薄膜物理复习资料
薄膜为什么受到重视？
1,薄膜物理是物理学（特别是固体物理学）的重要分支，发展形成自己的体系--理论与实验（2）薄膜材料具有广泛的电、光、声、热、磁等应用场合许多制品（刀具、容器、管道、板材等）主要决定于其表层特性而不是整体特性/ 电子元器件（微电子、光电子）是建立在发展于表面或表面近层的物理效应基础上/ 微电子器件、固体电子器件提高性能、小型化的关键—相关薄膜材料的制备和研究（3）薄膜具有许多明显不同于块材料的特性，如晶体结构多为非晶态、亚稳态等, 这些特性称为反常结构与特性—为薄膜所特有（值得研究和利用）/不仅是材料学研究的重要领域，也为发展新型功能材料开辟了广阔途径。（非平衡冶金、非晶态生长、超微细结构、纳米材料…….)（4）薄膜材料是现代材料科学发展最迅速的一个分支。现在科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，打破了过去体材料的一统天下。过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或者一块集成电路板就可以完成。而薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。（5）器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能，而且可以使之更强化，随着器件的尺寸减小以至于接近电子或其他离子量子化运动的微观尺度，薄膜材料或其器件讲显示出许多全新的物理现象。薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。（6）每种材料的性能都有其局限性。薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同的材料灵活地组合在一起，构成具有友谊特性的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免单一材料的局限性。
薄膜(thin film)：由物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、溶液镀膜法等薄膜技术制备的薄层。●厚膜(thick film)：由涂覆在基板表面的悬浮液、膏状物经干燥、煅烧而形成。
薄膜材料的特点
1.薄膜材料属于介观范畴，具有量子尺寸效应；
2.薄膜表面积与体积之比很大，表面能级很大，对膜内电子输运影响很大；
3.薄膜界面态复杂，力学因素和电学因素交相作用，内应力和量子隧穿效应同时存在，
对薄膜生长和微结构影响巨大；
4.异常结构和非理想化学计量比特性明显；
5.可实行多层膜复合，如超晶格。
制备薄膜为什么需要真空环境?
a.若非真空，蒸汽分子不能沿直线运动，不易成膜
b. 若非真空，成膜物质与空气中活
性分子反应，形成化合物。即生成另外物质，如Al膜?氧化成Al2O3 . C.非真空，蒸发器（加热器）极易损坏，加热器采用W.M。Ta等难熔金属，但由于吸气效应产生脆性（氢脆），另外由于生成化合物易损坏。 d.非真空，残余气体分子将进入膜层 ,形成缺陷,形成化合物,影响膜质量e.非真空，影响靶材料气化f.非真空，改变基片表面状态，影响薄膜生长
1.单个分子速度(v) 的大小、方向瞬息万变;
2.大量分子某时刻速度(v)的分布成为必然;
3.单个分子速度(v) 的大小长时间分布也成为必然.
(1)在某速率区间的分子数占总分子数的比值必然;
(2)分子速率取某速率区间值的概率必然； (3)分子各向运动的概率相等.
理想气体分子在固体表面形成单层原子的时间：t ML≈ 1019/ ν
往复式真空泵 ，这种泵一般适用于真空蒸馏、真空蒸发与浓缩、真空干燥、真空过滤等。
但不适于抽除有腐蚀性或有颗粒灰尘的气体。
机械真空泵使用的注意事项： 1）若用做前级泵，其装机位置应便于工作人员检修和维护；
2）不能反转，反转会将油压入被抽系统而造成污染；3）停止工作时一定要向泵中放入经过
干燥的空气，否则会经排气阀和进气管将油压入被抽系统而造成污染； 4）不能混入异物
（如金属屑、玻璃渣等），不能用于抽取易蒸发的杂质和含水分较多的系统，以免磨损和腐
蚀翼片，降低真空度；5）按泵的说明书，加入所需牌号的泵油，同时应定期清洗泵体和更
换泵油，以保持系有良好的运转条件。
在使用扩散泵时，应注意下述几点：l ）金属扩散泵装机时一定要将扩散泵内壁以及各种需
件清洗干净，一般可用苯做洗涤剂。如系玻璃泵，则需要新配制的洗液浸泡，再用去离子水
多次冲洗，干燥后再装机；2）配备的前级泵必须与扩散泵相匹配，即前级泵的抽速在预真
空度下至少能抽走扩散泵所排出的气体；3）在操作程序上应先开冷却水，后开加热系统，
停机时应先停止加热，后停冷却水，以免油蒸汽进入被抽系统和防止泵体损坏。
绝对真空计——通过测量有关物理参数直接计算出被测系统压强 特点：准确、测量值与
气体种类无关，但对低气压不灵敏，有U 形管压力计，麦克劳真空计，弹簧管压力计等。
相对真空计——通过测量与压强有关物理量，并与绝对真空计相比较而换算出压强值的真空
计 特点：准确度稍差，与气体分子种类有关，测量范围比较宽。
真空计的选择原则（1）在压力区域内能达到精度；（2）被测气体与真空计互不影响；（3）
尽可能在整个真空度范围内都能测量；（4）尽可能连续指示，反应时间越短越好；（5）良好
的稳定性、复现性和可靠性，寿命长；（6）易于安装，操作方便，规格全。
PVD 特点（与CVD 相比） (1)需要使用固态的或者熔融态的物质作为沉积过程的源物质；(2)
源物质经过物理过程而进入气相；3)需要相对较低的气体压力环境；a)其他气体分子对于气
相分子的散射作用较小 b)气相分子的运动路径近似为一条直线；c)气相分子在衬底上的沉
积几率接近100％。(4)在气相中及在衬底表面大多不发生化学反应
真空蒸发③特点A 优点(1)设备简单，操作容易；(2) 成膜速率快，0.1-50μm/min ；(3)制
得的薄膜纯度高、分布均匀；(4)薄膜生长机理单纯。B 缺点(1)薄膜与基片的附着力小；(2)
工艺重复性不好，膜厚不易控制；(3)不能淀积高熔点物质；(4)加热器具易污染薄膜原材料。
例题：实验室温度条件下采用真空蒸发沉积银膜，黏附系数为1,求真空沉积腔内的压强为
1Pa 时的蒸发速率 解：查表得1Pa 下蒸发温度分别为1300K ：
00125
.0113009
.1071037.43=??=-G
蒸发速率：单位面积上，单位时间内从气相到达固相表面并能够停留的分子数。
如何获得最大蒸发速率？1.基片足够清洁，减少逸出；2.冷却基片（特殊情况除外）；3.升
高蒸发源温度，增大蒸气压。4.提高背底真空度，增大蒸发系数
α。
真空度与饱和蒸气压有何关系？（1）P b≠P v（2）P v≥P b是能够成膜的关键（3）保持高真空，以使在较低的蒸气压下就可以蒸发成膜，也可以降低能耗。（4）蒸气分子要与残余气体分子碰撞，两者都可能与基片碰撞。
电阻蒸发源影响薄膜纯度的因素：1.蒸发源物质的纯度；2.加热装置、坩埚的污染；3.残留气体的污染。
电阻蒸发源材料的要求1）熔点要高，熔点要高于被蒸发物质的蒸发温度（多在
1000~2000℃）；2）饱和蒸气压低，减少蒸发源材料蒸气的污染.要求：蒸发材料的蒸发温度低于蒸发源材料在平衡蒸气压为10-8托时的温度。3）化学性能稳定，不与镀料反应。4）耐热性好，热源变化时，功率密度变化较小。5）经济耐用。参考P35
电子束加热的特点 优点：1）采用聚焦电子束，功率密度高，可蒸发高熔点镀料（3000℃以上）如W ，Mo ，Ge ，SiO 2，Al 2O 3等。2）采用水冷坩埚，可避免坩埚材料的蒸发，及坩埚与镀料的反应，制得高纯度薄膜。3）热量直接加在镀料上，热效率高，传导，辐射的热损失少。参考p39 、缺点：1）电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二次电子会使蒸发原子和残留气体电离，影响膜层质量。2）多数化合物在受到电子轰击时会部分分解。3）设备结构复杂，昂贵。4）当加速电压过高时产生软X 射线会对人体有伤害。
e 型枪优点1电子束偏转180 °以上，多为270 ° ，避免了镀膜材料对枪体的污染，并 膜留出了更大的空间。2）收集极使正离子对膜的影响减少。3）吸收极使二次电子对基板的轰击减少。4）阴极结构防止极间放电，又避免了灯丝污染。5）可通过调节磁场改变电子束的轰击位置
高频感应蒸发源二）特点：1）蒸发速率大，可比电阻蒸发源大10倍左右。2）蒸发源的温度均匀稳定，不易产生飞溅现象。3）镀料是金属时可自身产生热量，坩锅可选用与蒸发材料反应最小的材料。三）缺点：1）蒸发装置必须屏蔽，否则会对广播通讯产生影响。2）线圈附近压强超过10-2Pa 时，高频电场会使残余气体电离。3）高频发生器昂贵。
激光蒸发 优点：1）加热温度高，可蒸发任何吸收激光的材料（如石墨，熔点为3500 ℃ ）。
2）采用非接触式加热，避免了蒸发源的污染，非常适宜于制备高纯薄膜。3）蒸发速率可极高（如Si 可得到106?/s ）。4）方便于多源顺序蒸发或多源共蒸发。 脉冲激光特点：闪烁蒸发，有利于控制化学成分和防止分解；又由于材料气化时间短，不足以使周围材料达到蒸发温度，所以不易出现分馏现象。
PLA 的主要特点 :(1)PLA 法可以生长和靶材成份一致的多元化合物薄膜，甚至是含有易挥发元素的多元化合物薄膜。其原因有三：第一，由于采用闪烁蒸发，脉冲作用时间短，重复频率低，表面熔蚀区只有1～10μm ，而靶的其他部分（包括夹具、垫板等）处于绝热状态，不受激光加热的影响，从而保证了蒸发原子与靶材的一致性。第二，由于等离子体的瞬间爆炸式发射，以及等离子体沿轴向空间的约束效应，防止了在输运过程中可能出现的成份偏析。第三，成膜的的原子、分子和离子具有极快的运动速度，增强了原子间的结合力，消除了由于不同种类原子与衬底之间粘接系数不同所引起的成份偏离。(2)准分子激光波长短，其辐射频率位于紫外波段，易于被金属、氧化物、陶瓷、玻璃、高分子材料和塑料等多种材料吸收。用其加热可以达到极高的温度，可蒸发任何高熔点材料，并且可以获得很高的沉积速率(10～50nm/min)。 ⑶蒸发粒子与等离子混合体能量高，入射原子在衬底表面的扩散剧烈。并且由于脉冲频率低，使得成膜原子的扩散时间也足够长。因此薄膜的附着力好，易于在低温下实现外延生长，特别适合于制作高温超导、铁电、压电、电光等功能薄膜。⑷由于等离子混合体具有极高的前向速度，真空室中残留气体的散射作用相对减弱，因此PLA 往往不要求在高真空下进行（例如，制备YBa 2Cu 3O 7-δ高温超导薄膜的本底真空通常为10Pa ），简化了设备，缩短了生产周期。 PLA 的缺点：(1)薄膜表面存在微米-亚微米尺度的颗粒物； (2)制备的薄膜面积较小；(3)某些靶膜成分不一致。 例：采用多源反应蒸发法沉积YBa2Cu3O7薄膜，若Y 的蒸汽压为10-4托，则为了获得化学计量比的薄膜，O2的分压应该是多少？（O2的温度为300K 。对应于10-4托蒸汽压，Y 的加热温度为1620K 。Y 、O 的原子量分别为88.9、16.0。假设各元素的蒸汽与基片的粘附
系数都是1。） 解：单源的蒸发速率为：
mkT p J π2=2222225
41058.23003216209.88105.31o o o o o Y Y Y O Y
P P P T M T M P J J --?=???=?==mkT p J π2=
得：氧气分压Po2=3.5×2.58×10-5 =9.04×10-5托
分子束外延的特点1能够严格控制生长过程和生长速率，不以蒸发温度来控制，而是通过四极质谱，原子吸收光谱来精密监控分子束的强度和种类。2）是超高真空的物理沉积过程，不需考虑输送过程及中间的反应，可用快，关闭和打开源的输运，因此可方便地进行掺杂。3）MBE是个动力学过程，可生长在普通热平衡下难以生长的薄膜。4）MBE衬底温度低，降低了热膨胀引入晶晶格失配和衬底材料对外延层的自掺杂。5）生长速率低，1个原子层/1秒，有利于精确控制膜厚5埃，特别适用于生长超晶格材料。6）装有多种表面分析仪器，有利于科学研究。
激光分子束外延生长方法的优点是：减少束源的影响,超高真空工艺,生长的薄膜能保持原来,靶材的化学计量比；实现薄膜生长的原位监测;适合于高熔点多组分的单晶薄膜生长
溅射镀膜的定义：高能离子在电场作用下高速轰击阴极（靶），经过能量交换与转移，靶材粒子飞离出来，淀积在基板上形成薄膜。
溅射时入射粒子的来源：气体放电
为什么用氩等惰性气体？通常采用Ar气，原因：1.电离率高2.惰性气体，不反应
为什么会产生辉光放电空气中有游离的离子，在电场加速获得能量后，与气体分子碰撞并使其电离，产生更多的离子，使更多的分子电离。之所以需要低气压，使因为在较高的气压下，平均自由程短，不能获得足够的能量使离子被加速。
AB段：电压增加，而电流密度增加很小，说明电压不够。
●BC段：电压不变，电流密度增加很快。说明电离已经产生，但电源的阻抗很大。
●C点：击穿电压VB
●CD段：“雪崩区”、离子轰击靶、释放出二次电子，二次电子与中性分子碰撞，产生更多离子，这些离子再轰击阴极，又产生新的二次电子。达到一定的电子、离子浓度后，气体起辉，两极间电流剧增，电压剧减。电阻呈负阻特征。
●DE段：电流与电压无关，增大功率时，电压不变，电流增加。放电能自动调节轰击阴极的面积，起初集中在阴极边缘或表面不规则处，随功率密度的增加，阴极面的电流密度达到近乎于均匀。
●EF段：继续增大功率，呈正电阻特性。溅射一般工作在此区。
F点以后：弧光放电。特点是两极间电阻很小
溅射的特点一、优点：
任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。只要是固体，不论是块状、粒状的物质都可以作为靶材。
溅射膜与基板之间的附着性好。
溅射原子的能量～10ev，蒸发～0.1ev。
表面迁移强，溅射清洗作用，伪扩散层。
溅射镀膜膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高，因为在溅射镀膜过程中，不存在真空镀膜时无法避免的坩埚污染现象。
膜厚可控性和重复性好。
缺点（
溅射设备复杂、需要高压装置；
●溅射淀积的成膜速度低，
真空蒸镀：0.1～5μm/min，
溅射：0.01～0.5μm/min。
●基板温升较高和易受杂质气体影响等。
?蒸发与溅射的比较1、淀积粒子的过程
?蒸发：热交换过程，气化过程，蒸发粒子能量低、附着力低；
?溅射：动量交换过程，能量交换率高，溅射粒子能量高，附着力好。
?2、淀积粒子的角分布
?蒸发：余弦分布，膜厚分布不均；
?溅射：轴平面对称性分布，状态与入射粒子动能有关。
?3、逸出粒子性质
?蒸发：不带电，极少热电子发射；
?溅射：离子种类多，性质各异，中性原子、正负离子、高能电子、光子、低能原子或离子团、气体分子、解吸附原子分子、入射离子。
?4、合金的蒸发、溅射不同
（1）粒子的产生过程
?蒸发：要出现分馏，膜成分偏离源组分，各元素的蒸发速率相差较大，膜成分随蒸发时间而变
?溅射：膜成分与靶材接近，各元素间溅射速率差异小
（2）迁移过程
?蒸发：真空度10-5~10-6Torr，λ＞源—基距，淀积粒子几乎不发生碰撞，直线淀积，薄膜不均匀；
?溅射：真空度10-2~10-4Torr，λ＜源—基距，
（3）成膜过程
a.溅射原子动能＞蒸发原子动能，有净化和粗化表面作用，促进吸附粒子迁移与核生
长；
b.溅射离子入射可渗透到几个原子层厚度，产生缺陷，使基板晶体结构畸变；
c.溅射入射离子可使成核小岛瞬间充电，有利于小岛聚集，晶核密度大，晶粒尺寸小。
为什么直流溅射不能溅射绝缘靶对于直流溅射绝缘靶，正离子轰击靶，使靶电位升高，离子加速电场逐渐变小
磁控溅射特点
1）高的沉积速率，比二极溅射高100倍；
离化率从0.3-0.5％5-6％。
2）基片温升低，只及RF入射能量的1/10。可对塑料
基片、光刻胶等进行溅射。
3）基片的辐照损伤低。
4）工作气压可下降2个数量级，
10Pa 0.5Pa
5）靶的平均电流密度高。
缺点：1）靶的不均匀刻蚀；2）强磁性材料困难。
离子镀的特点（与蒸发和溅射相比）
1）膜层附着性能好
原因：溅射清洗作用+伪扩散层
伪扩散层：膜、基界面的成份混合层，不是由扩散形成，是由溅射及反冲注入形成。
（2）膜层的密度高（通常与大块材料密度相同）
原因：成膜粒子（原子+离子）能量高，在基片表面扩散，迁移+溅射作用下，结合力松的原子被除去。
（3）线扰性能好
原因：
1）正离子参加成膜，而工件为阴极，可到达任何位置；
2）气压较高，碰撞散射作用强
?（4）可镀材质广泛。可在金属、塑料、陶瓷、玻璃、纸张等上镀各种材料。
?（5）有利于化合物膜层的形成,同反应蒸发、反应溅射类似，但能量更高→活性反
应离子镀
?（6）淀积速率高，与蒸发法速率相近
?离子镀膜的缺点
?A、某些器件不允许存在宽过渡组分区。（如异质节）
?B、基片温度比较高
?C、膜层中气体的含量比较高
?粒子轰击对薄膜生长的影响
1）伪扩散层的产生提高了薄膜的附着强度
2）增加成核密度，由表面形貌的变化引起
3）优先清除掉结构松散的原子
4）改变薄膜生长方式
蒸镀时（几何阴影效应）→柱状结构，岛、沟的出现离子镀，扩散增强→均匀颗粒状
5）改善薄膜的内应力
蒸发：拉应力，溅射：压应力，离子镀：压应力
活性反应离子镀电子枪的作用：
1.加热蒸发镀料
2.产生二次电子受探极加速，与镀料原子及反应气体碰撞，产生等离子体
3.二次电子受探极加速，与镀料原子及反应气体碰撞，产生等离子体。
4.镀料原子与反应气体反应，生成化合物沉积在基板上。
特点：
1）基片所需加热温度低。原因：电离增加了反应物的活性
2）沉积速率快，达um/min
3）可在任意基板上沉积薄膜
4）可通过调整反应气体压力或蒸发速率，得到不同产物
5）无污染。（采用了e电子枪）
?射频离子镀特点：
1.蒸发、离化、加速三种过程独立控制。
2.离化率高10%，工作气压低10-1－10-3Pa，镀层质量好。
3.易进行反应离子镀。
4.和其他离子镀相比，基片温升低，易控制。
原因：射频放电+高真空度，气体离子轰击不是温升的主要原因，而是热辐射和凝结热。
缺点：绕射性差，RF有害
CVD的特点
1、成膜的种类范围广
金属、非金属、合金、半导体、氧化物、单晶、多晶、有机材料、软质、超硬
2、化学反应可控性好，膜质量高
3、成膜的速度快（与PVD相比），适合大批量生产，膜的均匀性好（低真空，膜的
绕射性好），可在复杂形状工件上成膜
4、膜层的致密性好，内应力小，结晶性好（平衡状态成膜）
5、成膜过程的辐射损伤比较低，有利于制备多层薄膜，改变工作气体，可方便制备
高梯度差薄膜（材质）过渡区小(光电，半导体器件)
6、由于薄膜生长的温度比膜材料的熔点低得多，可获得纯度高、结晶完全的膜层，
这是半导体膜所必须的。7、CVD法可获得平滑的沉积表面。
缺点：
1.一般CVD的温度太高，使基板材料耐不住高温，界面扩散而影响薄膜质量。
2. 大
多数反应气体和挥发性气体有剧毒、易燃、腐蚀。3. 在局部表面沉积困难。
CVD与PVD相比较，具有以下优点：
1、沉积装置相对简单
2、可在低于熔点或分解温度下制备各种高熔点的金属薄膜和
碳化物、氮化物、硅化物薄膜及氧化物薄膜，可实现高温材料的低温生长3、适合在形状复杂表面及孔内镀膜4、成膜所需源物质，一般较易获得
PECVD的特点：
?低温工艺(300-350 oC)；?在较低压强下进行，薄膜成分均匀、针孔少，内应力小；
?扩大了CVD的应用范围，特别是在不同基体上制备各种金属薄膜、非晶态无机薄膜、有机聚合物薄膜等；?膜层的附着力大于普通CVD.
ALD沉积的优点
改变反应剂可获得特性良好的薄膜:
薄膜厚度由淀积周期数决定
前驱体具有饱和化学吸附特征→ 可实现大面积化学配比薄膜和3维保型(conformality)淀积
具有本征的均匀沉积性质
可低温沉积
在敏感性衬底上的淀积可以温和方式进行
ALD和CVD的比较
ALD
采用高反应性前驱体(Highly reactive precursors)
不同前驱体在衬底上的反应是分别进行
在制备温度下，前驱体不能分解
饱和淀积特性确保淀积薄膜的均匀性
通过控制反应周期来控制薄膜的厚度
可接受过量前驱体
CVD
弱反应的前驱体
(Less reactive precursors)
前驱体均在衬底上同时反应
在制备温度下前驱体可分解
均匀性淀积要求有均匀的气流和温度
需要通过精确控制和监测制备过程来实现薄膜厚度的控制
前驱体剂量控制很重要
材料物理性能期末复习题
期末复习题 一、填空（20） 1.一长30cm的圆杆，直径4mm，承受5000N的轴向拉力。如直径拉成3.8 mm，且体积保持不变，在此拉力下名义应力值为，名义应变值为。 2.克劳修斯—莫索蒂方程建立了宏观量介电常数与微观量极化率之间的关系。 3．固体材料的热膨胀本质是点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。 4．格波间相互作用力愈强，也就是声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈 介电常数一致，虚部表示了电介质中能量损耗的大小。 ．当磁化强度M为负值时，固体表现为抗磁性。8．电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。 9．无机非金属材料中的载流子主要是电子和离子。 10．广义虎克定律适用于各向异性的非均匀材料。 ?（1-m）2x。11．设某一玻璃的光反射损失为m，如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为 I 12．对于中心穿透裂纹的大而薄的板，其几何形状因子。 13．设电介质中带电质点的电荷量q，在电场作用下极化后，正电荷与负电荷的位移矢量为l，则此偶极矩为 ql 。 14．裂纹扩展的动力是物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。 15.Griffith微裂纹理论认为，断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果。16．考虑散热的影响，材料允许承受的最大温度差可用第二热应力因子表示。 17．当温度不太高时，固体材料中的热导形式主要是声子热导。 18．在应力分量的表示方法中，应力分量σ,τ的下标第一个字母表示方向，第二个字母表示应力作用的方向。 19．电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。 20．原子磁矩的来源是电子的轨道磁矩、自旋磁矩和原子核的磁矩。而物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。 21. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 22.复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 23.晶体发生塑性变形的方式主要有滑移和孪生。 24.铁电体是具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。 25.自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用。 二、名词解释(20) 自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。 断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性 能等。
《材料物理》 课程教学大纲
《材料物理》课程教学大纲 一、课程名称（中英文） 中文名称：材料物理 英文名称：Physics of Materials 二、课程代码及性质 课程代码:0801142 课程性质:专业基础课、专业必修课 三、学时与学分 总学时：40（理论学时：40学时；实践学时：0学时） 学分：2.5 四、先修课程 大学物理、材料科学基础 五、授课对象 本课程面向材料科学与工程专业、功能材料专业学生开设。 六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用） 本课程的教学目的: 1、掌握材料物理（能带论、晶格振动、材料磁性）的基本理论,具备解决和分析问题的能力； 2、掌握功能材料的物理（电学、热学、磁学、光学）现象与本质规律，培养学生开发新型功能材料的能力； 3、了解功能材料的发展趋势和动态,培养学生学习新知识的能力。
七、教学重点与难点： 教学重点： 影响材料物理性质的基本理论。晶体结合、能带论、晶格振动与热学性质、
材料的磁性 教学难点： 能带论、材料的磁性、材料的介电性、超导电性 八、教学方法与手段： 教学方法： (1)以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,保证主要教学内容的完成; (2)从材料的物理性质及物理现象为引导、探讨产生光、电、磁的材料物理本质，掌握重要的理论。。 教学手段： (1)运用现代教学工具,在课堂上通过PPT讲授方式,实现图文并茂,形象直观; (2)强调研究思路的创新过程，注重理论与实践相结合。每一个基本理论学习介绍后再增加介绍其带来新功能材料与器件的研究突破，引导学生的学习兴趣。 九、教学内容与学时安排 （1）总体安排 教学内容与学时的总体安排，如表2所示。 （2）具体内容 各章节的具体内容如下： 绪论（2h） 第一章晶体结构（4h） 1.1 晶格的周期性 1.2晶格的对称性 1.3 倒格子 1.4 准晶 第二章晶体结合 (4h) 2.1晶体结合的普遍描述 2.2 晶体结合的基本类型及特性
西北工业大学博士入学考试材料物理、材料综合复习题
2001博士秋季入学考试试题 1（16分）共价键的数目(为配位电子数)和方向(电子云密度最大方向)取决于什么？利用杂化轨道理论解释金刚石(sp 3)结构中的共价键，并计算碳的sp 3键的键角(109.28)。 2（12分）离子晶体在平衡时的结合能为：)11(80020n R NMe U E b -==πε，M 称为马德隆常数。试解释M 的意义。(西工大固体物理P41；M 是与晶体结构有关的常数) 3（12分）试比较经典的和量子的金属自由电子理论。(方俊鑫P285；黄昆P275) 4（12分）举例说明能带理论在解释固体材料有关性质(绝缘、半导、导体)、设计新材料中的应用。(西工大P111) 5（12分）解释金属及半导体的电阻率(高温时、低温时)随温度变化的规律。(西工大P192)
6（12分）分析固体表面的成分可采用那些分析技术和方法。(电子能谱：光电子能谱、俄歇电子、离子中和谱；离子谱：低能离子散射、高能离子散射、二次离子质谱、溅射中性粒子谱、致脱附离子角分布) 7（12分）晶体致的电缺陷有那些类型？分析其形成原因及对晶体性质的影响。（西工大P149、151） 8（12分）简述物质超到态的主要特征。（西工大P206、零电阻，充合抗磁） 答：1，低能电子衍射；2，表面敏感扩展X 吸收精细结构；3，场离子显微镜；4，电子显微镜；5，投射电子显微镜，扫描电子显微镜；6，扫描隧道显微镜；7，原子力显微镜；8，摩擦力显微镜 2001博士春季入学考试试题 1（16）N 对离子组成的NaCl 晶体的总互作用势能为 ??????-=R e R B N R U n 024)(πεα 其中α是马德隆常数，B 为晶格参量，n 为玻恩指数。 （1） 证明平衡原子间距为n e B R n 2 0104απε=- （2） 证明平衡时的结合能为)11(4)(0020n R Ne R U --=πεα
材料物理性能考试复习资料
1. 影响弹性模量的因素包括:原子结构、温度、相变。 2. 随有温度升高弹性模量不一定会下降。如低碳钢温度一直升到铁素体转变为 奥氏体相变点，弹性模量单调下降，但超过相变点，弹性校模量会突然上升，然后又呈单调下降趋势。这是在由于在相变点因为相变的发生，膨胀系数急剧减小，使得弹性模量突然降低所致。 3. 不同材料的弹性模量差别很大，主要是因为材料具有不同的结合键和键能。 4. 弹性系数Ks 的大小实质上代表了对原子间弹性位移的抵抗力，即原子结合 力。对于一定的材料它是个常数。 弹性系数Ks 和弹性模量E 之间的关系:它们都代表原子之间的结合力。因为建立的模型不同，没有定量关系。（☆） 5. 材料的断裂强度：a E th /γσ= 材料断裂强度的粗略估计：10/E th =σ 6. 杜隆-珀替定律局限性:不能说明低温下，热容随温度的降低而减小，在接近 绝对零度时，热容按T 的三次方趋近与零的试验结果。 7. 德拜温度意义: ① 原子热振动的特征在两个温度区域存在着本质差别，就是由德拜温 度θD 来划分这两个温度区域: 在低θD 的温度区间，电阻率与温度的5次方成正比。 在高于θD 的温度区间，电阻率与温度成正比。 ② 德拜温度------晶体具有的固定特征值。 ③ 德拜理论表明:当把热容视为(T/θD )的两数时，对所有的物质都具有 相同的关系曲线。德拜温度表征了热容对温度的依赖性。本质上， 徳拜温度反应物质内部原子间结合力的物理量。 8. 固体材料热膨胀机理： （1） 固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升 高而增大。 （2） 晶体中各种热缺陷的形成造成局部点阵的畸变和膨胀。随着温度升 高，热缺陷浓度呈指数增加，这方面影响较重要。 9. 导热系数与导温系数的含义: 材料最终稳定的温度梯度分布取决于热导率，热导率越高，温度梯度越小;而趋向于稳定的速度,则取决于热扩散率,热扩散率越高，趋向于稳定的速度越快。 即:热导率大，稳定后的温度梯度小，热扩散率大，更快的达到“稳定后的温度梯度”（☆） 10. 热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，故又称为抗热震 性。 热稳定性破坏(即抗热振性)的类型有两种：抗热冲击断裂性和抗热冲击损伤性。 11. 提高材料抗热冲击断裂性能的措施 ①提高材料强度σ，减小弹性模量E ，σ/E 增大，即提高了材料柔韧性，这样可吸收较多的应变能而不致于开裂。晶粒较细，晶界缺陷小，气孔少且分散者，强度较高，抗热冲击断裂性较好。
(完整版)大学物理上册复习提纲
《大学物理》上册复习纲要 第一章 质点运动学 一、基本要求： 1、 熟悉掌握描述质点运动的四个物理量——位置矢量、位移、速度和加速度。会处理两类问题：（1）已知运动方程求速度和加速度；（2）已知加速度和初始条件求速度和运动方程。 2、 掌握圆周运动的角速度、角加速度、切向加速度和法向加速度。 二、内容提要： 1、 位置矢量： z y x ++= 位置矢量大小： 2 22z y x ++= 2、 运动方程：位置随时间变化的函数关系 t z t y t x t )()()()(++= 3、 位移?： z y x ?+?+?=? 无限小位移：k dz j dy i dx r d ++= 4、 速度： dt dz dt dy dt dx ++= 5、 加速度：瞬时加速度： k dt z d j dt y d i dt x d k dt dv j dt dv i dt dv a z y x 222222++=++= 6、 圆周运动： 角位置θ 角位移θ? 角速度dt d θω= 角加速度22dt d dt d θ ωα== 在自然坐标系中：t n t n e dt dv e r v a a +=+=2 三、 解题思路与方法： 质点运动学的第一类问题：已知运动方程通过求导得质点的速度和加速度，包括它沿各坐标轴的分量；
质点运动学的第二类问题：首先根据已知加速度作为时间和坐标的函数关系和必要的初始条件，通过积分的方法求速度和运动方程，积分时应注意上下限的确定。 第二章 牛顿定律 一、 基本要求： 1、 理解牛顿定律的基本内容； 2、 熟练掌握应用牛顿定律分析问题的思路和解决问题的方法。能以微积分为工具，求解一维变力作用下的简单动力学问题。 二、 内容提要： 1、 牛顿第二定律: a m F = 指合外力 a 合外力产生的加速度 在直角坐标系中： x x ma F = y y ma F = z z ma F = 在曲线运动中应用自然坐标系: r v m ma F n n 2 == dt dv m ma F t t == 三、 力学中常见的几种力 1、 重力: mg 2、 弹性力: 弹簧中的弹性力kx F -= 弹性力与位移成反向 3、 摩擦力：摩擦力指相互作用的物体之间，接触面上有滑动或相对滑动趋势产生的一种阻碍相对滑动的力，其方向总是与相对滑动或相对滑动的趋势的方向相反。 滑动摩擦力大小: N f F F μ= 静摩擦力的最大值为：N m f F F 00μ= 0μ静摩擦系数大于滑动摩擦系数μ 第三章 动量守恒定律和能量守恒定律 一、 基本要求： 1、 理解动量、冲量概念，掌握动量定理和动量守恒定律，并能熟练应用。 2、 掌握功的概念，能计算变力作功，理解保守力作功的特点及势能的概念。 3、 掌握动能定理、功能原理和机械能守恒定律并能熟练应用。 4、 了解完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞的特点。 二、 内容提要 （一） 冲量
综合材料物理性能检验复习提纲
2010综合材料物理性能检验复习提纲 一、质量技术监督 (一) 基本概念 (二) 相关法律 (三) 误差分析及提高测量准确度及可靠性途径 (四) 数据处理 (五) 样品抽取和准备 例题1、优良的职业道德是新时期质检行业端正行业作风和加强精神文明建设的 需 要，也是树立技术监督“科学、公正、廉洁、高效”的行业形象的需要。 例题2、方法标准是指以产品性能、 质量方面的检测、实验方法为对象而制定 的标准。代号GB/T 表示推荐性国标；GB 表示强制性国标 。 例题3、我国标准分为 国家 、 行业 、地方和 企业标准四级。 例题4、技术标准分为 方法标准 、安全卫生与环境保护 、产品标准和 基础标 准四类。 例题5、下列数据可作为三位有效数字运算的是（ B ）。 A 0.79 B 0.81 C lg M =7.02 例题6、标准要求样品性能指标值w ≤0.05，下列测定的（ A ）样品符合标准 要求。 A w=0.046 B w=0.051 C w=0.056 例题7、若log 10N 为11.20，则N 的值为（ C ）。 A 6.300×10-12 B 6.30×10-12 C 6.3×10-12 例题8、8.5002034 .0512.21003.40.314 +???-的计算结果是（ B ）。 例题9、随机误差 由偶然或不可测因素引起的误差称为随机误差。随机误差具有有界性、单峰性、对称性、 抵偿性。可以用增加测定次数的方法减小随机误差。 例题10、Q 值检验法 处理可疑离群值的数理统计方法之一。适用于测定次数为3——10次的检验。具体做法是： 按大小排列数据；计算统计量Q 0=(X n -X n-1)/(X n -X 1)；根据自由度和显着性水平查出，统计量 的临界值Q n ；比较Q 0和Q n ，若Q 0T a ，则离群值应予剔除。 例题12、简述提高测定的准确度和测定结果的可靠性的方法。 （消除系统误差：仪器校正、空白试验、标准物质或标准方法对照。减小随机误差：增加测定次数。） 例题13*、已知某物理量的真值为50.36，A 、B 、C 三人同时测定次物理量，各 测四次，数据如下： A 50.20 50.20 50.18 50.17 B 50.40 50.30 50.20 50.10
江大材料物理性能复习资料
第一章 材料的热学性能 1.热容的概念(P42)：热容是分子或原子热运动的能量随温度变化而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K 所需增加的能量。温度不同，物体的热容不一定相同，温度T 时物体热容为：)/()(K J T Q C T T ??=（简单点就直接用这个吧：T Q C ??=） PS ：物理意义：吸收热量提高点阵振动能量，对外做功，加剧电子运动 比热容（单位质量）：T m Q C ???= 2.晶体热容的经验定律(P42)： 杜隆—珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/(K ·mol) 奈曼—柯普定律：化合物热容等于构成此化合物各元素原子热容之和 3.从材料结构比较金属、无机非金属、高聚物的热容大小(P46)： A 金属：a 纯金属：热容由点阵振动和自由电子运动两部分组成： T T C C C e V L V V γα+=+=3 b 合金金属：符合奈曼—柯普定律∑==+++=n i im i nm n m m m C x C x C x C x C 12121Λ B 无机非金属：a 符合热容理论，一般都是从低温时的一个低数值增加到1273K 左右近似于 25J/(K ·mol)的数值；b 无机材料热容与材料结构关系不大，但单位体积热容与气孔率有关，多孔质轻热容小；c 当材料发生相变：一级相变：体积突变，有相变潜热，温度Tc 热容无穷大，不连续变化；二级相变：无体积突变，无相变潜热，在转变点热容达到有限极大值(P47 C 高聚物：多为部分结晶或无定型结构，热容不一定符合理论式，热容相对较大，且由化学结构决定，温度升高链段振动加剧，改变链运动状态（主链、支链（链节、侧基））。 4.从材料结构比较金属、无机非金属、高聚物的热传导机制(P53)： A 金属：有大量自由电子，且电子质轻，实现热量迅速传递，热导率一般较大。纯金属温度升高使自由程减小作用超过温度直接作用，热导率随温度上升而下降；合金热传导以自由电子和声子为主，因异类原子存在，温度本身起主导作用，热导率随温度上升增大。 B 无机非金属：晶格振动为主要传导机制，即声子热导为主，约为金属热传导的三十分之一。 C 高聚物：热导率与温度关系比较复杂，但总体来说热导率随温度的增加而增加。高聚物主要依靠链段运动传热为主，而高分子链段运动比较困难，热导能力比较差。 5.材料热膨胀物理本质：热膨胀是指物体体积或长度随温度升高而增大的现象。膨胀是原子间距（晶格结点原子振动的平衡位置间的距离）增大的结果，温度升高，原子平衡位置移动，原子间距增大，导致膨胀。双原子模型：P49 图2- 6. 图2-5 热焓、热容与加热温度的关系)。
材料物理性能思考题
材料物理性能思考题 第一章：材料电学性能 1如何评价材料的导电能力？如何界定超导、导体、半导体和绝缘体材料？ 2 经典导电理论的主要内容是什么？它如何解释欧姆定律？它有哪些局限性？ 3 自由电子近似下的量子导电理论如何看待自由电子的能量和运动行为？ 4 根据自由电子近似下的量子导电理论解释：准连续能级、能级的简并状态、 简并度、能态密度、k空间、等幅平面波和能级密度函数。 5 自由电子近似下的等能面为什么是球面？倒易空间的倒易节点数与不含自旋 的能态数是何关系？为什么自由电子的波矢量是一个倒易矢量？ 6 自由电子在允许能级的分布遵循何种分布规律？何为费米面和费米能级？何 为有效电子？价电子与有效电子有何关系？如何根据价电子浓度确定原子的费米半径？ 7 自由电子的平均能量与温度有何种关系？温度如何影响费米能级？根据自由 电子近似下的量子导电理论，试分析温度如何影响材料的导电性。 8 自由电子近似下的量子导电理论与经典导电理论在欧姆定律的微观解释方面 有何异同点？
9 何为能带理论？它与近自由电子近似和紧束缚近似下的量子导电理论有何关 系？ 10 孤立原子相互靠近时，为什么会发生能级分裂和形成能带？禁带的形成规律 是什么？何为材料的能带结构？ 11 在布里渊区的界面附近，费米面和能级密度函数有何变化规律？哪些条件下 会发生禁带重叠或禁带消失现象？试分析禁带的产生原因。 12 在能带理论中，自由电子的能量和运动行为与自由电子近似下有何不同？ 13 自由电子的能态或能量与其运动速度和加速度有何关系？何为电子的有效质 量？其物理本质是什么？ 14 试分析、阐述导体、半导体（本征、掺杂）和绝缘体的能带结构特点。 15 能带论对欧姆定律的微观解释与自由电子近似下的量子导电理论有何异同 点？ 16 解释原胞、基矢、基元和布里渊区的含义
八年级物理上册复习资料
最新八年级物理上册复 习资料 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
第一章 机械运动 一、参照物 1、定义：为研究物体的运动假定不动的物体叫做参照物。 2、任何物体都可做参照物，通常选择参照物以研究问题的方便而定。如研究地面上的物体的运动，常选地面或固定于地面上的物体为参照物，在这种情况下参照物可以不提。 3、选择不同的参照物来观察同一个物体结论可能不同。同一个物体是运动还是静止取决于所选的 参照物，这就是运动和静止的相对性。 4、不能选择所研究的对象本身作为参照物那样研究对象总是静止的。 练习：1、诗句“满眼风光多闪烁，看山恰似走来迎，仔细看山山不动，是船行”其中“看山恰似 走来迎”和“是船行”所选的参照物分别是 船 和 山 。 2、坐在向东行使的甲汽车里的乘客，看到路旁的树木向后退去，同时又看到乙汽车也从甲汽车旁向后退去，试说明乙汽车的运动情况。 分三种情况：①乙汽车没动 ②乙汽车向东运动，但速度没甲快 ③乙汽车向西运动。 二、机械运动 1、定义：物理学里把物体位置变化叫做机械运动。 2、特点：机械运动是宇宙中最普遍的现象。 3、比较物体运动快慢的方法： ⑴比较同时启程的步行人和骑车人的快慢采用：时间相同路程长则运动快 ⑵比较百米运动员快慢采用：路程相同时间短则运动快 ⑶百米赛跑运动员同万米运动员比较快慢，采用：比较单位时间内通过的路程。实际问题中多用这种方法比较物体运动快慢，物理学中也采用这种方法描述运动快慢。 练习:体育课上，甲、乙、丙三位同学进行百米赛跑，他们的成绩分别是14.2S, 13.7S,13.9S,则获 得第一名的是 同学，这里比较三人赛跑快慢最简便的方法是路程相同时间短运动的快。 4、分类：（根据运动路线）⑴曲线运动 ⑵直线运动 Ⅰ、匀速直线运动： A 、定义：快慢不变，沿着直线的运动叫匀速直线运动。 定义：在匀速直线运动中，速度等于运动物体在单位时间内通过的路程。 物理意义：速度是表示物体运动快慢的物理量 计算公式： 变形 ， B 、速度 单位：国际单位制中 m/s 运输中单位km/h 两单位中m/s 单位大。 换算：1m/s=3.6km/h 。 人步行速度约1.1m/s 它表示的物理意义是：人匀速步行时1秒中运动1.1m 直接测量工具：速度计 从图象中可以看出匀速运动的物 v s t = t s v = v t s =
无机材料物理性能期末复习题汇总
期末复习题参考答案 一、填空 1.一长30cm的圆杆，直径4mm，承受5000N的轴向拉力。如直径拉成3.8 mm，且体积保持不变，在此拉力下名义应力值为，名义应变值为。 2.克劳修斯—莫索蒂方程建立了宏观量介电常数与微观量极化率之间的关系。 3．固体材料的热膨胀本质是点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。 4．格波间相互作用力愈强，也就是声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低。 5．电介质材料中的压电性、铁电性与热释电性是由于相应压电体、铁电体和热释电体都是不具有对称中心的晶体。 6．复介电常数由实部和虚部这两部分组成，实部与通常应用的介电常数一致，虚部表示了电介质中能量损耗的大小。 7．无机非金属材料中的载流子主要是电子和离子。 8．广义虎克定律适用于各向异性的非均匀材料。 ?（1-m）2x。9．设某一玻璃的光反射损失为m，如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为 I 10．对于中心穿透裂纹的大而薄的板，其几何形状因子Y= 。 11．设电介质中带电质点的电荷量q，在电场作用下极化后，正电荷与负电荷的位移矢量为l，则此偶极矩为 ql 。 12．裂纹扩展的动力是物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。 13.Griffith微裂纹理论认为，断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果。14．考虑散热的影响，材料允许承受的最大温度差可用第二热应力因子表示。 15．当温度不太高时，固体材料中的热导形式主要是声子热导。 16．在应力分量的表示方法中，应力分量σ,τ的下标第一个字母表示方向，第二个字母表示应力作用的方向。 17．电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。 18．原子磁矩的来源是电子的轨道磁矩、自旋磁矩和原子核的磁矩。而物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。 19. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 20.复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 21.晶体发生塑性变形的方式主要有滑移和孪生。 22.铁电体是具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。 23.自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用。 二、名词解释 自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。 断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性 能等。 滞弹性：当应力作用于实际固体时，固体形变的产生与消除需要一定的时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。 格波：处于格点上的原子的热振动可描述成类似于机械波传播的结果，这种波称为格波，格波的一个
九年级物理上册复习资料
九年级物理复习提纲 第十一章《多彩的物质世界》复习提纲 一、宇宙和微观世界 1、一切物体都是由物质组成: 2、物质是由分子组成的: 任何物质都是由极其微小的粒子组成的，这些粒子保持了物质原来的性质，叫做分子。 分子大小只有百亿分之几米，以10-10 m 做单位来量度。 3、分子又是由原子组成的。原子结构：原子由原子核和核外电子组成。原子核位于原子中心核外电子绕核高速转动，原子的这种结构叫核式结构。 二、质量： 1、定义：物体所含物质的多少叫质量。 2、单位：国际单位制：主单位kg ，常用单位：吨（t ）、克（ g ）、毫克（ mg ） 对质量的感性认识：一枚大头针约80mg 一个苹果约 150g 一头大象约 6t 一只鸡约2kg 3、质量的理解：固体的质量不随物体的形态、状态、位置、温度 而改变，所以质量是物体本身的一种属性。 4、质量的测量： ⑴实验室常用的测量工具托盘天平。 ⑵ 托盘天平的使用方法：口诀：放于平台游归零,调节螺母横梁平,左物右砝摆放好,加减砝码调游码, 天平平衡读质量.物体质量砝加游。具体如下: ① “放”：把天平放在水平台上，把游码放在标尺左端的零刻度线处。 ② “调”：调节横梁右端的平衡螺母使指针指在分度盘的中线处， 这时横梁平衡。调节方法：左偏左沉向右调，右偏右沉向左调。 ③ “称”：把被测物体放在左盘里，用镊子向右盘里加减砝码，并调节游码在标尺上的位置，直到横梁恢 复平衡。 ④ “读”：被测物体的质量=盘中砝码总质量+ 游码在标尺上所对的刻度值 二、密度： 1、定义：单位体积的某种物质的质量叫做这种物质的密度。 2、 公式： 变形 3、单位：国际单位制： kg/m 3，常用单位g/cm 3。这两个单位比较：g/cm 3单位大。单位换算关系：1g/cm 3=103kg/m 3 水的密度为1.0×103kg/m 3（记住），读作1.0×103 千克每立方米，它表示物理意义是：1立方米的水的质量为1.0 ×103 千克。 4、理解密度公式 ⑴同种材料，同种物质的密度是一定的，不同种类物质，其密度一般也不同。 可见， 物质的密度大小只跟物质的种类有关，物质种类不同其密度是不同的，所以说密度是物质的一种特性。相对的密度的大小跟物质组成的物体的质量多少、体积大小是无关的。对于同一物质而言，当状态或温度发生变化时，其密度也会发生变化。 5、测体积——量筒（量杯） ⑴用途：测量液体体积（间接地可测固体体积）。 ⑵使用方法：“看”：单位：毫升（ml ）=厘米3 ( cm 3 ) 量程、分度值。 “读”：量筒里地水面是凹形的，读数时，视线要和凹面的底部相平。 6、测固体的密度： ： ρ m V = V m ρ = V m ρ = ρ m V = ρ m V = 原理 浮在水面： 工具（量筒、水、细线） 方法：1、在量筒中倒入适量的水，读出体积V 1；2、用细线系好物体，浸没在量筒中，读出总体积V 2，物体体积V =V 2-V 1 沉入水中： 形 状 不 规 则 质量 工具天平
材料物理复习资料
第2、3、4章 1.内容提要 理想的完整晶体是不存在的。在实际晶体中，总存在着偏离理想结构的区域--晶体缺陷。按其几何特征，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。 点缺陷包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等。点缺陷通常是由于原子的热运动并存在能量起伏而导致的。在一定温度下，点缺陷处于不断产生和复合的过程中。当这两个过程达到平衡时，此时的点缺陷浓度就是该温度下的平衡浓度。它根据热力学理论求得： 另外晶体中的点缺陷还可通过高温淬火、冷变形以及高能粒子的辐照效应等形成。此时晶体点缺陷浓度往往超过其平衡浓度，称为过饱和点缺陷。 晶体的线缺陷表现为各种类型的位错。位错的概念是在研究晶体滑移过程时
提出的。它相当于滑移面上已滑移区和未滑移区的交界线。位错按几何特征分为刃型位错和螺型位错两大类。但实际晶体中大量存在的是混合位错。柏氏矢量b 是一个反映位错周围点阵畸变总积累的重要物理量。该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向，即位错运动导致晶体滑移的方向；该矢量的模∣b∣表示了畸 变的程度，称为位错的强度，而且∣b∣。一根位错线具有唯一的柏氏矢量，这是柏氏矢量的守恒性所决定的。柏氏矢量不仅决定位错的组态及其运动方向，而且对位错的一系列属性，如位错的应力场、应变能，位错的受力状态，位错增殖与交互作用，位错反应等都有很大影响。对刃型位错，运动方式有滑移和攀移两种，而对螺型位错，则只能滑移，但由于其滑移面不是唯一的，故可进行交滑移或双交滑移。位错的组态，分布及密度大小对材料性能影响很大。材料塑性变形就是大量位错运动的结果。位错理论可用来解释材料的屈服现象、加工硬化和弥散强化机制。 晶界、亚晶界、相界、层错等属于晶体的面缺陷。 根据界面两侧晶粒的位向差，晶界分为小角度晶界和大角度晶界。小角度晶界又可分为倾斜晶界、扭转晶界等，它们的结构可用相应的位错模型来描述。多晶材料中大量存在的是大角度晶界。大角度晶界的结构较复杂，其中原子排列不规则，不能用位错模型来描述。 多相合金中同一相中的界面也是晶界和亚晶界，不同相之间的界面是相界。相界的结构有共格、半共格和非共格三类，单相合金或多相合金中的层错和孪晶界都是共格界。共格界面的界面能最低。 2.重点与难点 1. 点缺陷的形成与平衡浓度； 2. 柏氏矢量的确定，物理意义及守恒性； 3. 位错的基本类型和特征； 4. 判断位错运动方向的右手法则 5. 分析归纳位错运动的两种基本形式：滑移和攀移的特点；
材料物理科学基础 = 1 ROMAN I课程教学大纲
材料物理科学基础I课程教学大纲 课程名称：材料物理科学基础I 课程编号：02100050 英文名称：Foundation of Materials Science I 学时：56学时学分：3.5学分开课学期：第五学期 适用专业：材料物理 课程类别：必修 课程性质：专业基础课 先修课程：高等数学、大学物理、物理化学、材料力学。 教材：《材料科学基础》赵品谢辅洲主编哈尔滨工业大学出版社 一、课程的性质及任务 本课程是是材料物理专业的一门重要的专业技术基础课程。 课程的目的及任务：其目的是使学生通过本课程的学习，了解并掌握常用的工程材料基本原理、主要类型（包括金属材料、非金属材料和复合材料等）以及主要的性能特点和适用范围，从而为在实际的工程应用中合理的设计并使用各种材料奠定良好的基础。本课程的具体任务是：熟悉常用工程材料的基本原理；熟悉常用材料的成分、组织结构与性能间的关系，以及有关的加工工艺的影响；初步掌握常用工程材料的性能和应用，并初步具备选用常用材料的能力。 二、课程内容及学习方法 1、材料的结构 材料的结合方式。 晶体学基础。 材料的晶体结构。 2、晶体缺陷 点缺陷：点缺陷的类型及形成，点缺陷的运动及平衡浓度，点缺陷对性能的影响。 线缺陷：位错的基本概念，位错的运动，位错的弹性性质，实际晶体中的位错。 面缺陷：外表面，晶界与亚晶界。 3、扩散 扩散定律：菲克第一定律，菲克第二定律，扩散方程在生产中的应用举例，扩
散的驱动力及上坡扩散。 扩散机制：间隙扩散，置换扩散，扩散系数公式。 影响扩散的因素：温度，固溶体类型，晶体结构，浓度，合金元素的影响，短路扩散。 反应扩散。 4、钢的热处理原理与工艺 固态相变概论。 钢在加热时的转变：奥氏体的形成过程，奥氏体晶粒长大及其控制。 钢在冷却时的转变：冷却条件对钢性能的影响，过冷奥氏体等温转变曲线，影响过冷奥氏体等温转变的因素，过冷奥氏体连续冷却转变曲线。 珠光体转变：珠光体的组织形态、结构和性能，珠光体的形成，非共析钢先共析相的形成。 马氏体转变：钢中马氏体的晶体结构，钢中马氏体转变的主要特点，钢中马氏体的形态及亚结构，马氏体的性能，奥氏体稳定化和残余奥氏体。 贝氏体转变：贝氏体转变的基本特征，贝氏体形态，贝氏体的形成过程，贝氏体的力学性能。 淬火钢的回火转变：淬火碳钢回火时的组织转变，回火组织与性能，回火脆性。 钢的退火与正火：钢的退火及应用，钢的正火及应用。 钢的淬火与回火：钢的淬火，钢的回火。 钢的表面热处理：钢的表面淬火，钢的化学热处理。 其他热处理与表面热处理新技术。 5、工业用钢 钢的分类及编号：钢的分类，钢的编号。 合金元素在钢中的作用：合金元素在钢中的分布，合金元素对相变的影响。 工程结构钢：普通质量碳素结构钢，低合金结构钢。 机器结构钢：概述，调制钢，渗碳钢，弹簧钢，滚动轴承钢。 工具钢：刃具钢，模具钢，量具钢。 特殊性能钢：不锈钢，耐热钢，其他特殊性能的钢及合金。 6、铸铁 概述：铸铁的分类，铁碳合金双重相图和铸铁的石墨化，铸铁的组织与性能。 常用普通铸铁：灰口铸铁，可锻铸铁，球墨铸铁。 特殊性能铸铁：耐磨铸铁，耐热铸铁，耐蚀铸铁。 三、课程的教学要求 1、材料的结构 材料的结合方式，晶体学基础，材料的晶体结构。
材料物理性能复习题
一、名词解释 光矢量：即是光波的电场强度矢量。 双折射：当光束通过各向异性介质表面时，折射光会分成两束沿着不同的方向传播，这种由一束入射光折射后分成两束光的现象。 光轴：通过改变入射光的方向，可以发现，在晶体中存在一些特殊的方向，沿着这些方向传播的光不会发生双折射，这些特殊的方向称为晶体的光轴。 热膨胀：物质在加热或冷却时的热胀冷缩现象称为热膨胀。 朗伯特定律：l e I I α-=0，在介质中光强随传播距离呈指数形式衰减的规律即称为朗伯特定律。 热稳定性：指材料承受高温的急剧变化而不致破坏的能力，也称为抗热震性。 滞弹性：指材料在交变载荷的情况下表现为应变对应力的滞后特性即称为滞弹性。 应力感生有序：溶解在固溶体中孤立的间隙原子，置换原子，在外加应力时，这些原子所处的位置的能量即出现差异，因而原子要发生重新分布，即产生有序排列，这种由于应力引起的原子偏离无序状态分布叫应力感生有序。 穆斯堡耳效应：固体中的无反冲核共振吸收即为穆斯堡尔效应。 高分子的分子结构：指除具有低分子化合物所具有的，如同分异构、几何异构、旋光异构等结构特征之外，还有高分子量，通常由103~105个结构单元组成的众多结构特点。 高分子的聚集态结构：是指大分子堆砌、排列的形式和结构。 均方末端距：是描述高分子链的形状和大小时采用末端距的2次方的平均值，用r 2表示，称为均方末端距。 二、填空题 1、下图为聚合物的蠕变和回复曲线，可见一个聚合物材料的总形变是三种形变之和，其中 ε1为普弹形变、 ε2为高弹形变、 ε3为粘性流动。 2、从微观上分析，光子与固体材料相互作用的两种重要结果是：电子极化和电子能态转变 3、在光的非弹性散射光谱中，出现在瑞利线低频侧的散射线统称为斯托克斯线，而在瑞利线高频侧的散射线统称为反斯托克斯线。 4、掺杂在各种基质中的三价稀土离子，它们产生光学跃迁的是4f 电子。 5、红宝石是历史上首先获得的激光材料，它的发光中心是C r 3+ 离子。 6、非稳态法测量材料的热导率是根据试样温度场随时间变化的情况来测量材料热传导性能的方法。 7、弹性模量的物理本质是标志原子间结合力的大小。 8、测量弹性模量的方法有两种：一种是静态测量法，另一种是动态测量法。 9、图中表示曲线（a ）表示熔融石英玻璃（SiO 2）、曲线（b ）表示非晶态聚苯乙烯（PS ）的热导率随温度的变化。
材料的电学性能测试
材料科学实验讲义 (一级实验指导书) 东华大学材料科学与工程中心实验室汇编 2009年7月
一、实验目的 按照导电性能区分，不同种类的材料都可以分为导体、半导体和绝缘体三大类。区分标准一般以106Ω?cm和1012Ω?cm为基准，电阻率低于106Ω?cm称为导体，高于1012Ω?cm称为绝缘体，介于两者之间的称为半导体。然而，在实际中材料导电性的区分又往往随应用领域的不同而不同，材料导电性能的界定是十分模糊的。就高分子材料而言，通常是以电阻率1012Ω?cm为界限，在此界限以上的通常称为绝缘体的高分子材料，电阻率小于106Ω?cm称为导电高分子材料，电阻率为106 ～1012Ω?cm常称为抗静电高分子。通常高分子材料都是优良的绝缘材料。 通过本实验应达到以下目的： 1、了解高分子材料的导电原理，掌握实验操作技能。 2、测定高分子材料的电阻并计算电阻率。 3、分析工艺条件与测试条件对电阻的影响。 二、实验原理 1、电阻与电阻率 材料的电阻可分为体积电阻(R v)与表面电阻(R s)，相应的存在体积电阻率与表面电阻率。 体积电阻：在试样的相对两表面上放置的两电极间所加直流电压与流过两个电极之间的稳态电流之商；该电流不包括沿材料表面的电流。在两电极间可能形成的极化忽略不计。 体积电阻率：在绝缘材料里面的直流电场强度与稳态电流密度之商，即单位体积的体积电阻。 表面电阻：在试样的某一表面上两电极间所加电压与经过一定时间后流过两电极间的电流之商；该电流主要为流过试样表层的电流，也包括一部分流过试样体积的电流成分。在两电极间可能形成的极化忽略不计。 表面电阻率：在绝缘材料的表面层的直流电场强度与线电流密度之商，即单位面积的表面电阻。 体积电阻和表面电阻的试验都受下列因素影响：施加电压的大小和时间；电极的性质和尺寸；在试样处理和测试过程中周围大气条件和试样的温度、湿度。高阻测量一般可以利用欧姆定律来实现，即R=V/I。如果一直稳定通过电阻的电流，那么测出电阻两端的电压，就可以算出R的值。同样，给被测电阻施加一个已知电压，测出流过电阻的电流，也可以算出R的值。问题是R值很大时，用恒流测压法，被测电压V=RI将很大。若I=1μA，R=1012Ω，要测的电压V=106V。用加压测流法，V是已知的，要测的电流I=V/R将很小。因为处理弱电流难度相对小些，我们采用加压测流法，主要误差来源是微弱电流的测量。 2、导电高分子材料的分类
材料物理性能考试重点、复习题电子教案
材料物理性能考试重点、复习题
精品资料 1.格波：在晶格中存在着角频率为ω的平面波，是晶格中的所有原子以相同频率振动而 形成的波，或某一个原子在平衡附近的振动以波的形式在晶体中传播形成的波 2.色散关系：频率和波矢的关系 3.声子：晶格振动中的独立简谐振子的能量量子 4.热容：是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K 所需要增加的能量。 5.两个关于晶体热容的经验定律：一是元素的热容定律----杜隆-珀替定律：恒压下元素的 原子热容为25J/(K*mol);另一个是化合物的热容定律-----奈曼-柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。 6.热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀 7.固体材料热膨胀机理：材料的热膨胀是由于原子间距增大的结果，而原子间距是指晶 格结点上原子振动的平衡位置间的距离。材料温度一定时，原子虽然振动，但它平衡位置保持不变，材料就不会因温度升高而发生膨胀；而温度升高时，会导致原子间距增大。 8.温度对热导率的影响：在温度不太高时，材料中主要以声子热导为主,决定热导率的因 素有材料的热容C、声子的平均速度V和声子的平均自由程L,其中v通常可以看作常数,只有在温度较高时,介质的弹性模量下降导致V减小。材料声子热容C在低温下与温度T3成正比。声子平均自由程V随温度的变化类似于气体分子运动中的情况，随温度升高而降低。实验表明在低温下L值的变化不大，其上限为晶粒的线度，下限为晶格间距。在极低温度时，声子平均自由程接近或达到其上限值—晶粒的直径；声子的热容C则与T3成正比；在此范围内光子热导可以忽略不计，因此晶体的热导率与温度的三次方成正比例关系。在较低温度时，声子的平均自由程L随温度升高而减小，声子的热容C仍与T3成正比，光子热导仍然极小，可以忽略不计，此时与L相比C对声子热导率的影响更大,因此在此范围内热导率仍然随温度升高而增大,但变化率减小。 在较高温度下，声子的平均自由程L随温度升高继续减小,而声子热容C趋近于常数,材料的热导率由L随温度升高而减小决定。随着温度升高,声子的平均自由程逐渐趋近于其最小值,声子热容为常数,光子平均自由程有所增大,故此光子热导逐步提高,因此高温下热导率随温度升高而增大。一般来说,对于晶体材料，在常用温度范围内，热导率随温度的上升为下降。 9.影响热导率的因素:1）温度的影响，一般来说，晶体材料在常用温度范围内，热导率随 温度的上升而下降。2）显微结构的影响。3）化学组成的影响。4）复合材料的热导率 10.热稳定性：是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，所以又称为抗热震性。 11.常用热分析方法：1）普通热分析法2）差热分析3）差示扫描量热法4）热重法 12.光折射：当光依次通过两种不同介质时，光的行进方向要发生改变，这种现象称为折 射 13.光的散射：材料中如果有光学性能不均匀的结构，例如含有透明小粒子、光性能不同 的晶界相、气孔或其他夹杂物，都会引起一部分光束偏离原来的传播方向而向四面八方散开来，这种现象称为光的散射。 14.吸收：光通过物质传播时，会引起物质的价电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一 部分转变为热能，导致光能的衰减的现象 15.弹性散射：光的波长（或光子能量）在散射前后不发生变化的，称为弹性散射 16.按照瑞利定律，微小粒子对波长的散射不如短波有效，在可见光的短波侧λ=400nm 处，紫光的散射强度要比长波侧λ=720nm出红光的散射强度大约大10倍 17.色散：材料的折射率随入射光的频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为材仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2
材料物理复习资料
第一章 1. PN型半导体 多数载流子是电子的半导体是N型半导体；多数载流子是空穴的半导体是P型半导体。 2. 浅杂质能级，深杂质能级 掺杂杂质能级距导带或价带比较近，这类能级为浅杂质能级；杂质能级距离导带和价带比较远，这类能级为深杂质能级。 3. 半导体中费米能级的位置 ⑴对于本证半导体而言，绝对温度下的费米能级 位于禁带中央，随着温度的升高，费米能级逐渐增加。 ⑵对于掺杂半导体而言，① n型半导体的E f位于 禁带的上半部，掺杂浓度越高，E f便越高，导带中的 电子越多；并且随温度的升高，E f逐渐趋向于禁带的 中间，在高温时达到本证，即E f=E i。②P型半导体的 E f位于禁带的下半部，掺杂浓度越高，E f便越低， 价带中的空穴越多；并且随温度的升高，E f逐渐从价 带方向趋向于禁带的中间，在高温时达到本证，即E f=E i。 4. 激子的概念 如果光子的能量小于禁带宽度，价带上的电子吸收了光子能量以后不足以跃迁至导带，但是，这个离开价带上的带负电的电子可以同留在价带上的带正电的空穴形成一个较弱的束缚态，这个由电子-空穴对组成的束缚态称为激子。 5. 半导体的电阻率和温度的关系 本征半导体：由于没有电离杂质的散射作用，载流子浓度仅由本征激发所决定。温度升高时，本征激发急剧增加，载流子浓度也迅速增加。因此，本征半导体的电阻率随温度的升高而单调下降。 杂质半导体： AB段：杂质电离随温度升高而增加，散射 较弱,，电阻率随温度升高而降低。 BC段：杂质电离完成，本征激发较少，载 流子浓度不随温度变化，散射随温度增加而 增加，电阻率随温度升高而增加。 C点后：本征激发强烈，载流子浓度随温度 升高而增加，浓度成了控制电阻率的主要因 素，随温度升高而降低。 6. 光吸收 本征吸收、激子吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、声子吸收