功能材料相关知识点概括Word文件下载.docx
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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。
（2）与偶极子转
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；
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上产生表面电荷。
9、热释电材料有晶体（单晶材料、金属氧化物陶瓷）和有机高聚物晶体两大类。
10、何谓塞贝克效应和帕尔帖效应，两者有什么关系？
由两种不同导体（或半导体）组成的闭合回路，当两接点保持在不同温度时，回路中将有电流通过，此回路称热电回路，回路中出现的电动势称为塞贝克电动势，此效应称为塞贝克效应。
在热电回路的两个接头处，当电流流过时将发生热效应，其大小与电流和流通的时间成正比，此效应称为帕尔贴效应。
帕尔帖效应实质上是塞贝克效应的逆效应。
光电材料
1、光电材料是能把光能转变为电能的一类能量转换功能材料。
2、当光照射到材料上，光被材料吸收产生发射电子的现象称为光电子发射现象，这种现象是光-电子能量转换的结果。
3、具有光电子发射现象的材料称为光电子发射材料，光电子发射材料又称之为外光电效应材料。
4、p型半导体光激发到导带的电子寿命约10-9s，电子扩散长度较释热长度大的多。
负电子亲和
势材料发射效率比正电子亲和势发射材料效率高得多。
光子入射深度小于释热长度Lt时，两种阴极效率差别不大。
当光子入射深度大于释热长度Lt时，两种亲和势逸出深度不同，负电子亲和势逸出深度LD大于正电子亲和势逸出深度。
所以用半导体材料作光阴极，p型材料比n型材料好。
5、受光辐射电导急剧上升的现象称为光电导现象，具有此现象的材料叫光电导材料，又称作内光电效应材料或光敏材料。
6、光照到半导体（或绝缘体）上，价带的电子接受能量，使电子脱离共价键。
当光的能量达到禁带宽度的能量值时，价带的电子跃迁到导带，因而在晶体中产生一个自由电子和一个空穴，这两种载流子都参与导电。
由于光的作用产生的附加电导称之为光电导。
7、光电导来自附加的载流子，这种载流子可以来自带间跃迁，也可以来自杂质的激发，因此，光电导有本征光电导和杂质光电导之分。
8、光电导材料按材料种类可分为光电导半导体、光电导陶瓷和有机高分子光导体三类。
9、光电导材料主要是应用光生载流子产生光导效应的原理，常用作光探测的光敏感器件材料。
10、在光照下，半导体p-n结两端产生电位差的现象称为光生伏特效应。
具有此效应的材料叫光生伏特材料或光生电动势材料。
太阳能电池和光生伏特检测器都是光生电动势材料的重要应用。
11、在p-n结区附近受主离子和施主离子产生的静电势梯度阻止载流子扩散，这种p-n结区电场
称为内建电场。
尽管有内建电场存在，但整个p-n结中没有剩余的空穴和电子，因此p-n结中并无外场电动势，外电场为零。
如果光照射到p-n结接触面时，由于光激发而使电子和空穴激发，受内建电场的作用，空穴将向p区移动而积累，电子向n区移动而积累，从而形成净空间电荷，这些空间电荷不能够越过阻挡层（起阻止电子和空穴扩散的作用）而复合，这样将有电动势产生，这种情况下p-n结就形成光电池。
12、硅太阳能电池可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。
13、单晶硅太阳能电池禁带宽度不大，转换效率高，但价格昂贵，使用寿命不长。
多晶硅材料易得，但其实际转换效率低，不易控制其均匀性。
非晶硅太阳能电池工艺简单，对杂质敏感性小，价廉，可以制成大尺寸，但转换效率不高，不够稳定。
14、薄膜太阳能电池质量轻，可制成大面积膜而且可弯曲，但工艺复杂，质量不稳定，转换效率也不够高。
15、陶瓷太阳能电池制备简单，成本低，但稳定性差。
16、MOS和p-n异质结太阳能电池转换效率较高，但工艺复杂。
透光和导光材料
1、透光材料包括透可见光、红外光和紫外光的材料
2、透可见光的材料常用的有玻璃和高聚物两大类。
3、玻璃材料的透过率最高（可高达98%以上），折射率范围大，色散系数范围大，光学稳定性
好，耐磨损，缺点是密度大、耐冲击强度低，加工困难，制造周期长。
4、高聚物透光材料优点是重量轻，成本低，制造简单，不易破碎，缺点是折射率范围窄，热膨胀系数、双折射和色散大，耐热、耐磨、硬度、耐湿和抗化学性能差。
5、光学石英玻璃是透紫外线最好的材料，在紫外波段有很高的透过性能。
6、光通信中用于传播光信息的光学纤维所用的材料称为光纤材料，又称光波导纤维材料。
7、一切光纤的工作基础都是光的全内反射现象。
光纤材料按结构可分为包层型和自聚焦型两种，
前者的折射率在皮和芯界面上呈突跃变化，后者的折射率则随半径呈梯度指数变化。
8、光学上把具有一定频率、一定偏振状态和传播方向的光波叫作光波的一种模式，或称为光的
一种波形。
光纤根据模式可分为单模光纤和多模光纤两种。
单模光纤就是一种光学纤维只允许传输一个模式的光波。
9、形成光学纤维传输损耗的机理有吸收损耗、本征散射和波导散射三种。
吸收损耗是一个重要的损耗，可分为本征吸收、杂质吸收和OH-离子吸收。
本征吸收是物质的固有吸收，是组分原子
振动产生的吸收。
本征散射是物质散射中最重要的，又称为瑞利散射，是由玻璃熔制过程造成的密度不均匀而产生的折射率不均匀所引起的散射。
波导散射由波导的结构缺陷产生，如波导芯直径起伏，界面粗糙等。
10、光纤种类很多，按芯和包层折射率分布可分为阶跃型、梯度型、色散移位型和色散平坦型；
按传输模式可分为单模光纤和多模光纤。
发光材料
1、发光材料品种很多，按激发方式可以分为：
a.光致发光材料：
发光材料在光（通常是紫外光、
红外光和可见光）照射下激发发光；
b.电致发光材料：
发光材料在电场或电流作用下的激发发光；
c.阴极射线致发光材料：
发光材料在加速电子的轰击下的激发发光；
d.等离子发光材料：
发光材
料在等离子体的作用下的激发发光；
e.热致发光材料：
发光材料在热的作用下的激发发光。
2、发光材料的发光中心（即发光体内部在结构中能发光的分子）受激发时并未离化，即激发和发射过程在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光叫做分立中心发光。
这种发光是单分子过程，并不伴随有光电导，故又称“非光电导型”发光。
3、分立中心发光有两种情况：
自发发光和受迫发光。
受迫发光是受激发的电子只有在外界因素影响下才发光。
4、发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子，一般为正离子（空穴）和电子，这两种粒子在复合时便发光，叫复合发光。
由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散，从而构成特征性光电导，所以复合发光又叫“光电导型”发光。
5、大部分复合发光是电子脱离原来的发光中心后，在运动中遇到其他离化了的发光中心复合发光，呈双分子过程，电子在导带中停留的时间较长，是长复合发光过程。
6、材料的发光光谱（又称发射光谱）可分为三种类型：
宽带、窄带和线谱。
7、应用中硬性规定当激发停止时的发光亮度L衰减到L0的10%时所经历的时间为余晖时间，简称余辉。
人眼能感觉到余辉的长发光期间者为磷光，人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。
8、用紫外光、可见光及红外光激发发光材料而产生发光的现象称为光致发光，这种发光材料称为光致发光材料。
9、光致发光材料一般可分为荧光灯用发光材料、长余辉发光材料和上转换发光材料，按发光弛豫时间可分为荧光材料和磷光材料。
10、磷光材料的主要组成部分是基质和激活剂两部分。
11、发光体在红外光激发下发射可见光的现象称为上转换发光，这种发光体称为上转换发光材料。
12、电致发光是在直流或交流电场作用下，依靠电流和电场的激发使材料发光的现象，又称场致发光，这种发光材料称为电致发光材料或场致发光材料。
13、电致发光机理分为本征式和注入式两种。
本征式发光是用电场直接激励电子，电场反向后电子与中心（空穴）复合而发光的现象。
注入式场致发光是在正向电压下，电子和空穴分别由n区和p区注入到结区并相互复合而发光的现象，又称p-n结电致发光。
14、射线致发光材料可分为阴极射线致发光材料和放射线致发光材料两种。
阴极射线致发光材料
是由电子束轰击发光物质而引起的发光现象。
阴极射线发光包括三个基本过程，①电离，当高能电子束激发发光材料时，晶体吸收激发能，引起基质价带或满带电子的激发；
②电子和空穴的中介运动过程，满带中的电子被电离后进入导带，在满带中产生空穴，电子和空穴分别在导带和满带中扩散；
③电子-空穴对复合发光。
15、由于发光强度是随激发强度而变的，通常用发光效率来表征材料的发光本领。
发光效率可用
量子效率、能量效率及光度效率三种方法表示。
16、等离子体是高度电离化的多种粒子存在的空间，其中带电粒子有电子、正离子，不带电粒子
有气体原子、分子、受激原子、亚稳原子等。
等离子体具有如下特征：
（1）气体高度电离；
（2）
具有很大的带电粒子浓度，由于带正电与带负电的粒子浓度接近相等，等离子体具有良导体的特性；
（3）等离子体具有电振荡的特性；
（4）等离子体具有加热气体的特性；
（5）气体在等离子体中的运动可看作是热运动。
激光材料
1、根据统计力学原理，大量相同粒子集合处于热平衡温度下，粒子数按能级的分布服从玻尔兹曼分布定律。
2、根据玻尔兹曼分布定律，热平衡条件下绝大部分粒子处于基态，即处于低能级的粒子数在热平衡情况下总多于高能级的粒子数，因而受激吸收总占优势，这叫粒子数正常分布。
3、辐射与物质的相互作用主要包括受激吸收、自发发射和受激发射。
原子系统中各个原子的自发发射是各自独立进行的，彼此无关。
它们发射的光子传播方向和偏振方向可以各不相同，属于不同的模，相互之间不相干。
受激发射的光子与入射光子有相同的模式。
4、如果借助外界激励，破坏粒子的热平衡分布，就可能使高能级的粒子数大于低能级的粒子数，由于它同正常分布相反，所以叫粒子数反转分布。
粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时，受激辐射总是大于受激吸收，因而产生光的放大信号，为激光的产生提供了基础。
5、激光器通常由工作物质、激励源和谐振腔三部分构成。
6、激光产生的过程为：
当激光工作物质的粒子（原子或分子）吸收了外来能量后，就要从基态跃
迁到不稳定的高能态（受激吸收），很快无辐射跃迁到一个亚稳态能级。
粒子在亚稳态的寿命较长，
所以粒子数目不断积累增加（泵浦过程）。
当亚稳态粒子数大于基态粒子数，即实现粒子数反转分布，粒子就要跌落到基态并放出同一性质的光子，光子又激发其他粒子也跌落到基态，释放出新的光子，这样便起到了放大作用。
如果光的放大在一个光谐振腔里反复作用，便构成光振荡，并发出强大的激光。
7、目前所有已实现激光辐射的都是三能级或四能级系统，尚未看到二能级系统实例。
红宝石激光器激光工作物质属于三能级系统，钕玻璃激光器、掺钕钇铝石榴石激光器及氦氖激光器、二氧化碳激光器等大多数气体激光工作物质都属于四能级系统。
8、激光具有如下特点：
（1）相干性好；
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