1、 金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的異同： 閃鋅礦結(jié)構(gòu)除去由兩類不同原子占據(jù)著晶格的交替位置外，與金剛石結(jié)構(gòu)是完全相同的。兩種不同原子之間的化學(xué)鍵主要是共價鍵，同時又具有離子鍵成分即混合鍵。因此閃鋅礦結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體特性及電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)上除與金剛石結(jié)構(gòu)有許多相同處外又有許多不同之處。 能帶結(jié)構(gòu)：1）帶隙結(jié)構(gòu); 直接帶隙：導(dǎo)帶底和價帶頂位于k空間同一點。間接帶隙：導(dǎo)帶底和價帶頂位于k空間不同點。2) 導(dǎo)帶結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的，對材料的性能和應(yīng)用有明顯的影響，下面以Si、Ge、GaAs為例作簡單介紹：a)實驗發(fā)現(xiàn)GaAs的導(dǎo)帶底附近等能面形狀為球面，Ge、Si的等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面。因此GaAs

2、的許多性質(zhì)(如電阻率、磁阻效應(yīng)等)呈各向同性，可用標(biāo)量表示, Ge、Si的許多性質(zhì)呈各向異性。b)如果導(dǎo)帶極值不在k空間原點，按對稱性的要求，必然存在若干個等價的能谷，人們把具有數(shù)個能谷的半導(dǎo)體稱為多能谷半導(dǎo)體，如Ge和Si是典型的多能谷半導(dǎo)體。相反，如果導(dǎo)帶極值在k空間原點處，只有單個極值，人們把此種半導(dǎo)體稱為單能谷半導(dǎo)體，如GaAs為單能谷半導(dǎo)體。c) 多能谷半導(dǎo)體可用來制作壓阻器件。如Si的導(dǎo)帶底處在（100)方向，距原點約5/6處，因此它有6個對稱的等價能谷，且每個等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面，電子的縱向有效質(zhì)量大于橫向有效質(zhì)量，因而沿橢球主軸方向的縱向遷移率小于垂直于主軸方向的橫向遷移率。當(dāng)從

3、x軸對N型硅施加壓力時，導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，y軸和z軸上能谷的電子轉(zhuǎn)移到x軸上的能谷，由于有效質(zhì)量變化，使x軸方向電導(dǎo)率減少，因此硅是制作壓阻器件的一種材料。d) 存在多種能量極值的半導(dǎo)體材料，由于不同極值處導(dǎo)帶的曲率不同，而且其曲率與該處電子的有效質(zhì)量成反比，則發(fā)生轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)。 如GaAs的導(dǎo)帶在位于(100)方向的極值(可稱為子能谷)比位于k空間原點的極值(可稱為主能谷)高約0.36 eV，而且前者電子的有效質(zhì)量較大，遷移率較低，因此在強電場作用下，電子從原點極值轉(zhuǎn)移到(100)方向極值處時，利用此特性GaAs可以制作轉(zhuǎn)移電子器件。根據(jù)實驗表明InP是制作轉(zhuǎn)移器件的更好的材料。壓阻效應(yīng)：即

4、施加壓力而引起電阻值變化。因此具有明顯壓阻效應(yīng)的材料可作壓力傳感器轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)：導(dǎo)電的電子從高遷移率的能谷轉(zhuǎn)移到低遷移率但有較高能量的亞能谷。載流子濃度：對于摻雜的非簡并半導(dǎo)體，可得導(dǎo)帶底的電子濃度為： n = N- exp - (Ec-EF) /kBT 價帶頂?shù)目昭舛葹椋?p = N+ exp - (EF-Ev) /kBTnp = N- N+ exp - (Ec-Ev)/kBT = N- N+ exp - Eg/kBT遷移率的物理含義：令在兩次碰撞之間電子作自由運動時，電場給電子的沖量等于該期間電子獲得的動量，即可得到電子的漂移速度，所以：即電子的漂移速度與外電場成正比，比例常數(shù)與馳豫時間

5、及有效質(zhì)量有關(guān)，該比例常數(shù)稱為電子遷移率。 載流子的遷移率，即單位電場下載流子漂移的速度。它描述了外加電場對電子運動的影響程度晶格散射的影響：電離雜質(zhì)的影響：當(dāng)同時有幾種散射作用時，總的遷移率與各種遷移率關(guān)系為：1/m = 1/ m1 + 1/ m2 + 1/ m3 + 一般只考慮晶格振動散射和電離雜質(zhì)散射。載流子遷移率與摻雜濃度有關(guān) 在一定溫度下，晶體中雜質(zhì)較少時，電離雜質(zhì)散射影響小，載流子遷移率數(shù)值平穩(wěn)。摻雜濃度增加，電離雜質(zhì)散射作用增強，載流子遷移率顯著下降。非平衡載流子：在外界作用下，材料中的電子濃度和空穴濃度都是偏離平衡值的，多出來的這部分載流子叫做非平衡載流子(過剩載流子)，通常用

6、光注入或電注入方法產(chǎn)生非平衡載流子。p-n 結(jié)的特性p-n結(jié)伏安特性指通過p-n結(jié)的電流與外加電壓的關(guān)系。正向偏壓下，電流隨偏壓指數(shù)上升，可達(dá)幾十安厘米2-幾千安厘米2；反向偏壓下，電流很小，且很快趨向飽和，即反向飽和電流僅幾微安厘米2；當(dāng)反向偏壓升到某電壓值時，反向電流急劇增大，稱為擊穿，其電壓為擊穿電壓。此伏安持性具有單向?qū)щ姷恼餍再|(zhì)擊穿特性是p-n結(jié)的一個重要特性，以擊穿電壓VB作為檢測器件是否合格的重要參數(shù)，同時也利用擊穿規(guī)律制作穩(wěn)壓二極管、微波振蕩二極管等。擊穿特性是p-n結(jié)的一個重要特性，以擊穿電壓VB作為檢測器件是否合格的重要參數(shù)，同時也利用擊穿規(guī)律制作穩(wěn)壓二極管、微波振蕩二極

7、管等。雪崩擊穿的機理：當(dāng)p-n結(jié)反向偏壓很大時，勢壘區(qū)內(nèi)電場增強，越過勢壘區(qū)的電子和空穴受到強電場作用，動能增大，若載流子在勢壘區(qū)內(nèi)獲得的動能大到足以引起碰撞電離的程度，就可以和原子碰撞，產(chǎn)生新的電子-空穴對，新的電子-空穴對再從電場中獲得動能，進(jìn)一步產(chǎn)生電子-空穴對，這種連鎖過程稱為雪崩倍增，能夠迅速增大了反向電流，導(dǎo)致雪崩擊穿。在p-n結(jié)上外加反向強電場時，價電子能從價帶躍遷到導(dǎo)帶，電子這種穿過禁帶的過程叫隧道效應(yīng)。隧道效應(yīng)引起的擊穿現(xiàn)象稱為隧道擊穿。3）電容效應(yīng)在正向偏壓下，隨著外加電壓的增加，勢壘區(qū)的電場減弱，寬度變窄，空間電荷數(shù)量減少，而在反向偏壓下，隨著外加電壓的增加，勢壘區(qū)的電場

8、加強，寬度變厚，空間電荷數(shù)量增加，類似于邊界在充、放電。這種由于勢壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓的變化，所產(chǎn)生的電容效應(yīng)，稱為p-n結(jié)的勢壘電容。通過減小結(jié)面積、減小高阻區(qū)的雜質(zhì)濃度、加大反向電壓的方法能夠減小突變結(jié)勢壘電容。超晶格：將兩種不同組分或不同摻雜的半導(dǎo)體超薄層A和B交替疊合生長在襯底上，使在外延生長方向形成附加的晶格周期性。 當(dāng)取垂直襯底表面方向(垂直方向)為Z軸，超晶格中的電子沿z方向運動將受到超晶格附加的周期勢場的影響，而其xy平面內(nèi)的運動不受影響。 超晶格能帶結(jié)構(gòu)來源于兩種材料禁帶的變化，存在內(nèi)界面。異質(zhì)結(jié)：不同能隙材料形成的結(jié)，如-族，-族，-族等兩種晶格結(jié)構(gòu)相同，晶格常數(shù)相

9、近，但帶隙寬度不同的半導(dǎo)體材料長在一起形成結(jié)則稱為異質(zhì)結(jié)。 主要特點：能隙寬度，介電常數(shù)及電子親和勢均不同不僅是超晶格的基本組成部份，其材料與結(jié)構(gòu)的不同也為器件設(shè)計帶來許多自由度及獨特的性質(zhì)半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)：雜質(zhì)的種類:1) 按雜質(zhì)原子在半導(dǎo)體材料中存在的方式，可以分為兩類，一類是單個原子，另一類是它們與其它雜質(zhì)缺陷的復(fù)合體。2) 以單個原子存在的位置又可以分為兩類，一類是替代式, 另一類是間隙式。3) 按雜質(zhì)原子對半導(dǎo)體材料電學(xué)性質(zhì)的影響, 又可以分為五類：受主雜質(zhì)、施主雜質(zhì)、兩性雜質(zhì)、中性雜質(zhì)和深能級雜質(zhì)。雜質(zhì)對半導(dǎo)體材料電學(xué)性能的影響1. 雜質(zhì)對半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型的影響2. 雜質(zhì)對半導(dǎo)

10、體材料電阻率的影響3. 雜質(zhì)對非平衡載流子壽命的影響。半導(dǎo)體中深能級雜質(zhì)，對材料的平衡態(tài)電學(xué)性能影響較小，對非平衡態(tài)的電學(xué)性能影響較大，在禁帶中有多重能級，對電子和空穴的復(fù)合起中間站作用，稱為復(fù)合中心或陷阱中心，大大縮短了非平衡載流子的壽命，因此一般在制備材料時要嚴(yán)防重金屬污染，它們對光電器件特別有害。而對一些特殊器件還可以人為注入微量重金屬來降低非平衡載流子壽命。超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料的臨界參數(shù)的定義和意義：A) 臨界溫度: 電阻突然消失的溫度被稱為超導(dǎo)體的臨界溫度Tc。超導(dǎo)臨界溫度與樣品純度無關(guān)，但是越均勻純凈的樣品超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時的電阻陡降越尖銳。B)臨界磁場: 超導(dǎo)電性可以被外加磁場所破壞, 對于

11、溫度為T (TTc)的超導(dǎo)體, 當(dāng)外磁場超過某一數(shù)值Hc (T)的時候，超導(dǎo)電性就被破壞了，Hc (T)稱為臨界磁場。在臨界溫度Tc，臨界磁場為零。Hc(T)隨溫度的變化一般可以近似地表示為拋物線關(guān)系:其中Hc0是絕對零度時的臨界磁場。) 臨界電流: 在不加磁場的情況下，超導(dǎo)體中通過足夠強的電流也會破壞超導(dǎo)電性, 導(dǎo)致破壞超導(dǎo)電性所需要的電流稱作臨界電流Ic(T)。在臨界溫度Tc，臨界電流為0。臨界電流隨溫度變化的關(guān)系有：其中Ic0是絕對零度時的臨界電流。三個唯象理論：二流體模型; 早期為了解釋超導(dǎo)體的熱力學(xué)性質(zhì)，1934年戈特和卡西米爾提出超導(dǎo)電性的二流體模型，它包含以下三個假設(shè)： (1)

12、金屬處于超導(dǎo)態(tài)時，自由電子分為兩部分：一部分叫正常電子，另一部分叫超流電子, 正常電子在晶格中有阻地流動，超流電子在晶格中無阻地流動，兩部分電子占據(jù)同一體積，在空間上相互滲透，彼此獨立地運動，兩種電子相對的數(shù)目是溫度的函數(shù)。 (2) 正常電子的性質(zhì)與正常金屬自由電子氣體相同，受到振動晶格的散射而產(chǎn)生電阻，對熵有貢獻(xiàn)。(3) 超流電子處在一種凝聚狀態(tài)，即某一低能態(tài)，所以超導(dǎo)態(tài)是比正常態(tài)更加有序的狀態(tài)。超導(dǎo)態(tài)的電子不受晶格散射，所以超流電子對熵沒有貢獻(xiàn)。從這個模型出發(fā)可以解釋許多超導(dǎo)實驗現(xiàn)象，如超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時電子比熱的“”型躍變等。倫敦正是在這個模型的基礎(chǔ)上建立了超導(dǎo)體的電磁理論。 Ginzberg-

13、Landau理論考慮到超導(dǎo)電子密度（ns）不僅是T的函數(shù)，而且是空間位置r和磁場B的函數(shù)，從而可以解釋更多的實驗現(xiàn)象。 Ginzberg-Landau理論給出了決定ns(r)的方程，這使得Ginzberg-Landau理論比倫敦理論更進(jìn)一步。 唯象的Ginzberg-Landau方程和微觀的薛定諤方程形式上一樣，預(yù)示了超導(dǎo)體具有類似微觀現(xiàn)象中的量子化現(xiàn)象，即，宏觀量子現(xiàn)象。磁通量量子化就是宏觀量子現(xiàn)象中的一個重要例子。 Ginzberg-Landau理論建立在相變點附近，它的結(jié)論定性上適用于更低的溫度，但定量上是不能用于比Tc低很多的溫度。 Ginzberg-Landau理論是不含時間的，只能

14、處理有序度參量不隨時間改變的現(xiàn)象。BCS 理論的建立基礎(chǔ)：同位素效應(yīng)、超導(dǎo)能隙和庫帕電子對轉(zhuǎn)變溫度Tc依賴于同位素質(zhì)量M的現(xiàn)象就是同位素效應(yīng),同位素效應(yīng)指出：電子-聲子的相互作用與超導(dǎo)電性有密切關(guān)系。材料處于超導(dǎo)態(tài)時，在費米能附近出現(xiàn)了一個半寬度為D的能量間隔，在這個能量內(nèi)沒有電子態(tài)，D叫做超導(dǎo)能隙（ 10-3-10-4eV）。超導(dǎo)能隙的出現(xiàn)反映了電子結(jié)構(gòu)在從正常態(tài)向超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變過程中發(fā)生了深刻變化。這種變化就是倫敦指出的“電子平均動量分布的固化或凝聚”。電子形成費米球的分布。在超導(dǎo)態(tài)時，在費米球內(nèi)部的電子仍與正常態(tài)中的一樣。但在費米面附近的電子，在交換虛聲子所引起的吸引力作用下，按相反的動量和

15、自旋兩兩地結(jié)合成電子對，這種電子對被稱為庫帕對。BCS理論預(yù)測臨界溫度：U是電子-聲子相互作用能第II類超導(dǎo)體根據(jù)是否存在磁通釘扎中心而分為：理想第II類超導(dǎo)體非理想第II類超導(dǎo)體 理想第II類超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)比較完整，不存在磁通釘扎中心，并且當(dāng)磁通線均勻排列時，在磁通線周圍的渦旋電流將彼此抵消，其體內(nèi)無電流通過，從而不具有高臨界電流密度。非理想第II類超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷，并且存在磁通釘扎中心，其體內(nèi)的磁通線排列不均勻，體內(nèi)各處的渦旋電流不能完全抵消，出現(xiàn)體內(nèi)電流，從而具有高臨界電流密度，適合于實際應(yīng)用。 單粒子隧道效應(yīng)金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)：考慮被絕緣體隔開的兩個金屬，絕緣體通

16、常對于從一種金屬流向另一種金屬的傳導(dǎo)電子起阻擋層的作用。如果阻擋層足夠薄，則由于隧道效應(yīng)，電子具有相當(dāng)大的幾率穿越絕緣層。當(dāng)兩個金屬都處于正常態(tài)，隧道結(jié)的電流正比于電壓。正常金屬-絕緣體-超導(dǎo)體(NIS)結(jié)：Giaever發(fā)現(xiàn)如果金屬中的一個變?yōu)槌瑢?dǎo)體時，電流-電壓的特性曲線發(fā)生變化，可以用超導(dǎo)能隙來解釋正常金屬-絕緣體-超導(dǎo)體(NIS)結(jié)。約瑟夫森(Josephson)效應(yīng) 電子對能夠以隧道效應(yīng)穿過絕緣層，在勢壘兩邊電壓為零的情況下，將產(chǎn)生直流超導(dǎo)電流。而在勢壘兩邊有一定電壓時，還會產(chǎn)生特定頻率的交流超導(dǎo)電流。磁性材料抗磁性 (diamagnetism) 當(dāng)物質(zhì)受到外加磁場的作用時，如果產(chǎn)生

17、與外磁場方向相反的磁化，即磁化率為負(fù)值，則稱此種性質(zhì)為抗磁性。順磁性 (paramagnetism) 順磁性是指材料在外磁場的作用下表現(xiàn)出與外磁場方向相同但數(shù)值很小的磁化率。鐵磁、亞鐵磁材料的單疇微粒呈現(xiàn)出的順磁性。當(dāng)這些微粒的體積減少到一定程度時，微粒的熱運動能將超過難磁化和易磁化之間的磁晶各向異性能的位壘，于是微粒的磁矩就不再固定在易磁化方向，而是隨時間作無規(guī)則的變化，而微粒的表觀磁化強度就變?yōu)榱?。在外磁場作用下，這些微粒傾向于沿外磁場方向排列，從而呈現(xiàn)出順磁性，這種順磁性叫做超順磁性。鐵磁性 (ferromagnetism)低于居里溫度時，這些材料在磁場中顯示出強磁性，磁化強度可達(dá)105

18、A/m, 其磁化曲線呈復(fù)雜的形式。原因：這些物質(zhì)的內(nèi)部存在著一種強的相互作用，使鄰近原子的磁矩近似地排在同一方向，形成了自發(fā)磁化。由物質(zhì)內(nèi)部的交換作用引起的磁矩有序排列，稱為自發(fā)磁化。由外加磁場引起的磁矩有序排列，稱為技術(shù)磁化。鐵磁性的基本特點是在外磁場中的磁化過程的不可逆性。鐵磁性成因 最早對鐵磁性的成因進(jìn)行解釋的是Weiss, 他在1907年提出了兩個假設(shè), 都得到了實驗證明：1、分子場假設(shè) 在鐵磁體的內(nèi)部存在著強大的分子場(約103 T)，即使不加外磁場，其內(nèi)部也產(chǎn)生自發(fā)磁化。（1928年，Heisenberg用量子理論證明了：所謂的分子場，實際是電子自旋之間的交換作用，是電子遵循Pau

19、li原理的必然結(jié)果。）2. 磁疇假說 鐵磁內(nèi)部的自發(fā)磁化被分為若干稱為磁疇的區(qū)域，在每一區(qū)域內(nèi)自發(fā)磁化到飽和，但各個區(qū)域的磁化強度方向是混亂的，因而當(dāng)不加磁場時，不表現(xiàn)出宏觀磁性對于Eex = -2Asisj cosf 的討論當(dāng)A0時，為使交換能最小，相鄰原子3d電子的自旋磁矩夾角為零，即彼此同向平行排列，稱為鐵磁性耦合，即自發(fā)磁化，出現(xiàn)鐵磁性磁有序。當(dāng)A0時，為使交換能最小，相鄰原子3d電子自旋磁矩夾角為180度，即相鄰原子3d電子自旋磁矩反向平行排列，稱為反鐵磁性磁有序。當(dāng) A = 0 時，相鄰原子3d電子自旋磁矩彼此不存在交換作用或者說交換作用十分微弱。在這種情況，由于熱運動的影響，原子

20、自旋磁矩混亂取向，變成磁無序，這是順磁性。3d 金屬中的自發(fā)磁化3d 金屬（如鐵、鈷、鎳），當(dāng)3d電子云重疊時，相鄰原子的3d電子存在交換作用，它們每秒鐘以108的頻率交換位置。其交換作用能 Eex 與兩個電子自旋磁矩的取向有關(guān)，表示為： Eex = -2Asisj cosf, 其中s為電子自旋角動量， f 是相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角，A為交換積分常數(shù)。 在平衡態(tài)，相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角應(yīng)遵循能量最小原理。4f 金屬（稀土金屬）中的自發(fā)磁化部分稀土元素在低溫下呈現(xiàn)出鐵磁性。原因：（非直接交換作用）稀土金屬中對磁性有貢獻(xiàn)的是4f 電子，其半徑僅約0.06-0.08 nm。相鄰的電子

21、云不可能重疊，外層還有5s和5p電子層對4f電子起屏蔽作用，它們不可能象3d金屬那樣存在直接交換作用。Ruderman、 Kittel、Kasuya、Yosida等人先后提出,并逐漸完善了間接交換作用理論，稱為RKKY理論。這一理論可以很好地解釋稀土金屬和稀土與金屬間化合物的自發(fā)磁化。RKKY理論的中心思想是，在稀土金屬中f電子是局域化的，6s電子是巡游電子，f電子和s電子先發(fā)生交換作用，使6s電子極化。而極化了的6s電子自旋使4f電子自旋與相鄰原子的4f電子自旋間接地耦合起來，從而產(chǎn)生自發(fā)磁化，并使稀土金屬原子磁矩排列出現(xiàn)多種螺磁性。永磁材料 硬磁材料，是指施加外磁場磁化以后能長期保留其磁性

22、的材料。“硬”：長期保留磁性的能力高軟磁材料：矯頑力低、磁導(dǎo)率高的磁性材料磁致電阻效應(yīng)是指在一定磁場下電阻改變的現(xiàn)象。 磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象。巨磁阻就是指在一定的磁場下電阻急劇減小，一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值約高10余倍。磁致冷：1）是給材料加磁場，使磁矩按磁場方向整齊排列（能量低）2）撤去磁場，使磁矩的方向變得雜亂（能量高）3）過程2）材料從周圍吸收熱量，通過熱交換使周圍環(huán)境的溫度降低，達(dá)到致冷的目的。單自旋金屬材料的特性在于自旋向上與自旋向下的電子具有不同的導(dǎo)電特性。只有自旋向上的電子能帶是部分填滿的，而自旋向下的電子能帶則完全填滿，并且與更高的能帶間存

23、在一個能隙(bandgap).自旋閥結(jié)構(gòu)于1991年由計算機業(yè)巨擘IBM提出后，引起廣范的研究與討論。 典型的自旋閥結(jié)構(gòu)主要是由二鐵磁層中間夾入非鐵磁層之三明治結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，光纖原理和基本結(jié)構(gòu)：光纖中光的傳送就是利用光的全反射原理。這時，光將在光纖的芯子中沿鋸齒狀路徑曲折前進(jìn)，不會穿出包層，完全避免了光在傳輸過程中的折射損耗。基本結(jié)構(gòu): 光纖由纖芯、包層和護(hù)層組成。光纖的材料：高二氧化硅玻璃光纖、多組分玻璃光纖、塑料光纖。纖芯材料的主體是二氧化硅或塑料，摻入極微量的其他材料如二氧化鍺或五氧化二磷等，以便提高的折射率。包層可以是單層或多層結(jié)構(gòu)，總直徑控制在100200m范圍內(nèi)。包層材料一般為SiO

24、2，有的摻入極微量的三氧化二硼或四氧化硅目的是為了降低其對光的折射率。光纖的應(yīng)用：光纖圖像傳感器：靠光纖束來實現(xiàn)圖像傳輸?shù)?。光纖束由光纖按陣列排列而成，一束一般由數(shù)萬到幾十萬條直徑為l020m的光纖組成，每條光纖傳送一個像素信息。用傳像束可以對圖像進(jìn)行傳遞、分解、合成和修正。光纖通信：能同時傳送100億路電話和1千萬套電視節(jié)目。它比普通金屬導(dǎo)線傳輸線路的容量高出10億倍。同軸電纜通信，每1.5km就要設(shè)一個中繼站，而目前光纖通信的中繼站距離已超過10km，而且光纜具有抗電磁波干擾的本領(lǐng)，所以通信質(zhì)量高，保密性好。 工業(yè)用內(nèi)窺鏡：需要檢查某些大型機器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但這些系統(tǒng)不能打開或靠近觀察，可將

25、探頭事先放入系統(tǒng)內(nèi)部，通過光纖傳像束的傳輸可以在系統(tǒng)外部觀察。該傳感器主要由物鏡、傳像束、傳光束、目鏡或圖像顯示器組成。光源發(fā)出的光通過傳光束照射到待觀測物體上，再由物鏡對待觀測物體成像，經(jīng)傳像束把待觀測物體的各個像素傳送到目鏡或圖像顯示設(shè)備上，觀察者便可對該圖像進(jìn)行分析處理。醫(yī)用內(nèi)窺鏡：由末端的物鏡、傳像束、頂端的目鏡和控制手柄組成。照明光通過傳像束外層光纖照射到被觀察物體上，反射光通過傳像束輸出。由于光纖柔軟，自由度大、末端通過手柄控制能偏轉(zhuǎn)，傳輸圖像失真小，因此，它是檢查和診斷人體內(nèi)各部位疾病的重要儀器。 光子晶體：光子晶體是一種人工晶體，它是由介電材料的周期排列而構(gòu)成的，適合用于小體積

26、的集成塊在光子晶體中，介電常數(shù)在空間上的周期性將會形成光子帶隙結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)“光子禁帶”。“光子禁帶”是指一定的頻率范圍，該范圍內(nèi)的電磁波不能在結(jié)構(gòu)中任何方向的傳播。光子禁帶是光子晶體最重要的特征。激光材料中的基質(zhì)和激活劑工作物質(zhì)的各種物理化學(xué)性質(zhì)主要由基質(zhì)材料所決定；工作物質(zhì)的光譜性質(zhì)主要由激活離子所決定。激活離子：又稱激活劑，決定工作物質(zhì)的光譜特性。固體激光工作物質(zhì)中使用的激活劑有過渡金屬離子、稀土金屬離子和錒系離子三類?；|(zhì)材料：簡單氟化物晶體、復(fù)合氟化物晶體、簡單氧化物晶體、復(fù)合氧化物晶體和其他晶體五類。（簡單氧化物晶體：使用最早、數(shù)量最多、應(yīng)用最廣，其中具有實用價值的有紅寶石、摻釹釔鋁榴

27、石、摻釹鋁酸釔、摻鉻鋁酸鈹?shù)?。它們具有很好的物理化學(xué)性能，都能在室溫下實現(xiàn)激光振蕩）紅外材料：紅外透鏡、紅外窗口、紅外棱鏡、紅外濾光片、紅外頭罩， 等等，真正具有實用價值的紅外光學(xué)材料并不多。1） 紅外光學(xué)晶體：堿鹵化合物晶體、堿土-鹵族化合物晶體、氧化物晶體、無機鹽晶體以及半導(dǎo)體晶體，其中經(jīng)常使用的約有二三十種。2） 紅外光學(xué)玻璃：各向同性、價格低、且易制成較大尺寸的均勻的紅外透射元件，是目前最常用的一種紅外光學(xué)材料。紅外光學(xué)玻璃按其基本組成，可分為氧化物玻璃、硫系玻璃、重金屬氟化物玻璃等。3） 紅外塑料：價格低廉、不溶于水、耐酸堿腐蝕有機玻璃：透可見光與近紅外，用作保護(hù)膜、窗口聚乙烯：在遠(yuǎn)

28、紅外有很高的透過率，是一種很有希望的遠(yuǎn)紅外光學(xué)材料高密度聚丙烯塑料：在中紅外波段有一定的透過率且質(zhì)里比較堅硬，可用作窗口，既能保持系統(tǒng)真空，也能在系統(tǒng)充氣時承受較大壓力而不變形聚四氟乙烯：在遠(yuǎn)紅外波段有很高的透過率，在材料很薄時，在近紅外和中紅外也有相當(dāng)好的透過率，廣泛地用作保護(hù)膜材料和遠(yuǎn)紅外光學(xué)材料聚烯烴塑料：機械強度、硬度、耐腐蝕性、抗熱沖擊性都比較好，是一種有前途的遠(yuǎn)紅外光學(xué)材料，用作窗口和透鏡（紅外線按波長可分為三個光譜區(qū)：近紅外：0.7-15mm中紅外: 15-50 mm 遠(yuǎn)紅外：50-1000mm ）功能轉(zhuǎn)化材料壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)沿其一定的方向施加壓力或拉力時，隨著形變的產(chǎn)生，會在

29、其某兩個相對的表面產(chǎn)生符號相反的電荷（表面電荷的極性與拉、壓有關(guān)），當(dāng)外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”： 機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；反之，在極化方向上（產(chǎn)生電荷的兩個表面）施加電場，它又會產(chǎn)生機械形變，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”：電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料。根據(jù)幾何結(jié)晶學(xué)，在32種點群中，只有20種不具有對稱中心的晶族，有可能具有壓電性。壓電材料：壓電晶體（a-石英）絕大多數(shù)人工水晶是右旋晶體。應(yīng)用最廣泛的壓電陶瓷是鈦酸鋇系和鋯鈦酸鉛系(PZT)陶瓷。 熱釋電效應(yīng)：熱釋電晶體是壓電晶體中的一種，具有非中心對稱的晶體結(jié)構(gòu)。自然狀態(tài)下，在某個軸向

30、方向上正負(fù)電荷中心不重合，從而晶體表面存在著一定量的極化電荷，稱為自發(fā)極化，該軸稱為極化軸。溫度恒定時，因晶體表面吸附有來自于周圍空氣中的異性電荷，而觀察不到它的自發(fā)極化現(xiàn)象。溫度變化時，引起晶體的正負(fù)電荷中心發(fā)生位移，晶體表面的極化電荷則隨之變化，而吸附電荷卻跟不上它的變化，即顯現(xiàn)出晶體的自發(fā)極化現(xiàn)象。這一過程的平均作用時間為/，為介電系數(shù)，為電導(dǎo)率。晶體中存在熱釋電效應(yīng)的前題是具有自發(fā)極化，即在晶體結(jié)構(gòu)的某些方向存在固有電矩。熱釋電材料：電氣石、鈦酸鉛(PbTiO3聲光效應(yīng)：1）超聲波(彈性波)使介質(zhì)的折射率周期性地變化，形成折射率光柵，光柵常數(shù)即為超聲波的波長， 2）光通過形成超聲光柵的

31、介質(zhì)時將會產(chǎn)生折射和衍射，產(chǎn)生聲光交互作用。（由應(yīng)力造成折射率變化是彈光效應(yīng)。）聲光材料：大多數(shù)聲光器件為可見光波段的器件，所用晶體主要是氧化物晶體，其中最重要的是鉬酸鉛(PbMoO4)和二氧化碲(TeO2)等晶體。熱電效應(yīng)：賽貝克（Seebeck）效應(yīng)兩種不同金屬的連線，若將連線的一結(jié)點置于高溫狀態(tài)T2（熱端），而另一端處于開路且處于低溫狀態(tài)T1冷端，則在冷端存在開路電壓V，此種現(xiàn)象被稱為塞貝爾效應(yīng)，Seebeck電壓V與熱冷兩端的溫度差T成正比，即由兩種不同的金屬構(gòu)成的能產(chǎn)生溫差熱電勢的裝置稱為熱電偶。合金熱電材料：碲化鉍(Bi2Te3)、硒化鉍(Bi2Se3)和碲化銻(Sb2Te3)固體

32、材料中的缺陷和擴(kuò)散二維缺陷的類型和特點：固體材料的二維缺陷有：表面、晶界、亞晶界、相界等。外表面：晶體表面結(jié)構(gòu)與晶體內(nèi)部不同，由于表面是原子排列的終止面，另一側(cè)無固體中原子的鍵合，其配位數(shù)少于晶體內(nèi)部，導(dǎo)致表面原子偏離正常位置，并影響了鄰近的幾層原子，造成點陣畸變，使其能量高于體內(nèi)。 由于表面能來源于形成表面時，破壞的結(jié)合鍵，不同的晶面為外表面時，所破壞的結(jié)合鍵數(shù)目不等，故表面能具有各向異性。一般外表面通常是表面能低的密排面。外表面會吸附外來雜質(zhì):晶界：晶粒之間的交界面稱為晶粒間界，可以看作是一種晶體缺陷，晶粒間界只有極少幾層原子排列是比較錯亂的，它的兩旁還有若干層原子是按照晶格排列的，只不過

33、是有較大的畸變而已。相鄰兩晶粒的取向差小于10稱為小角晶界。晶界的特點：1）晶界是原子排列異常的狹窄區(qū)域，一般僅幾個原子間距。2）晶界處，原子排列紊亂，使能量增高，產(chǎn)生晶界能，使晶界性質(zhì)有別于晶內(nèi)。3）晶界處某些原子過于密集的區(qū)域為壓應(yīng)力區(qū)，原子過于松散的區(qū)域為拉應(yīng)力區(qū)。4）與小角度晶界相比，大角度晶界能較高，大致在0.5J/m2（某些特殊取向的大角度晶界的界面能很低，這些特殊取向滿足大角度晶界的重合位置點陣模型。）孿晶界：相鄰兩晶粒沿一個公共晶面(孿晶界)構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系。相界：材料中兩相之間的分界。相界結(jié)構(gòu)有三種：共格界面、半共格界面和非共格界面。失配度d 0.25，完全失去匹配能力

34、，成為非共格界面。失配度共格界面界面能最低，非共格界面界面能最高，半共格界面界面能居中。一維缺陷：位錯位錯正是滑移區(qū)的邊界刃型位錯的特點1滑移的過程是滑移區(qū)域不斷擴(kuò)展的過程。2位錯正是滑移區(qū)的邊界。3滑移的過程就是位錯在滑移面上的運動。4刃位錯從滑移面的一邊運動到另一邊就完成了滑移過程。5位錯移動一步，只有位錯附近的原子做了比較微小的移動，位錯附近的原子處在相對不穩(wěn)定的狀況，所以在很小的切應(yīng)力下就可以使位錯移動。具體的理論計算表明，所需要的切應(yīng)力大小和實際產(chǎn)生滑移的切應(yīng)力基本上一致。螺型位錯的特點u 在原子平面上環(huán)繞螺位錯走一周，就會從一個晶面轉(zhuǎn)到下一個晶面(或上一個晶面)上。原子已不再構(gòu)成一

35、些平行的原子平面。而形成了以螺位錯為軸的螺旋面，螺位錯的名稱正是從這個特點而來的。u 螺位錯可以在任意的通過它的面內(nèi)移動。螺位錯的運動可以使滑移區(qū)擴(kuò)展。u 螺位錯線以外四周的原子雖然基本上保持著晶格排列，但是從原來的平行晶面變?yōu)槁菪骘@然是受到一定扭曲的，所以環(huán)繞螺位錯也存在著一定的彈性應(yīng)力場。u 螺位錯在晶體表面提供了一個天然的生長臺階，而且，隨著原子沿臺階的集合生長，并不會消滅臺階，而只是使臺階向前移動。位錯的描述方式 柏氏矢量 (Burgers vector) 從實際晶體中任一原子M出發(fā)，避開位錯附近的嚴(yán)重畸變區(qū)作一閉合回路MNOPQ, 回路每一步連接相鄰原子。按同樣方法在完整晶體中做同

36、樣回路，步數(shù)、方向與上述回路一致，這時終點Q和起點M不重合，由終點Q到起點M引一矢量QM即為柏氏矢量b。柏氏矢量與起點的選擇無關(guān)，也與路徑無關(guān)。柏氏矢量是位錯所獨有的性質(zhì)。利用柏氏矢量b與位錯線t的關(guān)系，可判定位錯類型。若b / t為螺型位錯，b t 則為刃型位錯。 點缺陷的類型，與點缺陷有關(guān)的物理現(xiàn)象 在結(jié)晶過程中，在高溫下或由于輻照等，晶體中就會產(chǎn)生點缺陷。其特點是三維方向上尺寸都很小，僅引起幾個原子范圍的點陣結(jié)構(gòu)的不完整。點缺陷的種類：1) 肖脫基空位: 離位原子跑到晶體表面或晶界后形成的，對于離子晶體，為維持相等的電荷，正離子與負(fù)離子必須同時從點陣中消失。 2) 弗侖克爾空位: 離位原

37、子跳到晶體間隙中形成的，與此同時還形成了相同數(shù)目的間隙原子。3) 置換原子的半徑與原材料不同時也將擾亂周圍原子的完整排列，也可看成是點缺陷。點缺陷引起材料性質(zhì)的變化：1點缺陷引起晶格振動頻譜的改變：在缺陷附近，原子間的彈性恢復(fù)力系數(shù)發(fā)生改變，晶格振動的頻譜分布也發(fā)生改變，形成一種局限于缺陷附近的振動模式，稱為局域模。2空位引起晶體線度的變化：當(dāng)晶格產(chǎn)生較多空位時，晶體的線度隨之改變。線度的相對改變量DLL與由熱膨脹引起的晶格常數(shù)的相對改變量Daa (可由X射線衍射測定，空位對衍射的影響可忽賂不計)之差，可用于測定空位的濃度。3空位的出現(xiàn)引起晶體密度的變化: 弗倫克爾缺陷不會引起晶體密度的變化，

38、肖脫基缺陷，特別是離子晶體的肖脫基缺陷將引起密度變化。4. 缺陷將改變晶格的自由能: 自由能FU-TS。點缺陷將從兩個方面影響自由能：1) 產(chǎn)生缺陷需要能量。當(dāng)缺陷濃度為n時，系統(tǒng)的內(nèi)能增加DU；2)由于缺陷的出現(xiàn)使原子排列較無序，因此系統(tǒng)的位形熵也增加DS。因而自由能改變DF= DU-TDS。當(dāng)兩種因素相互制約，使F為最小時，缺陷數(shù)目n達(dá)到穩(wěn)定值。5缺陷引起晶體比熱容變化：含有點缺陷的晶體，其內(nèi)能變化D U，即 U=U0+ D U，晶體的比熱容 通過測定測定比熱容的變化，可以測量出點缺陷的濃度小角晶界可以看成是由一系列刃位錯排列而成。在從高溫熔融狀態(tài)凝固的材料中的位錯正是起源于空位凝結(jié)過程。

39、擴(kuò)散的宏觀實驗規(guī)律: 原子借助于無規(guī)熱漲落在晶格中的輸運過程費克第一定律： j = -Dn 對費克第一定律取散度，并代入連續(xù)性方程 此方程稱為費克第二定律。費克第二定律加上適當(dāng)?shù)某跏紬l件和邊界條件，即可對任意時刻擴(kuò)散物質(zhì)的濃度分布 n (x，t) 作出推斷。一個常常用到的解是：擴(kuò)散的微觀機制：1） 空位和間隙原子的運動。離子晶體的導(dǎo)電和固體中的各種擴(kuò)散現(xiàn)象正是通過空位和間隙原子的運動來實現(xiàn)的。 2） 原子的布朗運動。對于間隙式原子的情況：原子可以依靠熱漲落在間隙之間跳躍，并且得到跳躍率為：對于代位式原子的情況：代位式原子和間隙原子擴(kuò)散系數(shù)的主要差別在于，激活能除去原子跳躍勢壘外還包括了形成空位

40、的能量w。納米材料納米材料的兩個重要的結(jié)構(gòu)上的特征：納米材料的兩個重要特征：納米晶粒和高濃度晶界。納米晶粒中的原子排列已不能看作長程有序。高濃度晶界及晶界原子的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能、磁性、介電性、超導(dǎo)性、光學(xué)乃至熱力學(xué)性能的改變。界面原子占極大比例，從而構(gòu)成與晶態(tài)、非晶態(tài)均不同的一種新的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。久保(Kubo)理論（針對金屬超微顆粒費米面附近電子能級狀態(tài)分布而提出來的） 把金屬納米粒子靠近費米面附近的電子狀態(tài)看作是受尺寸限制的簡并電子態(tài)，進(jìn)一步假設(shè)它們的能級為準(zhǔn)粒子態(tài)的不連續(xù)能級，認(rèn)為相鄰電子能級間距和金屬納米粒子的直徑d的關(guān)系為：N為金屬納米粒子的總導(dǎo)電電子數(shù)，EF為費米能級。隨著納

41、米粒子的直徑減小，能級間隔增大。能隙變寬到一定的程度，金屬導(dǎo)體將變?yōu)榻^緣體！納米材料的表面效應(yīng)：由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學(xué)活性。納米材料的小尺寸效應(yīng)：當(dāng)超細(xì)粒子的尺寸與光波波長、德布羅意波長、超導(dǎo)態(tài)的相干長度或與磁場穿透深度相當(dāng)或更小時，晶體周期性邊界條件被破壞，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。納米材料的量子尺寸效應(yīng)：當(dāng)納米粒子的尺寸下降到某一值時，金屬粒子費米面附近電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級；納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)的分子軌道能級和最低未被占據(jù)的分子軌道能級，能隙變寬現(xiàn)

42、象等均被量子尺寸效應(yīng)。 對納米微粒，所包含原子數(shù)N值很小，導(dǎo)致能級間距有一定值。當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)體的凝聚能時，會導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性有著明顯的不同。納米材料的常用制備方法：規(guī)模制備中的質(zhì)量控制- 均勻化、分散化、穩(wěn)定化格萊特首次采用金屬蒸發(fā)凝聚-原位冷壓成型法制備納米晶以來，隨后發(fā)展了各種物理、化學(xué)制備方法，如機械球磨法、非晶晶化法、水熱法、溶膠-凝膠法等等。理論上任何能制造出精細(xì)晶粒多晶體的方法都可用來制造納米材料。納米陶瓷的優(yōu)點：可以克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。具有高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無法相比的優(yōu)點。納米材料的晶粒結(jié)構(gòu)與完整晶格有何不同：納米尺寸的晶粒結(jié)構(gòu)與完整晶格有很大差異。納米晶粒由于尺寸超細(xì)，在一定程度上表現(xiàn)出晶格畸變效應(yīng)。納米尺寸晶粒的點陣常數(shù)偏離了平衡值。納米材料的晶界結(jié)構(gòu)的特點： 觀點一：納米晶界面具有較為開放的結(jié)構(gòu)，原子排列具有隨機性，原子間距較大，原子密度較低。晶界結(jié)構(gòu)既非晶態(tài)的長程有序，也不是非晶態(tài)的短程有序，是一種類似于氣態(tài)的更無序的結(jié)構(gòu) 觀點二：納米材料的界面結(jié)構(gòu)與普通多晶材料在本質(zhì)