现代功能材料复习合辑课件.ppt

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1、一、原子的微观结构1.主量子数n(n=1、2、3、4……)主量子数确定核外电子离原子核的远近和能级的高低。2.次量子数l(l=0、1、2、3……)次量子数反映的是电子轨道的形状。在由主量子数n确定的同一主壳层上的电子的能量有差异，可分成若干个能量水平不同的亚壳层，其数目随主量子数而定，习惯上以s、p、d、f表示。3.磁量子数m(m=0、±1、±2、±3……)磁量子数表示电子云在空间的伸展方向，它确定轨道的空间取向。4.自旋量子数ms(ms=+1/2、-1/2)自旋量子数表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。第一节　原子的电子排列第

2、一章　材料的电子结构与物理性能－§1.1原子的电子排列二、原子核外电子的分布三个基本原理：泡利不相容原理在一个原子中不可能存在四个量子数完全相同（即运动状态完全相同）的两个电子。或者，在同一个原子中，最多只能有两个电子处在同样能量状态的轨道中，而且这两个电子的自旋方向必定相反。最低能量原理电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。最多轨道规则（洪特规则）相同能量的轨道（也称等价轨道）上分布的电子将尽可能分占不同的轨道，而且自旋方向相同。作为洪特规则的特例，对于角量子数相同的轨道，当电子层结构为全充满、半充满或全空的状态是比较稳

3、定的。即：全充满:p6或d10或f14；半充满:p3或d5或f7；全空:p0或d0或f0。第一章　材料的电子结构与物理性能－§1.1原子的电子排列第二节　固体的能带理论与导电性一、能带的形成基本原理：对于单个原子：单个原子的电子处在不同的分立能级或轨道上。例如，一个原子有一个2s能级，3个2p能级，5个3d能级。不同能级之间的电子能量各不相同。电子的能量就是其所在能级的能量。单个原子的电子只能占据特定的轨道或能级，在每个能级上可容许有两个自旋方向相反的电子。各能级之间存在着能隙。能隙是电子能量的“真空”地带。第一章　材料的电子结构与物理性能

4、－§1.2固体的能带理论与导电性重要概念：满带：被电子填满的能带。空带：没有被电子填充的能带。价带：被价电子占据的能量最高的能带。导带：价带以上的空带。金属导电机理：价带上的电子跃迁到导带上成为自由电子，自由电子在电场作用下作定向运动形成电流。二、金属的能带结构与导电性金属的能带结构第一章　材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性各种金属的能带结构3p02p63s22s21s2(b)碱土金属Mg3s和3p能带重叠，形成扩展能带4s23d63p63s22p62s21s2(c)过渡金属Fe4s和3d能带重叠，形成扩展能带3s12

5、p62s21s2(a)碱金属Na导带价带第一章　材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性电荷载流子定义：载带电荷运动的粒子称为电荷载流子。基本类型：①电子和阴离子负电荷载流子，也称为负型载流子。②阳离子正电荷载流子，也称为正型载流子。如Pb2+。③空穴正电荷载流子。在半导体中尤为重要。电导率和载流子：载流子迁移率：在外加电场作用下，载流子在原子尺度的结构中移动的难易程度，即：电导率：由载流子浓度n、每个载流子所带电荷q、载流子迁移率决定，即：第一章　材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性金属的电阻率与温度

6、的关系一般而言，金属的电阻率与温度的关系是线性的，且具有正的温度系数，即随着温度上升，电阻率增加。原理：由于晶体热扰动的强度随温度的上升而成比例地增加，减少了晶体的规则性而使电子的平均自由程减小，从而减小了金属中电子的迁移率，使电阻率增大。电阻温度系数yT与温度T和电阻率的关系：第一章　材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性三、费米能级费米分布函数f（E）f（E）的物理意义：代表在一定温度下电子占有能量为E的状态的几率。Ef：费米能费米能的意义（1）Ef以下基本上是被电子填满的，Ef以上的能级基本上是空的。（2）由于热

7、运动，电子可具有大于Ef的能量而跃迁到导带中，但只集中在导带的底部。同样理由，价带中的空穴也多集中在价带的顶部。（3）对于一般金属，Ef处于价带和导带的分界处。对于半导体，Ef位于禁带中央。第一章　材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性导体、半导体和绝缘体的能带结构（Ev代表价带的最高能量，Ec代表导带的最低能量，Ef是费米能）价带导带EgEfEcEv价带导带EcEv价带导带Ev半导体导体绝缘体Eg第一章　材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性第三节　半导体半导体导电特性的两个显著的特点：半导体的电导率对

8、材料的纯度的依赖性极为敏感。例如，百万分之一的硼含量就能使纯硅的电导率成万倍增加。如果所含杂质的类型不同，导电类型也不同（如电子电导或空穴电导）。电阻率受外界条件（如热、光等）的