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1、材料科学的发展材料科学的发展人人类文明的文明的发展伴随着新材料的展伴随着新材料的发现和和应用。用。旧旧石石器器时代代新新石石器器时代代铜器器时代代铁器器时代代材料：人类用来制造有用物件的物质。材料：人类用来制造有用物件的物质。材料技材料技术在人在人类社会的社会的发展中起着极其展中起着极其重要的作用。重要的作用。 物理学的物理学的进展，使人展，使人们对越来越多的天越来越多的天然材料的性能有了更然材料的性能有了更为清楚的了解。清楚的了解。 也更加具也更加具备了人造新材料的能力。今天，了人造新材料的能力。今天，人人类已已经可以可以摆布一个一个的原子，布一个一个的原子，让分子、原子按照周密的分子、原子
2、按照周密的设计构造成新材构造成新材料。料。材料（传统）材料（传统）金属金属无机非金属无机非金属有机高分子有机高分子复合材料复合材料按材料的性能：按材料的性能：功能材料、结构材料功能材料、结构材料7.1物质结构的基础知识物质结构的基础知识按按导电能力：能力：导体体、半半导体体和和绝缘体体三三类。按材料的按材料的结构：构：晶体晶体、非晶固体非晶固体和和液体液体一、元素是构成材料的最小单位一、元素是构成材料的最小单位1、元素是构成材料的最小单位、元素是构成材料的最小单位2、组成化合物的最小单位是分子、组成化合物的最小单位是分子二、分子的键型和构形二、分子的键型和构形构成原则：使构成的分子或晶体处于最
3、低的能态构成原则：使构成的分子或晶体处于最低的能态1 1、分子的键型：离子键和共价键、分子的键型：离子键和共价键离子键：有电子转移，如离子键：有电子转移，如NaClNaCl共价键：两原子共享电子而成共价键：两原子共享电子而成2 2、分子的构型：有极分子和无极分子、分子的构型：有极分子和无极分子有极分子：如有极分子：如NHNH3 3,H,H2 2O,SOO,SO2 2,CO,CO等等无极分子：如无极分子：如N N2 2,H,H2 2,CO,CO2 2,CH,CH4 4等等三、晶体的结合类型和结构三、晶体的结合类型和结构绝大大部部分分的的金金属属材材料料、半半导体体材材料料和和绝缘体体材材料都是晶
4、体。料都是晶体。原原子子或或分分子子在在晶晶体体中中有有规则地地排排列列着着，被被称称为“长程程有有序序”，这一一规则排排列列一一般般称称为晶晶体体格格子，或子，或简称称为晶格晶格。原子在原子在结合成晶体合成晶体时，相互之，相互之间的的间距只有几个距只有几个埃（埃（10-10m）的数量）的数量级。 1 1、离子晶体：结构稳固，导电性能差，熔点高，、离子晶体：结构稳固，导电性能差，熔点高，膨胀系数小膨胀系数小2、原子晶体：共价晶体原子晶体：共价晶体3 3、金属晶体：价电子为自由电子、金属晶体：价电子为自由电子氯化钠结构（氯化钠结构（NaCl）氯化铯结构（氯化铯结构（CsCl）四、晶体特性四、晶体
5、特性1、晶体结构的周期性、晶体结构的周期性2、晶体结构的对称性、晶体结构的对称性3、各向异性、各向异性4、最小内能性、最小内能性5、晶格振动、晶格振动五、非晶凝聚态物质五、非晶凝聚态物质（多数人工合成的）（多数人工合成的）合金，金属玻璃，非晶硅和液晶合金，金属玻璃，非晶硅和液晶7.2半导体半导体一、导体、绝缘体和半导体一、导体、绝缘体和半导体1、导体：善于传导电流的物体，其电阻率很小、导体：善于传导电流的物体，其电阻率很小2、绝缘体：电阻率极高的物体、绝缘体：电阻率极高的物体3、半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间、半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间4、晶体的能带结构、晶体的能带结构1947
6、年年12月，美国贝尔实验室的巴丁、布拉顿月，美国贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱三人利用半导体材料锗制成第一个晶体和肖克莱三人利用半导体材料锗制成第一个晶体管，同获管，同获1956年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。（1）、能带的形成）、能带的形成a、外层电子共有化外层电子共有化对大量原子有规则地排列成晶体时，由于原对大量原子有规则地排列成晶体时，由于原子离得很近，每个电子不仅受到本身原子核子离得很近，每个电子不仅受到本身原子核的作用，而且受到邻近原子核的影响的作用，而且受到邻近原子核的影响,内层内层电子因受原子核的牢牢束缚而影响较小；价电子因受原子核的牢牢束缚而影响较小；价电子或外层电子却不
7、同，外层电子受邻近原电子或外层电子却不同，外层电子受邻近原子的作用更强，容易脱离原来的原子而进入子的作用更强，容易脱离原来的原子而进入到其他原子当中。到其他原子当中。即电子不再分属各个原子即电子不再分属各个原子所有，而是属于整个原子所共有，这称所有，而是属于整个原子所共有，这称电子电子的共有化，的共有化，b、能带的形成能带的形成因为当有因为当有N个相同的自由原子时，每个原子内个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能级，它们是的电子有相同的分立的能级，它们是N重简并的，重简并的，当这当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子中个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上
8、存在（的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相违反泡利不相容原则容原则）从而只能分裂成）从而只能分裂成N个非常靠近的能级个非常靠近的能级（10-22ev），），因为能量差甚小，可看成能量连续因为能量差甚小，可看成能量连续的区域，称为的区域，称为能带。能带。1s2p2sEo原子间距原子间距禁带禁带禁带禁带能带能带（2）电子填空能带的情况）电子填空能带的情况a、满带：满带：各能级都被两个自旋相反电子填满的能带各能级都被两个自旋相反电子填满的能带满带满带当电子从原来状态转移到另一状态时，另一电当电子从原来状态转移到另一状态时，另一电子必作相反的转移。没有额外的定向运动。满带子必作相反的转移。没有额
9、外的定向运动。满带中电子不能形成电流。中电子不能形成电流。导带导带电子可在外场作电子可在外场作用下跃迁到高一用下跃迁到高一级的能级形成电级的能级形成电流。故称为流。故称为导带导带。b、导带：导带：能级没有被电子填满的能带能级没有被电子填满的能带c、空带：空带：各能级都没有被电子填充的能带各能级都没有被电子填充的能带d、价带：价电子所处的带称为价带价带：价电子所处的带称为价带（3）金属、半导体、绝缘体的能带结构）金属、半导体、绝缘体的能带结构a、导体：价带是导带或等效导带导体：价带是导带或等效导带导带导带满带满带满带满带空带空带满带满带空带空带重叠重叠相连相连b、绝缘体：只有满带和空带，且禁带宽
10、度较大绝缘体：只有满带和空带，且禁带宽度较大满带满带空带空带禁带禁带例如金刚石中两个碳原例如金刚石中两个碳原子相距子相距15纳米时，纳米时，Eg=5.33电子伏。电子伏。c、半导体：价带是满带，但是禁带宽度较小半导体：价带是满带，但是禁带宽度较小导体、半导体、绝缘体的不同，主要是能带结构不导体、半导体、绝缘体的不同，主要是能带结构不同同满带满带空带空带禁带禁带例如硅例如硅 Eg=1.14电子电子伏，锗伏，锗 Eg=0.67电子电子伏，砷化镓伏，砷化镓 Eg=1.43电子伏。电子伏。金属导电与半导体导电的差别：金属导电的载流金属导电与半导体导电的差别：金属导电的载流子是自由电子，半导体导电的载流
11、子是导带中的子是自由电子，半导体导电的载流子是导带中的电子和价带中的空穴。电子和价带中的空穴。二、本征半导体与杂质半导体二、本征半导体与杂质半导体1 1、本征半导体：不含杂质的纯净半导体，很少、本征半导体：不含杂质的纯净半导体，很少实际应用实际应用空带空带满带满带禁带禁带-e-e-e-eIeIP 本征激发本征激发空空穴穴电电流流导电机制：导电机制：本征导电中的载流子是电子和空穴本征导电中的载流子是电子和空穴（本征导电）（本征导电）2 2、杂质半导体：有、杂质半导体：有n n型和型和p p型型n n型：本征半导体中掺入微量五价的杂质原子，多型：本征半导体中掺入微量五价的杂质原子，多余电子导电余电
12、子导电例在四价锗（例在四价锗（Ge）元素半导体中掺入五价砷（元素半导体中掺入五价砷（AS）所形成的半导体所形成的半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5+5+5掺入掺入AS以后，五个价电以后，五个价电子中，有四个电子与周子中，有四个电子与周围的围的Ge组成共价键晶体组成共价键晶体，还多余一个电子，此，还多余一个电子，此电子成为自由电子电子成为自由电子p p型：本征半导体中掺入微量三价的杂质原子，空型：本征半导体中掺入微量三价的杂质原子，空穴导电穴导电
13、例在四价锗（例在四价锗（Ge）元素半导体中掺入三价硼元素半导体中掺入三价硼（B）所形成的半导体所形成的半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4Ge掺入掺入B以后，以后，B是三价，是三价，与周围的与周围的Ge组成共价键组成共价键晶体，还缺少一个电子，晶体，还缺少一个电子，从而形成一个空穴，形从而形成一个空穴，形成空穴导电。成空穴导电。BB+3+3+3+3三、半导体硅材料三、半导体硅材料单晶硅是做半导体器件和集成电路时用得最单晶硅是做半导体器件和集成电路时用得最多多(95%
14、)(95%)的材料的材料1 1、硅在地壳中含量较高，成本低、硅在地壳中含量较高，成本低2 2、硅器件性能较稳定、硅器件性能较稳定世界上世界上95%以上的半导体器件用硅制成的原因：以上的半导体器件用硅制成的原因：硅占地壳总重量的硅占地壳总重量的27%；硅禁带宽度大，做成器；硅禁带宽度大，做成器件性能稳定；件性能稳定；硅机械强度高，结晶性好。硅机械强度高，结晶性好。3 3、硅机械强度高，结晶性好，其提炼和制、硅机械强度高，结晶性好，其提炼和制成单晶的工艺成熟成单晶的工艺成熟另：砷化镓制成的集成电路在响应速度另：砷化镓制成的集成电路在响应速度, ,耐高温耐高温, ,抗辐射方面都优于硅集成电路，但制作
15、难度大抗辐射方面都优于硅集成电路，但制作难度大, ,价格昂贵价格昂贵四、半导体材料的应用简介四、半导体材料的应用简介1.p-n1.p-n结和晶体管结和晶体管p-n结结是是构构成成各各种种半半导导体体器器件件的的基基础础，其其最最重重要要的特性是单向导电性的特性是单向导电性P型型N型型P型衬底型衬底P-n结的构造：结的构造：N型杂质型杂质P型半导体与型半导体与n型半导型接触形成的偶电层结构型半导型接触形成的偶电层结构这种结构称为这种结构称为P-n结。结。扩散扩散晶体管：二极管和三极管晶体管：二极管和三极管二极管单向导电，三极管放大二极管单向导电，三极管放大P - n P - n 结整流特性结整流
16、特性N型型P型型N型型P型型0.18微米微米上海上海“汉芯一号芯一号”利利用用0.3微微米米线宽工工艺在在10mm20mm的的芯芯片片上上集集成成了了1.4亿个个元元件件，即即集集成成密密度度达达70万万个个元元件件/毫毫米。每个芯片可包含多至上百万个晶体管。米。每个芯片可包含多至上百万个晶体管。晶晶体体管管小小型型化化的的速速度度是是非非常常惊惊人人的的。从从60年年代代线宽10微微米米，到到90年年代代已已达达到到线宽0.5微微米米或或更更小。小。2 2集成电路：采用氧化、光刻、扩散掺杂等工艺把集成电路：采用氧化、光刻、扩散掺杂等工艺把晶体管、电阻、电容等元件集成于一块半导体芯片晶体管、电
17、阻、电容等元件集成于一块半导体芯片上，封装成多脚的器件。主要优点：小、轻、电路上，封装成多脚的器件。主要优点：小、轻、电路性能好且可靠，成本低。电子产品的不断更新换代，性能好且可靠，成本低。电子产品的不断更新换代，主要得益于集成电路技术的迅速发展主要得益于集成电路技术的迅速发展3 3半导体激光器半导体激光器4 4太阳能电池（光生伏特特性）太阳能电池（光生伏特特性）光纤通信是未来通信的发展方向，用的主要是半光纤通信是未来通信的发展方向，用的主要是半导体激光器。半导体激光器与发光二极管都是靠导体激光器。半导体激光器与发光二极管都是靠材料中的电子和空穴退激使发光，硅和锗等元素材料中的电子和空穴退激使
18、发光，硅和锗等元素半导体退激时只引起发热，砷化镓等化合物半导半导体退激时只引起发热，砷化镓等化合物半导体中退激时会发光。砷化镓发近红外光。体中退激时会发光。砷化镓发近红外光。太阳能电池是利用太阳能电池是利用PN结的光生伏特效应，最结的光生伏特效应，最重要的参数是电转换效率，非晶硅太阳电池，转重要的参数是电转换效率，非晶硅太阳电池，转换效率约换效率约10%，成本低；砷化镓晶体太阳电池转，成本低；砷化镓晶体太阳电池转换效率可达换效率可达20%以上，但成本高。太阳能电池广以上，但成本高。太阳能电池广泛应用于人造卫星和航天器上。泛应用于人造卫星和航天器上。 7.37.3超导材料超导材料一、超导体的基本
19、特性一、超导体的基本特性1 1、零电阻效应、零电阻效应19131913年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖19111911年荷兰物理学家昂尼斯年荷兰物理学家昂尼斯（H.K.OnnesH.K.Onnes 18531926 18531926）发现，）发现，汞在汞在 Tc =4.2K时，其电阻率时，其电阻率00，汞的这种现象称为，汞的这种现象称为“超导超导现象现象”。Tc 称为称为“转变温度转变温度”正常正常导体的体的电阻率：阻率：汞的汞的电阻率阻率寻找转变温度寻找转变温度T Tc c较高的新超较高的新超导体材料：导体材料：1955年年发现了化合物了化合物氮化氮化铌（NbN）的）的转变温温度度Tc=
20、14.7K；1973年，年，发现铌三三锗（Nb3Ge）的）的转变温度温度Tc=23.2K1930年，年，发现铌（Nb）的）的转变温度温度为9.2K；2、完全抗磁性，迈斯纳效应完全抗磁性，迈斯纳效应19331933年，迈斯纳发现年，迈斯纳发现3 3、存在临界磁场、存在临界磁场H Hc cHHH Hc c时，超导态变为正常态时，超导态变为正常态超超导体的抗磁性体的抗磁性磁磁悬浮的小球浮的小球I4 4、同位素效应、同位素效应T Tc cM M1/21/2= =常数常数P.258,P.258,一些元素的超导参数表一些元素的超导参数表5 5、超导电性的微观理论、超导电性的微观理论(BCS)(BCS)，获
21、获19721972年诺贝年诺贝尔物理学奖尔物理学奖二、常温超导与高温超导二、常温超导与高温超导常温超导材料常温超导材料:元素元素,合金合金,化合物化合物我国在高温超导的实验领域处于领先地位。目前我国在高温超导的实验领域处于领先地位。目前T Tc c己达己达134K134K，加压时可达加压时可达164K164K，已有许多实际应用。已有许多实际应用。高温超导材料高温超导材料:陶瓷，陶瓷，1986年发现，年发现，1987年获诺贝尔年获诺贝尔物理学奖。物理学奖。巴丁巴丁、库柏库柏和和施里弗施里弗三人共同创立的现代超导微三人共同创立的现代超导微观理论。观理论。三、超导的应用前景低损耗电能传输低损耗电能传
22、输由超由超导材料制成的材料制成的输电线可用于可用于长距离的直流距离的直流输电。磁悬浮列车磁悬浮列车利用超利用超导体的抗磁性，可以把列体的抗磁性，可以把列车悬浮在浮在轨道上，道上，车速可达到速可达到500公里以上。公里以上。制成无摩擦制成无摩擦轴承，从而大大提高承，从而大大提高轴承的承的转速，达速，达到每分到每分钟数十万数十万转。超导应用简介超导应用简介(P.260)(P.260)* *7.57.5纳米材料与纳米材料与C C6060结构结构一、一、纳米材料纳米材料二、二、纳米加工与原子操纵纳米加工与原子操纵三、举世瞩目的三、举世瞩目的C C6060纳米科学技术纳米科学技术观察和研究固体表面的微观
23、结构观察和研究固体表面的微观结构123456退出返回2纳米科学技术纳米科学技术观察观察DNA分子分子揭示生命的奥秘揭示生命的奥秘世界上第一张世界上第一张世界上第一张世界上第一张DNADNA图像图像图像图像小白鼠小白鼠小白鼠小白鼠DNADNADNADNA123456退出返回2纳米科学技术纳米科学技术DNADNA合成瞬间合成瞬间合成瞬间合成瞬间平行双链平行双链平行双链平行双链DNADNA观察观察DNA分子分子揭示生命的奥秘揭示生命的奥秘123456退出返回2纳米科学技术纳米科学技术DNADNA合成瞬间合成瞬间合成瞬间合成瞬间平行双链平行双链平行双链平行双链DNADNA观察观察DNA分子分子揭示生命
24、的奥秘揭示生命的奥秘123456退出返回2纳米科学技术纳米科学技术改造微观世界的手段改造微观世界的手段 操纵原子不是梦操纵原子不是梦123456退出返回2纳米科学技术纳米科学技术“IBM”最小的商标最小的商标28个二氧化碳分子个二氧化碳分子排成的排成的纳米小人纳米小人123456退出返回纳米科学技术纳米科学技术构造超微结构构造超微结构量子围栏图量子围栏图48484848个个个个FeFe原子在原子在原子在原子在CuCu表面围成围栏表面围成围栏表面围成围栏表面围成围栏2纳米科学技术纳米科学技术进行纳米级微加工进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀123456退出返回2纳米科学技术纳米科学技术进行纳米级微加工进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀123456退出返回2纳米科学技术纳米科学技术进行纳米级微加工进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀600nm石墨表面上刻蚀石墨表面上刻蚀123456退出返回
