文档介绍：功能材料的发展与现状图1-1功能材料的发展概况近年来功能材料快速发展的动力:(1)新的科学理论和现象的发现(2)新材料制备技术的发展(3)新的工程与技术的需要功能材料的定义及分类利用材料的物理、化学与生物学等性能制造具有电、磁、光、声、热、生物等功能器件的材料,统称为功能材料。如光学材料、电子材料、磁学材料等。定义:具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学等功能及其相互转换功能,被用于非结构目的的高技术材料。功能材料分类:按物理属性分类金属功能材料无机非金属功能材料有机功能材料复合功能材料按功能特性分类磁学功能材料电学功能材料光学功能材料声学功能材料热学功能材料力学功能材料生物医学功能材料按应用领域分类仪表仪器材料传感器材料电子材料电信材料储氢材料储能材料形状记忆材料功能材料的特点微观结构方面:超低缺陷密度、结构精细、纯度高在性能方面:功能材料以材料的电、磁、声、光等物理、化学和生物学特性为主在用途方面:功能材料制备成元器件,材料与器件一体化在制造技术方面:多学科交叉、技术含量高、品种多、批量小、更新快材料的物理性能量子特征波粒二象性图1-2电子与光的关系电子的波粒二象性假说(法国科学家德布罗意):与一个动量为p、能量为E的粒子相联系的单色场的波长λ或频率ν,可以通过普朗克常数相联系:λ=h/p,ν=E/h。λ称为德布罗意波长。采用波数k=2π/λ和角频率ω=2πν,并定义一个新常数F=h/2π=×10-,可以得到:P=Fk,E=Fω结论:光与粒子的动力学性质(动量和能量),可以统一表述。例:动能E=eV的电子德布罗意波长为:(1)具有能量是102-105eV能量的电子,-(1nm=10Å)(2),与X射线波长相近。即:电子衍射与中子衍射都可用于晶体衍射实验。因此可以用一个延伸到整个空间的恒定振幅的谐波(物质波Δx)来表示一个具有精确动量(Δp)的自由粒子。(海森伯不确定原理:粒子的位置不确定度Δx与动量不确定度Δp不能同时准确测知)不确定原理的表示方法决定材料物性的主导因素:原子系统(经典粒子):反映位置序或粒子序(性)的效应;电子系统(量子力学特征):反应动量序或德布罗意波序(性)的效应。通常,根据体系尺寸或粒子的平均间距a来确定:当a>λ,粒子序为主;德布罗意波长为温度的函数,可用简并温度T0来表征。,当T>T0时,粒子序为主导;当T<<T0时,波序占主导地位。得到结论:电子系统行为多反应波序的效应;原子系统多反应粒子序。例:(1)电子系统:以原子间距为特征尺度a,电子质量为10-27g,可以计算出简并温度T0约104K。即T<<T0,电子系统反应出波序的效应。(2)原子系统:原子质量为电子质量的103倍以上,T0约20K,对凝聚态物质,粒子序占主导。(3)氦元素的T0约5K,其液化温度很低,表现出超流动性,存在量子力学现象。经典统计与量子统计表征材料宏观物理性质的方法:给定系统的物理条件(粒子数、总能量),就有一最可几配分,达到这个配分时,就说这个系统处于统计平衡,可以用这个统计平衡值表征材料宏观的物理性质。主要统计方法经典统计:麦克斯韦-玻耳兹曼分布律-------粒子性占主导的系统;系统由全同的但可区别的粒子所组成。全同粒子:指具有相同结构和组成;可区别:指在原则上有确定的轨迹可跟踪。不可区别:只能区别每个能级上的多少粒子,但不能区分是哪几个。量子统计:波动性占主导的系统;系统由全同的并且是不可区分的粒子组成。量子统计中:遵从泡利不相容原理时,两个粒子不能处于同一量子态Ei,系统的波函数必然是反对称的,满足这些要求的粒子为费米子,它遵从费米-狄拉克统计;在费米子系统中,单粒子态Ei的平均占有数为费米狄拉克分布:对于单粒子能级分布非常稠密的情形采用单粒子态密度的概念,态密度分布遵守费米分布函数:式中:EF为化学势,常称为费米能,表示该系统中费米子的最大能量。零温度下,粒子只占有最下面的资用能级,直到费米能EF的。在较高温度时,较低能量的态通过吸收能量从而转移到能量大于EF的态。对于KBT<<EF的温度,所以低能量态全部被占有,只有自由能接近EF的费米子能够通过吸收较小能量KBT而移至费米能以上的未被占有态;而远离费米面的的低能态费米子只能吸收足够的能量才能跃迁到费米面上(如:吸收光子)。不遵从泡利不相容原理时,系统对处于相同量子态的粒子数目没有限制,描写粒子系统的波函数必然对称,满足这些要求的粒子为玻色子,它遵从玻色-爱因斯坦统计;对于玻色子,单粒子态Ei的平均占有数为波色爱因斯坦分布:对于单粒子能级分布非常稠密的情形采用单粒子态密度的概念,态密度分布遵守玻色分布函数:式中:μ为化学势。上述三种统计分布可以统