功能材料相关知识点概括

绪论1、功能材料指具有一种或几种特定功能的材料，具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用。力学功能对应于宏观物体的机械运动，其他功能对应于微观物体的运动，习惯上不把结构材料包括在功能材料范畴内。2、宏观运动和微观运动之间相互联系，在适当条件下可以互相转化。因此，结构材料和功能材料有共同的科学基础，有时很难截然划分。3、功能材料是指具有优良的物理、化学和生物或其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。4、功能材料按化学成分（化学键）分类，可分为金属、无机非金属、有机高分子和复合功能材料。按物理性质分类，可分为物理（如光、电、磁、声、热和力学功能材料等）、化学、生物、核功能材料和特殊功能材料。导电材料1、导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电材料两大类，电子导电材料的导电源于电子运动，电子导电材料包括导体、超导体和半导体。离子导电材料的导电主要源于离子的运动。2、超导体从正常态（电阻态）过渡到超导态（零电阻态）的转变称为正常-超导转变，转变时的温度Tc称为这种超导体的临界温度。3、除温度外足够的磁场也能破坏超导态。使超导态转变成正常态的最小磁场Hc（T）称为此温度下该超导体的临界磁场。磁场的存在可以使临界温度降低，磁场越大，临界温度也越低。4、超导体按迈斯纳效应可分为软超导体（第一类超导体）和硬超导体（第二类超导体），硬超导体在超导态和正常态之间有一种混合态存在。5、半导体的电子结构跟绝缘体相近，只是半导体的禁带宽度要比绝缘体小，电子受热或光等能量容易被激发，同时产生空穴而形成传导。6、半导体按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体包括本征半导体和杂质半导体。7、半导体按掺杂原子的价电子数可分为施主型(电子型或n型)和受主型(空穴型或P型)。前者掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子，后者正好相反。8、半导体中价带上的电子借助于热、光、电、磁等方式激发到导带叫本征激发。满足本征激发的半导体叫本征半导体，其导电载流子是由本征激发所形成的导带中的电子和价带中的空穴，本征半导体电导率由电子运动和空穴运动两部分所构成。9、因为本征半导体的载流子密度非常小，需要在高温下工作，故应用不多。实际应用的大多数为掺杂后非本征半导体，也叫杂质半导体。10、利用将杂质元素掺入纯元素中，把电子从杂质能级（带）激发到导带上或者把电子从价带激发到杂质能级上，从而在价带中产生空穴的激发叫非本征激发或杂质激发。这种半导体叫杂质半导体。11、根据杂质电离能的大小，分为浅能级杂质和深能级杂质。深能级能产生的载流子很少，而散射却增加，对电导率影响不大或有所降低。12、化合物半导体最突出的特点是禁带和迁移率范围宽。13、具有半导体特性的非晶态物质称为非晶态半导体，与晶态物质相比，非晶态物质的原子排列没有周期性。14、高分子导电材料包括结构型高分子导电材料和复合型高分子导电材料两大类，结构型高分子导电材料通常简称导电高分子，它们是高分子本身结构或经掺杂后就可以导电的。15、复合型高分子导电材料的实用化远胜于结构型导电高分子，这是因为它有成型简便，重量轻，性能易于调节，成本低和可选择的品种多等许多优点。16、离子电导材料一般指的是电导率大于10-4s/cm，且其电子电导对总电导率的贡献可忽略不计，又称快离子导体。离子导电主要发生在离子固体中，离子在固体中通过晶格的缺陷(空穴)而进入穴位发生导电。17、绘制导体的能带结构图并说明其导带构成情况。18、与结构材料相比，功能材料有有哪些主要特征？1)功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动；2)其聚集态和形态非常多样化；3)产品形式主要是材料元件一体化；4)是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物；5)采用许多新工艺和新技术进行制备与检测。19、什么是迈斯纳效应，完全导体（无阻导体）与超导体有何区别？当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面产生一个无损耗感应电流，这个电流产生的磁场与外加磁场大小相等、方向相反，因而在样品内不出现净磁通量，即在超导体内部总有B=0，这种完全的抗磁性即麦斯纳效应。完全导体不同于超导体，由麦克斯韦方程组可知，完全导体中不可能有随时间变化的磁感应强度，即完全导体保持着当它失去电阻时样品内部的磁场，致使完全导体内部的磁场不变，可以看作磁通分布被冻结在完全导体中。20、什么叫库柏电子对？利用BCS理论解释超导的微观机制。⑴当电子间有净的吸引作用时，费密面附近的两个电子将形成束缚的电子对的状态，它的能量比两个独立的电子的总能量低，这种电子对状态称为库柏电子对。考虑到电子的自旋，最佳的配对方式是动量相反同时自旋相反的两个电子组成库柏电子对。⑵库柏电子对之间通过交换声子耦合在一起，拆散一个库柏对，产生两个正常态电子需要外界提供能量。库柏对吸收能量变成两个独立的正常电子的过程称为准粒子激发。由于受热激发，有一些库柏对被拆开成为正常电子，这样就使得超导体内有两种载流子：超导电子和被激发到能隙之上单粒子态中的正常电子。这正赋予了二流体模型新的意义。①在常温下，金属原子失去外层电子成为正离子规则排列在晶格的结点上作微小振动。自由电子无序地充满在正离子周围。在电压作用下，自由电子的定向运动就成为电流。自由电子在运动中受到的阻碍称为电阻。处在超导态的电子，不是单独一个个存在的，而是配成库珀对存在的，配对的电子，其自旋方向相反，动量的大小相等而方向相反，总动量为零。库珀对作为整体与晶格作用，因此一个电子若从晶体得到动量，则另一个电子必失去动量，作为整体，不与晶格交换动量，也不交换能量，能自由地通过晶格，因此没有电阻。②温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固，不同电子对之间相互的作用力愈弱。在电压的作用下，这种有秩序的电子对按一定方向畅通无阻地流动起来。③当温度升高后，电子对因受热运动的影响而遭到破坏，就失去了超导性。当磁场强度达到临界强度时，磁能密度等于库珀对的结合能密度，所有库珀对都获得能量而被撤散，超导态转为正常态。21、描述超导材料的两个基本特性及其关系；零电阻效应：在临界温度时，电阻变为零的现象。迈斯纳效应：在超导态时，不允许磁场穿过，即具有完全抗磁性。关系：相互独立又相互联系。单纯的零电阻不能保证具有迈斯纳效应；而迈斯纳效应存在必满足零电阻效应。22、非晶态半导体有何特点？1）非晶半导体对杂质掺入不敏感，结构不具有敏感性。掺入杂质的正常化合价都被饱和，即全部价电子都处在键合状态，几乎所有非晶态半导体都具有本征半导体的性质。2）非晶态半导体由于它的非结晶性，因此无方向性，所以没有结晶、提纯、杂质控制等复杂工艺。故非晶态半导体便于大量生产，并且价格低廉。24、试绘制本征半导体和杂质半导体的能带结构并解释半导体导电机理。介电材料1、介电材料又叫电介质，是以电极化为特征的材料。电极化是在电场作用下分子中正负电荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象。2、在32种点群的晶体中，有21种点群的晶体不是中心对称的，在这些无对称的晶体中，有20种点群的晶体可能具有压电性，属于压电晶体，称为压电体。3、在压电晶体中，有10种点群的晶体具有唯一的单向极轴，即存在自发性，可能具有热释电性，属于热释电体。4、在热释电晶体中，有些晶体的自发极化方向能随外电场方向转化，这类晶体称为铁电体。5、具有铁电性的晶体，必然具有热释电性和压电性，具有热释电性的晶体，必然具有压电性，但是却不一定具有铁电性。6、分子极化率一般由电子极化率、原子（离子）极化率和取向极化率三部分构成。7、介电材料的极化强度是单位体积内电偶极矩的矢量和。介质的极化强度越大，静态介电常数也越大。8、电介质分子完成极化所需的时间称为弛豫时间τ，其倒数称为弛豫频率f。电子极化的弛豫频率相当于紫外频率，原子（离子）极化的弛豫频率处于红外区，取向极化的弛豫频率处于射频和微波区。9、在交变电场作用下，由于电场频率不同，极化对电场变化的反应也不同。10、在交变电场中，由于极化滞后，介电常数要用复数表示，称为动态介电常数。11、介电损耗产生的原因包括：(1)部分带电质点在外场作用下移动而引起漏导；(2)与偶极子转动和振动相关的能量损耗。12、电介质承受的电压超过一定值后，就丧失了电介质的绝缘性，这个电压叫做击穿电压。13、在某温度范围内具有自发极化且极化强度可以因外电场而反向的晶体称铁电体。铁电体是具有电畴和电滞回线的介电材料。14、所谓电畴就是在一个电畴范围内永久偶极矩的取向都一致。15、居里温度Tc是铁电相与顺电相的相转变温度，当铁电体温度T大于Tc时，铁电现象消失。铁电相是极化有序状态，顺电相是极化无序状态。16、按照铁电体极化轴的多少，可将铁电体分为无序-有序型铁电体（软铁电体）和位移型铁电体（硬铁电体）两类。软铁电体只有一个晶轴，硬铁电体有多个晶轴。17、反铁电体是一些离子晶体，它的相邻行或列上的离子沿反平行的方向自发极化。18、铁电体与反铁电体的自发极化有何不同特点？并分别解释为什么总的极化强度ΣP＝0？答：铁电体自发极化的特点是单元晶胞中的偶极子成对的按相同方向平行排列，晶体中存在着一个个由许多晶胞组成的自发极化方向相同的小区域－铁电畴，但各个铁电畴的极化方向是不同的、杂乱无章的分布；反铁电体自发极化的特点是单元晶胞中的偶极子成对的按相反方向平行排列且这两部分偶极子的偶极矩大小相等方向相反。铁电体ΣP＝0是由于一般情况下整个铁电晶体的内部不同方向取向的电畴其自发极化强度可相互抵消，所以铁电晶体的ΣP＝0；反铁电体晶胞中偶极子以反平行方向排列偶极子的偶极矩在晶胞内部自行抵消，所以对外不显示极性ΣP＝0。19、绘制铁电体的电滞回线，并标出饱和极化强度Ps、剩余极化强度Pr及矫顽电场强度Ec在图中的位置。压电材料1、没有对称中心的材料受到机械应力处于应变状态时，材料内部会引起电极化和电场，其值与应力大小成比例，符号取决于应力的方向，这种现象称为正压电效应。2、当材料在电场作用下发生电极化时，会产生应变，其应变值与所加电场强度成正比，符号取决于电场方向，此现象称为逆压电效应。3、具有压电效应的材料叫压电材料，通过压电材料可将机械能和电能相互转换。利用逆压电效应发展了一系列电致伸缩材料。4、压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位移，当不存在应变时电荷在晶格位置上的分布是对称的，所以其内部电场为零。但是当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷分布不再保持对称就会出现净极化，并将伴随产生一电场，这个电场就表现为压电效应。5、逆压电效应与电致伸缩效应不同。电致伸缩效应是指在外电场作用下，任何电介质都会发生尺寸变化，即产生应变，是液、固、气电介质一般都具有的性质。而逆压电效应只存在于不具有对称中心的点群的晶体中。此外，电致伸缩效应的形变与电场方向无关，与电场强度的平方成正比，而逆压电效应的形变是随电场反向而反号，与电场强度的一次方成正比。6、机电耦合系数是一个综合反映压电晶体的机械能与电能之间耦合关系的物理量，是衡量压电材料性能的一个很重要参数。7、单晶压电材料性能稳定，内耗小；陶瓷多晶压电材料比单晶材料便宜但易老化。半导体压电材料机电耦合系数大并兼有光电导性。热电材料1、热电材料就是把热转变为电的材料。主要包括温差电动势材料，热电导材料和热释电材料三大类。2、在热电回路中通电时，在回路中会引起两种热效应，珀尔帖和汤姆逊热效应。前者出现在电极的两个接头处；后者发生在两个电极上。3、温差电动势材料主要应用在两个方面：一是用作热电偶材料，制作热电偶用于测温，这方面应用的材料主要是高纯金属和合金材料；二是制作热器件，用来发电或做致冷器，这类器件所用的材料主要是高掺杂半导体材料。4、当温度升高时，材料的电导率发生较大变化的一类材料称为热电导材料，实质上是温电导材料。5、热电导材料又称为热敏材料，是重要的传感器材料。6、正温度系数热电导材料多数是半导性的金属氧化物和过渡金属的复合氧化物，其特点是温度升高，电导率增加。7、负温度系数热电导材料主要为掺杂半导体陶瓷材料。8、热释电效应是指当某些晶体受温度变化影响时，由于自发极化的相应变化而在晶体的一定方向