材料物理化学性能作业及答案

1、什么是导体、半导体和绝缘体？如何从能带理论来理解导体、半导体和绝缘体？导体：当导带中存在未填满的电子时，存在有空的能级态，当施加一外电场于这种晶体上时，就赋予电子以加速度，电子的能量升高，跃迁到空能级上，从而产生电导。同时，如果导带和价带发生重叠，并且其中存在有空的能级可以容纳激发态电子，这类晶体在外场作用下都可能产生导电现象。绝缘体：如果价带被填满，导带是空的没有电子，且导带与价带直接的能隙较大(4eV,如果kBT=4eV,kB为波尔茨曼常数，那么T=46376K)，那么，外电场不可能使电子从低能态越过能隙到高能态，因此，不产生导电现象，这种晶体被称为绝缘体。半导体：如果价带被填满，导带是空的没有电子，但导带与价带之间的能隙较小(0.5~3eV),这类晶体在绝对零度时是绝缘体，但在不很高的温度下如常温下，热能可能将部分电子由满带激发越过能隙，进入上面的空带中成为自由电子，对电导作贡献。这种电导叫做本征电导，具有这种导电特性的晶体称为本征半导体。大多数的半导体的禁带能隙在1eV左右，禁带能隙在3eV左右的半导体称为宽带半导体。2、什么是离子导体？离子导体的电导率随温度变化的规律如何？离子导体的主要应用是什么？由于电流为电荷的定向运动，因此离子在外电场作用下的定向运动也将形成电流，所谓离子导体是指以离子为导电载流子的导体。电导率随温度的变化遵从Arrhenius公式σ=Aexp(-Ea/RT)离子导体主要用于化学电池。3、什么是压电效应？其产生的机理是什么？所谓压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。压电效应一般在非中心对称性晶体中发生。压电晶体中的质点在某个方向上的投影，在不受外力作用时，其正、负电荷重心重合，整个晶体的总电矩为零，因而晶体显电中性。晶体受到压应力时，晶体由于形变会导致正、负电荷重心不重合，使电矩发生变化，从而引起晶体表面的荷电现象。晶体受到拉应力时，其晶体表面的电荷符号与压应力时相反。4、什么是光的波粒二象性？光是一种电磁波，即光具有波动性，可从光的衍射和干涉实验中得到证实。但光也有粒子性的一面，最典型的实验是光电效应。光具有波粒二象性，光能够表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质。而光的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的粒子那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量。对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳，这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。除能量以外，光子还具有动量和偏振态，但单个光子没有确定的动量或偏振态。5、试说明固体产生热膨胀的机理材料的热膨胀通常是指外压强不变的情况下，材料在温度升高时，其体积增大，温度降低时体积缩小的物理特性。固体材料热膨胀的本质是源于材料内部的质点(分子或原子)之间相互作用力关于质点平衡位置的不对称性。由于势能的不对称性，原子振动的平衡位置随温度的升高、动能的增大将向右边移动。温度越高，质点平衡位置(运动速度为零的位置)向右移动得越多，以至于晶胞参数增大，晶体膨胀，这就是材料热膨胀产生的微观机理。随着温度升高，原子偏离0K的振动中心的距离增大，物体宏观上膨胀了。6、导体和绝缘体的热传导机理有何不同？对于纯金属而言，电子导热是主要机制；在合金中，声子导热的作用会增强；在半金属或半导体中，声子导热与电子导热的作用相当；而在绝缘体中，几乎只存在声子导热。