材料物理绪论课件.ppt

1、*了解材料物理和凝聚态物理研究 的基本轮廓 *引导学生从书本走向实际的研究l目的1 除了一些具体知识以外，一个重要的目的 是要学生把书本知识与实际的研究工作联 系起来。2.课后阅读非常重要，可以帮助大家了解如 何运用学得的东西去处理实际的问题。3.明确实际的研究工作大部分都是一些看起 来非常小的事情。l课程主要设想和思路第一讲第一讲 绪绪 论论1.1 材料物理学的定义材料物理学的定义1.3 材料物理学的研究范围材料物理学的研究范围1.2 材料物理学的特点材料物理学的特点1.4 材料物理学的研究手段材料物理学的研究手段材料物理材料物理*涉及物质的涉及物质的微观结构、组织形式、运动微观结构、组织形

2、式、运动 状态、物理性能、化学成分状态、物理性能、化学成分及其相互关及其相互关 系的研究系的研究*物理学和材料学之间的交叉学科。物理学和材料学之间的交叉学科。1.1材料物理学的定义材料物理学的定义*利用物理学的一些学科成果，阐明材料中利用物理学的一些学科成果，阐明材料中 的种种规律和转变过程。的种种规律和转变过程。材料性能物理学模型物理学概念、原理等物理物理科学科学材料材料科学科学材料材料物理物理1.1材料物理学的定义材料物理学的定义从物理学的一些基本概念、基本原理、基本定律出从物理学的一些基本概念、基本原理、基本定律出发，并建立相应的物理模型，力图阐述材料本身的发，并建立相应的物理模型，力图

3、阐述材料本身的结构、性质和它们在各种外界条件下发生的变化及结构、性质和它们在各种外界条件下发生的变化及其变化规律，得出结论，进而指导材料的生产和科其变化规律，得出结论，进而指导材料的生产和科学研究。学研究。能源材料能源材料金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料光电材料光电材料有机高分子材料有机高分子材料智能材料智能材料生物材料生物材料生态环境材料生态环境材料复合材料复合材料单晶单晶多晶多晶非晶非晶准晶准晶液晶液晶建筑材料建筑材料航空航天材料航空航天材料结构材料结构材料功能材料功能材料信息材料信息材料1.1材料物理学的定义材料物理学的定义材料种类繁多材料种类繁多传感器件传感器件半导体芯片半

4、导体芯片半导体技术半导体技术液晶材料液晶材料光学材料光学材料金属材料金属材料磁性材料磁性材料移动通讯移动通讯数码拍照数码拍照拍照功能拍照功能显示功能显示功能金属外壳金属外壳信号接受信号接受对话功能对话功能电子线路电子线路照片存储照片存储功能材料功能材料介电材料介电材料1.1材料物理学的定义材料物理学的定义材料无处不在材料无处不在lHave you ever wondered?lWhat material is used to protect the shuttle from high temperatures during re-entry?Carbon based CompositesAdv

5、anced Ceramic TileslWhat magnetic strip on your credit card is made from?Ferrite Magnetic MaterialslWhat ceramic material is commonly added to paints?ColorfulDurableTiO2SiO2,et al.What ceramic is found in magnetic levitation train?Long-range missileEyes of missile-Windows materials整流罩材料整流罩材料-透明陶瓷、红外

6、陶瓷透明陶瓷、红外陶瓷耐高温、透红外根据目标红外源自动跟踪耐高温、透红外根据目标红外源自动跟踪半导体陶瓷电容器半导体陶瓷电容器陶瓷空间转换器陶瓷空间转换器 无引线芯片座无引线芯片座陶瓷倒装片陶瓷倒装片陶瓷管脚阵列陶瓷管脚阵列射频晶体管射频晶体管氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷用于集成电路用于集成电路 陶瓷薄膜陶瓷薄膜消磁用消磁用PTCPTC压敏电阻压敏电阻Bone cementBone substitutetooth炭炭纤纤维维l20052005年度，国家科技大会上年度，国家科技大会上,仅有的两项国家科仅有的两项国家科技发明一等奖（连续空缺技发明一等奖（连续空缺6 6年）年）,都分别颁发给了都分别颁发给了

7、两项无机复合材料及其应用技术。两项无机复合材料及其应用技术。耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料及其应用技术西北工业大学 张立同院士高性能炭/炭航空制动材料的制备技术中南大学 黄伯云院士“新材料新材料”与与“高技术高技术”“新材料新材料”：新出现或已在发展中的，在成分、组：新出现或已在发展中的，在成分、组 织、结构、形态等方面不同于普通材织、结构、形态等方面不同于普通材 料，具有传统材料所不具备的优异性能料，具有传统材料所不具备的优异性能 和特殊功能的材料。和特殊功能的材料。“高技术高技术”：采用新材料、新工艺，产生更高效益，：采用新材料、新工艺，产生更高效益，能促进人类社会更快进步的技术。能促进

8、人类社会更快进步的技术。高技术引入大量新材料，二者相辅相成：高技术引入大量新材料，二者相辅相成：eg：半导体材料及大规模集成电路技术的不断：半导体材料及大规模集成电路技术的不断突破，使电子计算机的体积越来越小，能力却突破，使电子计算机的体积越来越小，能力却成千上万倍地提高。成千上万倍地提高。1.1.1材料是社会进步的物质基础与先导材料是社会进步的物质基础与先导人类的历史曾以使用的主要材料来加以划分人类的历史曾以使用的主要材料来加以划分如如石器时代石器时代、青铜器时代青铜器时代、铁器铁器(钢铁钢铁)时代时代等等等等。目前人类正进人信息社会，材料、能源和信息技目前人类正进人信息社会，材料、能源和信

9、息技术是当前国际公认的新技术革命的三大支柱。术是当前国际公认的新技术革命的三大支柱。1.1材料物理学的定义材料物理学的定义Stone Age10万年万年DCBronze Age3000年年DCSteel Age1000年年DCCement Age0年年PolymerAdvance CeramicINFORMATION AGEIron Age1800年年New Materials age 1990年年Silicon Age1950年年Electronic Materials Age植入硅芯片的纳米碳管Nano Tube硅芯片 Silicon Transistor 晶体管Transistor晶体管

10、芯片Transistor Chip电子器件Electronic PartsINFORMATION AGE材料科学的形成是金属材料、无机非金属材料、材料科学的形成是金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料各学科发展过程的殊途同归。有机高分子材料各学科发展过程的殊途同归。即构成工程材料的结构材料和功能材料有着共同即构成工程材料的结构材料和功能材料有着共同的学科基础，这个学科就是材料科学。显然，材的学科基础，这个学科就是材料科学。显然，材料科学已成为一门独立的学科以及各组成学科的料科学已成为一门独立的学科以及各组成学科的聚集体。聚集体。材料种类类型、材料加工工艺以及各种材材料种类类型、材料加工工艺以

11、及各种材料之间相互有机联系而形成的材料科学，料之间相互有机联系而形成的材料科学，就广义而言，三者构成了材料学。就广义而言，三者构成了材料学。1.1.2材料的分类材料的分类单晶、多晶、非晶、准晶和液晶单晶、多晶、非晶、准晶和液晶 无机材料与有机材料无机材料与有机材料 信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、结构材料和功能材料结构材料和功能材料 按状态分：按状态分：化学的角度：化学的角度：应用：应用：用途用途:1.1材料物理学的定义材料物理学的定义航空航天材料航空航天材料等等材料有共通性：材料有共通性：制备、使用过程中现象、概念、转变相似制备、使用过程中现象

12、、概念、转变相似单晶单晶多晶多晶非晶非晶准晶准晶结构、缺陷行为结构、缺陷行为平衡热力学平衡热力学扩散、界面结构与行为扩散、界面结构与行为材料相变机理材料相变机理电子迁移及电性能电子迁移及电性能从物理学的角度，从微观的角度从物理学的角度，从微观的角度1.1材料物理学的定义材料物理学的定义阐述材料中的种种规律很重要阐述材料中的种种规律很重要高性能陶瓷高性能陶瓷高纯金属高纯金属生物工程生物工程薄膜薄膜纳米材料纳米材料半导体半导体超导体超导体聚合物聚合物材料工程材料工程1.1.3 什么是材料工程？什么是材料工程？1.1材料物理学的定义材料物理学的定义材料工程更注重实际，主要论及材料的加工工艺。材料工程

13、更注重实际，主要论及材料的加工工艺。目前，它已变成一门极复杂的技艺目前，它已变成一门极复杂的技艺 材料物理和材料科学的关系材料物理和材料科学的关系3.材料物理的基本研究指导材料的生产应用材料物理的基本研究指导材料的生产应用1.2材料物理学的特点材料物理学的特点1.息息相关、相互促进、共同发展息息相关、相互促进、共同发展2.研究课题来源于材料、对象也是材料，研究课题来源于材料、对象也是材料，都是生产、科研中提出来的新问题。都是生产、科研中提出来的新问题。*主要课题来源于生产实践主要课题来源于生产实践eg.1：金属材料：强度、范性金属材料：强度、范性 低维材料，薄膜材料（低维材料，薄膜材料（2维）

14、、纳米线（维）、纳米线（1维）、维）、陶瓷：烧结体，烧结技术，微结构陶瓷：烧结体，烧结技术，微结构1.2材料物理学的特点材料物理学的特点纳米点（纳米点（0维），尺寸效应。维），尺寸效应。由于工艺上的突破并实现连续生产的由于工艺上的突破并实现连续生产的“金属玻璃金属玻璃”，因而金属玻璃的力学性质、磁性、超导电性等实际因而金属玻璃的力学性质、磁性、超导电性等实际 问题的研究也就随之提出；问题的研究也就随之提出；由于电子技术、激光、红外技术的需要，研究由于电子技术、激光、红外技术的需要，研究 电介质材料就由研究绝缘体的四大参数逐步扩电介质材料就由研究绝缘体的四大参数逐步扩 展到研究物质的电极化过程；

15、展到研究物质的电极化过程；为了发展耐高温的材料，推动了对于金属或为了发展耐高温的材料，推动了对于金属或陶陶 瓷的高温强度、高温蠕变、氧化及扩散的研究瓷的高温强度、高温蠕变、氧化及扩散的研究 等等。等等。eg.2：材料物理的基本研究成果在生产实材料物理的基本研究成果在生产实 践践 中发挥了很大作用中发挥了很大作用 再结晶结构的研究显著改进了硅钢片的质再结晶结构的研究显著改进了硅钢片的质量量 利用非晶硒的光导特性的研究成果，发展了新利用非晶硒的光导特性的研究成果，发展了新的的 集成铁电学的研究，促进了铁电存储器的实际集成铁电学的研究，促进了铁电存储器的实际应应eg：静电复印技术；静电复印技术；用开

16、发用开发*材料科学的研究导致新的物理学现象材料科学的研究导致新的物理学现象研究材料的性质在各种外界条件（研究材料的性质在各种外界条件（力、热、力、热、光、气、电、磁、辐照、极端条件等光、气、电、磁、辐照、极端条件等）下发生的变化。发现了新的物理现象和效应、下发生的变化。发现了新的物理现象和效应、规律、形成了新的概念。比如铁电、热释电、规律、形成了新的概念。比如铁电、热释电、压电、电致伸缩等效应。压电、电致伸缩等效应。材料物理是物理和材料的交叉学科材料物理是物理和材料的交叉学科1.2材料物理学的特点材料物理学的特点材料物理是介于物理学与材料学之间的一门边缘学科，材料物理是介于物理学与材料学之间的

17、一门边缘学科，它的基础牵涉到许多不同的学科，诸如它的基础牵涉到许多不同的学科，诸如晶体学、材料晶体学、材料力学、物理化学、材料科学基础、材料物理性能力学、物理化学、材料科学基础、材料物理性能，以，以及物理学中的一些分支（及物理学中的一些分支（热力学、弹塑性理论、统计热力学、弹塑性理论、统计物理、量子力学、固体物理学物理、量子力学、固体物理学）等。）等。利用众多学科成果，形成了以诸种材料为研利用众多学科成果，形成了以诸种材料为研究对象的一门独立的综合性的物理学科究对象的一门独立的综合性的物理学科*晶体学揭示材料的微观组织结构晶体学揭示材料的微观组织结构*材料科学有助于研究材料的内在联系材料科学有

18、助于研究材料的内在联系1.2材料物理学的特点材料物理学的特点*量子力学、统计物理及弹性力学方法帮助我量子力学、统计物理及弹性力学方法帮助我 们理解材料中的电子、原子以及各种晶体缺们理解材料中的电子、原子以及各种晶体缺 陷的运动规律和它们之间的交互作用；陷的运动规律和它们之间的交互作用；*固体物理学提供了原子键合、原子振动、固体物理学提供了原子键合、原子振动、电子结构、能带结构等的基础知识。电子结构、能带结构等的基础知识。1.2材料物理学的特点材料物理学的特点*热力学、物理化学、材料力学、材料物理热力学、物理化学、材料力学、材料物理 性能可以用来阐明材料一些宏观的规律和材性能可以用来阐明材料一些

19、宏观的规律和材 料特性。料特性。好的试验结果要有好的理论来解释。好的试验结果要有好的理论来解释。一个试验现象应该有一个相应的理论一个试验现象应该有一个相应的理论解释才是完美的。解释才是完美的。为什么？为什么？是什么？是什么？材料学材料学物理学物理学金属物理学，半导体物理学、电介质物理学、金属物理学，半导体物理学、电介质物理学、铁电物理学、磁学、非晶态物理学、高分子物铁电物理学、磁学、非晶态物理学、高分子物理学、薄膜物理学等。理学、薄膜物理学等。材料物理的范围1.3材料物理学的研究范围材料物理学的研究范围每一材料学的分支都相应的有相应的每一材料学的分支都相应的有相应的材料物理学分支材料物理学分支

20、材料物理是物理研究中的重要领域。材料物理是物理研究中的重要领域。比如超导体、半导体、永磁材料。也比如超导体、半导体、永磁材料。也是物理中发展最快的领域。是物理中发展最快的领域。1.3材料物理学的研究范围材料物理学的研究范围1.4 材料物理和物理学的实验测试技术X射线技术射线技术XRD扫描电镜扫描电镜SEM透射电镜透射电镜TEM高分辨透射电镜高分辨透射电镜HREM场离子显微镜场离子显微镜FIM红外光谱红外光谱FTIR核磁共振核磁共振NMR电子顺磁共振谱电子顺磁共振谱 ESRX光荧光谱光荧光谱XPS拉曼光谱拉曼光谱Raman1.4材料物理学的研究手段材料物理学的研究手段扫描探针显微镜扫描探针显微镜

21、SPM*材料物理作为物理学的一个分支，其发展与物材料物理作为物理学的一个分支，其发展与物 理学的实验技术和基本理论的进展密切相关。物理学的实验技术和基本理论的进展密切相关。物理学的新技术和新理论，将会极大地促进材料物理学的新技术和新理论，将会极大地促进材料物理领域的发展。理领域的发展。*在实验技术上，在实验技术上，XRD、SEM、TEM、HREM、FIM、XPS、IR、Raman光谱、光谱、ESR、NMR等现等现代测试方法的应用，为材料研究开辟了新天地。代测试方法的应用，为材料研究开辟了新天地。*在理论方面，量子力学在材料物理理论中所起的在理论方面，量子力学在材料物理理论中所起的促进作用是人所

22、共知的。促进作用是人所共知的。回顾材料发展和材料研究的历史，尤其是回顾材料发展和材料研究的历史，尤其是20世纪世纪乃至最近二三十年出现的材料（市场已出现的材乃至最近二三十年出现的材料（市场已出现的材料，或通过专利、论文和材料会议报道即将问世料，或通过专利、论文和材料会议报道即将问世的材料），以及材料科学研究成果，可以归纳、的材料），以及材料科学研究成果，可以归纳、总结出材料学与物理学是有密切联系的。总结出材料学与物理学是有密切联系的。从物理学的角度说明材料，即形成材料物从物理学的角度说明材料，即形成材料物理学科，显然是顺理成章的理学科，显然是顺理成章的 材料物理作为一门学科的基本任务就是关注新

23、材材料物理作为一门学科的基本任务就是关注新材料、高技术的发展，力图从中总结、归纳新的物料、高技术的发展，力图从中总结、归纳新的物理现象、效应、模型或图像。同时，材料物理本理现象、效应、模型或图像。同时，材料物理本身也在不断发展中，如金属物理、半导体物理、身也在不断发展中，如金属物理、半导体物理、电介质物理、非晶态物理、高分子物理、薄膜物电介质物理、非晶态物理、高分子物理、薄膜物理等等，其研究成果往往会揭示出一些新的物理理等等，其研究成果往往会揭示出一些新的物理概念和规律。概念和规律。*在应用、开发上蕴藏着巨大的潜力在应用、开发上蕴藏着巨大的潜力:如研制出如研制出新材料、新的元件或器件；或有可能

24、开辟出新新材料、新的元件或器件；或有可能开辟出新的技术领域。从这个意义上看，材料物理将为的技术领域。从这个意义上看，材料物理将为研制高技术材料打下牢固的物理基础。研制高技术材料打下牢固的物理基础。例如：碳 C (微观结构对性质的影响)石 墨：层状，易 碎，层间易断裂，导电无定形碳：非晶态结构，高硬度，绝缘金刚石碳：立方晶体，自然界硬度最高，绝 缘，高导热Sp3Sp3共价健共价健Sp2共价健范德华健纳米结构（1100nm)特殊效应特殊性质催化、光吸收、磁介质等新材料领域电子功能陶瓷、电子功能陶瓷、结构陶瓷致密结构陶瓷致密显微结构显微结构生物功能陶瓷多孔生物功能陶瓷多孔显微结构显微结构原子间相互作

25、用键合原子排列晶体结构结构缺陷、固溶体非晶态固体纳米结构、显微结构1晶体结构2结构缺陷3表面与界面原子的迁移材料的千姿百态 状态的汇总图示材料状态的转变无机材料4合金相与相图5扩散6相变7物理性质8纳米材料l精品课精品课件件！l精品课精品课件件！参考书：参考书：*材料物理材料物理 主主 编：王国梅编：王国梅 *走进材料科学走进材料科学 Robert W.Cahn Robert W.Cahn 著著*材料物理导论材料物理导论 主主 编：杨尚林编：杨尚林*无机材料物理性能无机材料物理性能主主 编：吴振铎编：吴振铎 *材料物理与化学材料物理与化学 主主 编：编：张志杰张志杰*半导体物理基础半导体物理基础 主主 编：编：黄昆、韩汝琦黄昆、韩汝琦*金属物理学金属物理学 主主 编：冯瑞编：冯瑞