第1章电磁辐射与材料结构基础

*,*,材料现代分析与测试技术,卢 辉,Email,：,2016,年,9,月,北方民族大学材料科学与工程学院,0,学习经历,2012.9,-2015.6,北京科技大学,博士,（硕博连读）,2010.9-2012.7,北京科技大学,硕士,2006.9,-2010.7,北京科技大学,本科,科研经历,研究方向：功能材料、新能源材料。作为主要研究者参与国家自然科学基金（,51272025,、,50872011,）两项，,973,计划（,2007CB936201,）一项；以第一作者发表,SCI,论文,4,篇，核心论文,1,篇；以第二作者发表,SCI,论文,3,篇，核心论文,1,篇。,个人简介,1,实习工作,获奖情况,博士研究生国家奖学金、濮耐教育基金奖学金、院学术之星、北京市优秀毕业生；,北京科技大学优秀学生工作者、学院优秀学生工作干部、优秀研究生干部；校优秀三好研究生、三好学生、优秀校庆志愿者、优秀博士毕业论文、本科毕业优秀毕业论文等,瑞士洛桑参加第,65,届电化学年会；三年硕士研究生辅导员经历。,中冶建研工程技术有限公司、唐山国丰钢铁有限公司、包头钢铁集团、首都钢铁集团；,XRD,、扫描电镜、透射电镜操作员。,个人简介,2,课程简介,材料现代分析与测试技术,适用对象,学分学时,考核办法,课程性质,先修课程,参考书籍,材料现代分析方法,左演声等主编,材料近代分析测试方法,常铁军等编,3,绪论,材料的重要性：历史学家曾经说过材料的特征及其应用能力可以作为人类文明史的一种标志。,旧石器时代,新石器时代,陶器时代,青铜器时代,铁器时代,4,绪论,我们所处的世代：,钢,硅,塑料,合成材料,半导体,精密陶瓷,复合材料,纳米材料,现代文明的支柱：材料、信息、能源、生物,5,绪论,材料研究方法是关于材料分析测试技术和理论的科学。,因此，为了开发新材料、提高材料研究水平，就必须掌握先进的材料研究方法。,基本要求,成分,结构,加工,性能,材料科学与工程,决定,分析测试,6,一,.,电磁辐射与材料结构基础,01,电子辐射与物质波,02,材料结构基础,03,晶体学简介,目,录,7,定义,性质,物理现象,物理量,相互关系,在空间传播的交变电磁场,电磁波,波动性,遵循波动方程,反射、折射、干涉、衍射、偏正,波长（,）波数（,）,频率（,）,相位（,）,C=,E=,h,p=,h,/,微粒性,由光子组成的光子流,光电效应,光子能量（,E,）,光子动量（,p,）,01,电子辐射与物质波,电磁辐射,注：,C=310,8,m/s;,h,=,6.62610,-34,Js,。,8,01,电子辐射与物质波,电磁波谱,9,01,电子辐射与物质波,电磁波谱,10,01,电子辐射与物质波,物质波,11,02,材料结构基础,原子能态及其表征,预祝各位度过一个值得骄傲的大学四年生活,12,02,材料结构基础,核外电子排布遵循的规律,1,、泡利不相容原理：每个轨道最多只能容纳两个电子，且自旋相反；,2,、能量最低原理：电子尽可能占据能量最低的轨道；,3,、,Hund,规则：简并轨道（能级相同的轨道）只有被电子逐一自旋平行地占据后，才能容纳第二个电子。,另外：等价轨道在全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的，亦即下列电子结构是比较稳定的；,全充满,-p6,或,d10,或,f14,半充满,-p3,或,d5,或,f7,全空,-p0,或,d0,或,f0,思考题：请将,24,号元素原子的核外电子量子化，分别写出各状态参量的取值（,n,，,l,，,m,，,s,，,m,s,）及核外电子排布情况？,13,02,材料结构基础,原子基态、激发、电离及能级跃迁,基态：原子核外电子遵循上述规律分布于各个能级上，此时原子处于的能量最低状态；,激发态：原子中的一个或几个电子由基态所处能级跃迁至高能级后的原子状态；,激发：原子由基态转变为激发态的过程；激发需要能量，称为激发能，常以电子伏特表示，又称激发电位；,能级跃迁,：原子中的电子受激向高能级跃迁或由高能级向低能级跃迁均称为电子跃迁或能级跃迁；,电离：原子中的电子获得足够的能量就会脱离原子核的束缚，产生电离；使原子电离所需的能量称为电离能，以电子伏特表示又称电离电位。,14,02,材料结构基础,固体的能带结构,能带,的形成,设有,N,个原子结合成晶体，原来单个原子时处于,1s,能级的,2N,个电子现在属于整个原子系统,(,晶体,),所共有，根据泡利不相容原理，不能有两个或两个以上电子具有完全相同的量子态,(n,l,m,，,s,m,s,),因而就不能再占有一个能级，而是分裂为,2N,个微有不同的能级。,由于,N,是一个很大的数，这些能级相距很近，看起来几乎是连续的，从而形成一条有一定宽度,E,的能带。,能带可沿用能级分裂以前的原子能级名称命名，如,2s,能带，,2p,能带等。,15,导带中的能级未被占满，一个电子在外力作用下向其它能级转移时，不一定有相反方向的转移来抵消，所以导带具有,导电,作用。,由于满带中所有能级都被电子占满，因此一个电子在外力作用下向其它能级转移时，必然伴随着相反方向的转移来抵消，所以满带是,不导电,的。,02,材料结构基础,固体的能带结构,能带可分为：,填满电子的能带称为,满带,。未填满电子的能带称为,导带,。没有电子填充的能带称为,空带,（显然空带也属导带）。由价电子能级分裂而成的能带称为,价带,。在能带之间没有可能量子态的能量区域叫,禁带,。,满带结构,导带结构,16,02,材料结构基础,固体结构能带基本类型,（,a,）绝缘体，（,b,）本征半导体，（,c,）导体，（,d,）导体,绝缘体,：价带（满带）顶与导带底之间的禁带较宽，,E=36eV,本征半导体,：价带顶与导带底之间的禁带较窄，,E=0.10.2eV,导体,：价带只填充部分电子或者价带虽已填满电子但与相邻导带紧密连接或重合。,17,03,晶体学简介,为了描述晶体中原子的排列规则，将每一个原子抽象视为一点几何点（称为阵点），并从而得到一个按一定规则排列分布的无数多个阵点组成的空间阵列，称为,空间点阵,。将各阵点用直线连接成为空间格子，又称为,晶格,。,在点阵中选择一个由阵点连接而成的几何图形作为点阵的基本单元来表达晶体结构的周期性，称为,阵胞,（晶胞）。,空间点阵,18,平行六面体的阵胞可由表示其形状与大小的三个矢量,a,，,b,，,c,来描述，称为单位阵胞的矢量。,点阵参数：单胞各边的长度,a,，,b,，,c,；各,晶轴之间的夹角,，,，,。,03,晶体学简介,19,千百种晶体、七种晶系、十四种平移点阵（布喇菲点阵）,03,晶体学简介,20,千百种晶体、七种晶系、十四种平移点阵（布喇菲点阵）,思考题：如何计算各晶胞中的点阵数？例如面心斜方平移点阵。,03,晶体学简介,21,晶面晶向指数,晶体中由原子组成的直线和平面分别称为晶向和晶面；为了表示晶向和晶面的空间取向，采用统一的标识，称为晶向指数和晶面指数。国际通用密勒的标识方法，又称密勒指数。,晶向指数通常采用,u v w,表示；,将晶体中方位不同但原子排列状况相同的所有晶向组合称为一个,晶向族,，用,表示,晶面指数通常采用,(h k l),表示；,将晶体中方位不同但原子排列状况相同的所有晶面组合称为一个,晶面族,，用,h k l,表示,;,晶体中与某一晶向,uvw,平行的所有（,HKL,）晶面属于同一晶带，称为,uvw,晶带,。,03,晶体学简介,22,晶面指数的确立,选取三个晶轴为坐标轴，以点阵常数为度量单位；,从要确定的晶面组中，选取一个不通过原点的晶面，找出截距,A,、,B,、,C,，均为整数；,取各截距的倒数,1/A,、,1/B,、,1/C,，并按比例化为简单整数比,h:k:l,，并写进圆括号内（,h k l),，即为晶面指数或称密勒指数。,当某晶面与晶轴平行时，截距为，指数为,0,；,截距为负值时，指数上边加以负号；,各指数同乘以,-1,，晶面组不变。,课堂练习：写出右图三个晶面的密勒指数,。,(221)(001)(231),03,晶体学简介,23,晶向指数的确立,选取三个晶轴为坐标轴，以点阵常数为度量单位；,通过坐标原点作一条与所求晶向平 行的另一晶向；,求这个晶向上任一质点的矢量在,三个,坐标轴上的分量（即求出任一质点的坐标数）；,按比例化为简单整数比,u,、,v,、,w,，并写进方括号内,u v w,，即为所求晶向的指数。,练习：写出右图中指定晶向的晶向指数,。,112,03,晶体学简介,24,干扰指数,若将（,h k l,）晶面间距记为,d,hkl,，则晶面间距为,d,hkl,/n,的晶面干涉指数为（,nh nk nl,），记为（,H K L,）。,干涉指数可以认为是带有公约数,n,的晶面指数；,干涉指数表示的晶面并不一定是晶体中的真实原子面，即干涉指数表示的晶面不一定有原子分布。,练习：写出的,d,110,/2,与,d,110,/3,的晶向指数,。,(2 2 0),(3 3 0),03,晶体学简介,25,倒易点阵,倒易点阵定义：在晶体点阵,(,正点阵,),的基础上按照一定的对应关系建立起来的空间几何图形；,每种空间点阵都存在着与其相对应的倒易空间点阵，它是晶体点阵的另外一种表达方式；,用倒易点阵处理问题时，几何概念更清晰，数学推演简化。,正点阵与倒易点阵的关系,如果用,a,b,c,表示晶体点阵的基本平移矢量；用,a*b*c*,为倒易点阵基本平移矢量，则两者之间的关系为：,03,晶体学简介,26,倒易点阵,a,*,b,=,a,*,c,=,b,*,a,=,b,*,c,=,c,*,a,=,c,*,b,=0,a*a=b*b=c*c=,1,由上述关系,:,a*,同时垂直,b,和,c,，,因此，,a*,垂直,b,和,c,所在平面，即,a*,垂直（,100,）晶面；,同理可见，,b*,垂直（,010,）晶面，,c,*,垂直（,001,）。,03,晶体学简介,27,倒易点阵,一,.,电磁辐射与材料结构基础,28,主要内容回顾,电磁辐射与其波粒二象性，电磁波谱域的划分及基本类型；,物质波；,原子能态及其表征，原子状态参数及核外电子的排布；,原子基态，激发，电离和能级跃迁；,能级分裂，固体的能带结构；,晶体结构：空间点阵、阵胞、点阵类型、晶体结构、倒易点阵、晶带等相关概念，并会求解晶面指数、晶向指数、干涉指数、倒易点阵参数等,。,感谢大家的聆听！,29,