场、温度、时间对预极化的影响，理解铁电体掺杂的移峰效应、展宽效应。理解反铁电性概念及其微观机理、宏观特征。考核与成绩评定方法：闭卷考试+小论文+综合作业+平时表现，闭卷考试成绩65%，平时成绩35%。