功能介質(zhì)理論基礎(chǔ)

內(nèi)容概要

本書主要介紹功能介質(zhì)材料的微觀理論基礎(chǔ)及其晶格動(dòng)力學(xué)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法，內(nèi)容從相關(guān)的基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)出發(fā)，由淺入深，也涉及絕緣介質(zhì)、半導(dǎo)體、磁性介質(zhì)、鐵電體等功能介質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)特征與設(shè)計(jì)，以及其在廣域波段的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)和磁學(xué)等性能和前沿進(jìn)展，全書共分6章。
本書可作為綜合大學(xué)及相關(guān)高等院校本科生和研究生教材，也可供有關(guān)專業(yè)的科研工作者、教師和學(xué)生用作參考書，同時(shí)可供從事新材料及相關(guān)功能介質(zhì)領(lǐng)域的高級(jí)工程技術(shù)人員閱讀。

書籍目錄

前言第1章 功能介質(zhì)的微觀理論基礎(chǔ)1.1 電磁場(chǎng)中的電荷與極化1.1.1 電荷和電荷組及其電磁作用1.1.2 極化的微觀機(jī)制1.2 介電常數(shù)與有效場(chǎng)1.2.1 介電常數(shù)的兩個(gè)定義1.2.2 微觀與宏觀的聯(lián)系——有效場(chǎng)1.2.3 復(fù)介電常數(shù)與介質(zhì)損耗1.3 瞬態(tài)電場(chǎng)與弛豫現(xiàn)象1.3.1 德拜弛豫方程1.3.2 德拜理論的修正1.3.3 共振1.4 離子電導(dǎo)與電荷注入1.4.1 直流電場(chǎng)下介質(zhì)的導(dǎo)電特性1.4.2 離子電導(dǎo)與缺陷化學(xué)1.4.3 電荷注入現(xiàn)象1.5 介質(zhì)破壞與擊穿參考文獻(xiàn)第2章 功能介質(zhì)的熱力學(xué)原理2.1 統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法2.1.1 基本假設(shè)2.1.2 麥克斯韋-玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)2.1.3 量子統(tǒng)計(jì)2.2 特性函數(shù)2.3 相變2.4 朗道的唯象相變理論2.4.1 對(duì)稱破缺和序參量2.4.2 二級(jí)相變2.4.3 存在外場(chǎng)時(shí)的朗道理論參考文獻(xiàn)第3章 功能介質(zhì)的晶格動(dòng)力學(xué)3.1 束縛系統(tǒng)的晶格振動(dòng)3.1.1 束縛原子體系的振動(dòng)3.1.2 簡(jiǎn)諧振動(dòng)模3.1.3 小振動(dòng)能量的量子化3.1.4 二次量子化3.2 晶體中的聲子3.2.1 晶體的理想化近似3.2.2 布里淵區(qū)3.2.3 聲學(xué)支和光學(xué)支振動(dòng)3.2.4 三維理想晶體3.3 軟模3.3.1 鐵電軟模3.3.2 非諧作用下的軟模3.4 贗自旋3.4.1 伊辛模型3.4.2 有相互作用的贗自旋系統(tǒng)參考文獻(xiàn)第4章 功能介質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)與微介觀設(shè)計(jì)4.1 晶體構(gòu)造的周期性和對(duì)稱性4.1.1 空間點(diǎn)陣?yán)碚?.1.2 晶體的宏觀對(duì)稱性4.1.3 晶體的微觀對(duì)稱性4.2 晶體的物理性質(zhì)與晶體的對(duì)稱性4.2.1 空間坐標(biāo)變換和晶體的對(duì)稱操作4.2.2 張量的定義4.2.3 一階張量表示的晶體物理性質(zhì)4.2.4 二階張量表示的晶體物理性質(zhì)4.2.5 三階張量表示的晶體物理性質(zhì)4.2.6 四階張量表示的晶體物理性質(zhì)4.3 典型晶體構(gòu)造與構(gòu)造原理4.3.1 AX結(jié)構(gòu)4.3.2 AX2結(jié)構(gòu)4.3.3 AmXz結(jié)構(gòu)4.3.4 ABX3結(jié)構(gòu)4.3.5 AB2X4結(jié)構(gòu)4.4 類質(zhì)同象和同質(zhì)多象4.4.1 類質(zhì)同象概念4.4.2 影響類質(zhì)同象的因素4.4.3 同質(zhì)多象的概念4.4.4 同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變4.5 微介觀設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)第5章 功能介質(zhì)的性質(zhì)及其耦合效應(yīng)5.1 力學(xué)性能5.1.1 彈性模量5.1.2 機(jī)械強(qiáng)度5.1.3 斷裂韌性5.2 電學(xué)性質(zhì)5.2.1 電介質(zhì)的極化5.2.2 電介質(zhì)的介電常數(shù)5.2.3 電介質(zhì)的耐電強(qiáng)度5.2.4 電介質(zhì)的介電損耗5.2.5 電介質(zhì)的電導(dǎo)5.3 熱學(xué)性能5.3.1 比熱容5.3.2 膨脹系數(shù)5.3.3 熱導(dǎo)率5.3.4 熱穩(wěn)定性5.4 光學(xué)性能5.4.1 光的反射和折射5.4.2 材料對(duì)光的吸收和色散5.5 磁學(xué)性質(zhì)5.5.1 原子的磁性5.5.2 物質(zhì)的抗磁性5.5.3 物質(zhì)的順磁性5.6 耦合性質(zhì)(鐵電、熱電、壓電、光電)5.6.1 鐵電性5.6.2 熱電性5.6.3 熱釋電性5.6.4 壓電性5.6.5 光電性參考文獻(xiàn)第6章 功能介質(zhì)的若干前沿問題6.1 納米材料6.1.1 概述6.1.2 基本概念6.1.3 納米材料特性上的奇異性6.1.4 納米材料的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)6.2 生物材料6.2.1 概述6.2.2 天然生物材料特性6.2.3 醫(yī)用生物材料6.2.4 生物材料的發(fā)展現(xiàn)狀6.3 環(huán)境材料6.3.1 概述6.3.2 材料的環(huán)境影響評(píng)價(jià)6.3.3 國(guó)內(nèi)外環(huán)境材料應(yīng)用性研究進(jìn)展6.4 智能材料6.4.1 概述6.4.2 金屬系智能材料6.4.3 無機(jī)非金屬系智能材料6.4.4 智能材料的設(shè)計(jì)思路6.5 超材料6.5.1 超材料概述6.5.2 超材料的分類參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：插圖：第1章 功能介質(zhì)的微觀理論基礎(chǔ)討論物性時(shí)，可以把物質(zhì)看作電子、原子、離子、分子的集合體。從基本相互作用看，原子或分子之間各式各樣的作用力可還原為電磁相互作用。這樣，對(duì)在科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域有重要應(yīng)用的功能介質(zhì)的研究便可歸結(jié)為介質(zhì)在內(nèi)外條件下的各種電磁作用，于是統(tǒng)一的電磁理論大顯身手。在此作用下，電荷載體（電子、離子、空穴等）在介質(zhì)中移動(dòng)形成電導(dǎo)，介質(zhì)兩端分別出現(xiàn)正、負(fù)表面電荷，體內(nèi)電場(chǎng)為零；另一種情況是電荷載體僅能在原子尺度的范圍內(nèi)移動(dòng)（束縛電荷），介質(zhì)兩端出現(xiàn)極化表面電荷，體內(nèi)建立新電場(chǎng)，稱為電極化。電極化不僅在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生，某些功能介質(zhì)在外界應(yīng)力作用下，也能夠出現(xiàn)電極化現(xiàn)象。例如，鈦酸鋇晶體被壓縮后兩端出現(xiàn)相反的極化電荷（應(yīng)變極化），這就是壓電效應(yīng)。沒有外電場(chǎng)時(shí)，某些功能介質(zhì)分子因內(nèi)部正、負(fù)電荷的重心不重合而呈現(xiàn)電偶極矩（自發(fā)極化），這一現(xiàn)象最初是在樣品加熱時(shí)觀察到的。加熱出現(xiàn)極化的現(xiàn)象被稱為熱釋電效應(yīng)。更特殊的現(xiàn)象是一些材料的自發(fā)極化能在外電場(chǎng)作用下方向發(fā)生變化，因而在交變電場(chǎng)作用下出現(xiàn)類似磁滯回線的電滯回線，這種材料稱為鐵電材料。在外場(chǎng)的作用下，電荷載體在空間的移動(dòng)形成各種類型的極化，整個(gè)介質(zhì)出現(xiàn)宏觀電場(chǎng)。但由于庫(kù)侖作用是長(zhǎng)程的，原子除受到外加電場(chǎng)E的作用外，還要受到介質(zhì)內(nèi)其他粒子的感應(yīng)電矩的電場(chǎng)作用，這就引出了局域場(chǎng)（有效場(chǎng)）的計(jì)算問題。局域場(chǎng)的計(jì)算溝通了微觀量和宏觀量之間的聯(lián)系。同樣由于關(guān)聯(lián)粒子的干擾，建立不同的極化過程所需的時(shí)間不同，當(dāng)極化落后于激勵(lì)信號(hào)的變化時(shí)，便出現(xiàn)弛豫現(xiàn)象。與關(guān)聯(lián)粒子的作用引起極化滯后通常伴隨著能量的耗散，產(chǎn)生介質(zhì)損耗。可見，極化弛豫和介質(zhì)損耗是從不同的角度（時(shí)間和能量）出發(fā)描述同一個(gè)問題。外界（如電極）在電場(chǎng)作用下注入電荷，以及電場(chǎng)對(duì)介質(zhì)原子和分子的作用產(chǎn)生載流子，從而形成微傳導(dǎo)電流，稱為電介質(zhì)的電導(dǎo)。當(dāng)介質(zhì)處在足夠高的電場(chǎng)中時(shí)，會(huì)突然地或者逐漸地被擊穿，形成一處或幾處導(dǎo)電點(diǎn)。通常所觀測(cè)到的擊穿電場(chǎng)的范圍在105?5￡106V/cm，宏觀地來看這屬于高電場(chǎng)，但從原子尺度計(jì)算（電子極化率）來看，這個(gè)場(chǎng)強(qiáng)是很低的，也就是說擊穿不是原子或分子的直接作用，而是不能被介質(zhì)補(bǔ)償?shù)哪芰考鄣慕Y(jié)果。至此可見，由束縛電荷的空間移動(dòng)形成極化，極化的時(shí)間性產(chǎn)生的弛豫構(gòu)成了理論研究的主要問題。介質(zhì)的電導(dǎo)與電極化的同時(shí)存在為研究帶來了難度，介質(zhì)擊穿的物理討論到目前為止也只是初步的。因此，本章首先從介質(zhì)中的各種荷電粒子對(duì)電磁場(chǎng)作用的頻率響應(yīng)入手，給出電極化的微觀表述;接著介紹描述極化的宏觀參量||介電常數(shù)，通過有效電場(chǎng)的問題聯(lián)系宏觀與微觀;微觀極化的滯后效應(yīng)引起介質(zhì)能量損耗，在宏觀上定義為復(fù)介電常數(shù)，在時(shí)間上表現(xiàn)為極化弛豫，重點(diǎn)介紹了德拜的弛豫理論，簡(jiǎn)單給出共振吸收的描述;隨后介紹介質(zhì)電導(dǎo)中離子電導(dǎo)和電荷注入現(xiàn)象，特別提到研究更復(fù)雜的電導(dǎo)機(jī)理的缺陷化學(xué)方法;最后照例對(duì)介質(zhì)破壞與擊穿作了論述。遺憾的是，受篇幅所限，本章并不涉及非均勻介質(zhì)的內(nèi)容，即便是雙層介質(zhì)模型這樣最基本的非均質(zhì)模型也不討論。另外更特殊一些的極化，如應(yīng)變極化和自發(fā)極化也不在本書討論之列。1.1 電磁場(chǎng)中的電荷與極化1.1.1 電荷和電荷組及其電磁作用在任何介質(zhì)中，存在各種類型的電荷和電荷的組合，它們是按照原子核和電子的經(jīng)典模型定義的各種點(diǎn)電荷，或是根據(jù)量子力學(xué)定義的各種分布電荷。現(xiàn)在考慮各種電荷和電荷組及其相互作用。1.內(nèi)層電子內(nèi)層電子緊緊地被核束縛著，受外電場(chǎng)的影響很小。但是，它們能伴隨高能量（?104eV）的、短波長(zhǎng)（?10?10m）的、對(duì)應(yīng)于X射線范圍的電磁場(chǎng)而共振。2.外層電子外層電子即價(jià)電子，原子或分子的極化率主要由它們貢獻(xiàn)。并且，對(duì)伸長(zhǎng)形狀的分子而言，也是由它們引起分子對(duì)外電場(chǎng)的取向。3.自由電子自由電子貢獻(xiàn)與電場(chǎng)同相位的電導(dǎo)。當(dāng)施加電場(chǎng)E時(shí)，它們以速度v=?E移動(dòng)。其中，遷移率?是指一種給定材料在一定溫度下的特性，它計(jì)入了所有的非彈性碰撞，這些碰撞給電場(chǎng)中的電子一個(gè)平均速度。4.束縛離子和偶極子束縛離子或兩種帶異性電荷而互相束縛的離子，形成分子偶極子（如H+Cl?）或形成缺陷偶極子（如晶體中的空位與替代離子組合）。在電場(chǎng)中，這些永久偶極子受到取向轉(zhuǎn)矩的作用。5.自由離子如在非化學(xué)計(jì)量的離子晶體中的自由離子，在外電場(chǎng)作用下也能移動(dòng)，但是通常遷移率較低。6.離子偶極子如OH?，同時(shí)具有離子和偶極子的特征。當(dāng)施加頻率為!的電磁場(chǎng)時(shí)，這個(gè)電磁場(chǎng)使上述的一種或幾種形式的電荷發(fā)生振蕩。每一種電荷類型都有它本身的臨界頻率，臨界頻率依賴于相關(guān)的質(zhì)量、彈性恢復(fù)力和摩擦力。在臨界頻率以上，它們與電磁場(chǎng)的相互作用變得極小。頻率越低，則會(huì)有越多類型的電荷處于受激狀態(tài)。圖1.1給出一種極性材料典型的復(fù)介電常數(shù)譜的實(shí)部和虛部（”0和”00）。我們可以看到，由于內(nèi)層電子具有1019Hz數(shù)量級(jí)（X射線范圍）的臨界頻率，因此頻率高于1019Hz的電磁場(chǎng)不可能在原子內(nèi)激起任何振動(dòng)，所以對(duì)材料沒有極化效應(yīng)。在此頻率下，材料的介電常數(shù)和真空介電常數(shù)”0相同（圖1.1中點(diǎn)1）。如果頻率低于內(nèi)層電子的共振頻率，則這些電子可以受到電磁場(chǎng)電分量的作用，隨電磁場(chǎng)而振動(dòng)，使材料極化，相對(duì)介電常數(shù)增加到大于1的值（圖1.1中點(diǎn)2）。若電磁場(chǎng)的頻率低于價(jià)電子的共振頻率（3￡1014?3￡1015Hz，即從紫外到近紅外的光譜范圍），則價(jià)電子參與介質(zhì)的極化，提高介電常數(shù)的值（圖1.1中點(diǎn)3）。若電磁場(chǎng)的頻率在1012?3￡1013Hz范圍內(nèi)，將會(huì)發(fā)生原子振動(dòng)的“共振”過程（圖1.1中點(diǎn)4）。在上述所有的過程中，受電場(chǎng)影響的電荷可認(rèn)為是受彈性力的作用，即電荷的位移與彈性力成正比。需要指出的是上述電荷共振的經(jīng)典力學(xué)的機(jī)械模擬僅是一種近似，精確的處理需要運(yùn)用量子力學(xué)的方法。但是這些體系的量子數(shù)很大，使得這個(gè)經(jīng)典共振模型（考慮了摩擦項(xiàng)）可以給這些相互作用以滿意的描述。進(jìn)一步，當(dāng)外加電磁場(chǎng)的頻率低于原子振動(dòng)頻率，由于不可逆熱力學(xué)過程，電荷與電磁場(chǎng)的相互作用不再是彈性的，而具有黏滯性的特點(diǎn)。但外場(chǎng)施加或撤除時(shí)，偶極子取向的遲緩集合，或在電極附近離子、空間電荷的遲緩聚積，都是所謂的“弛豫”過程。弛豫過程取決于電荷之間的相互作用。1.1.2 極化的微觀機(jī)制任何粒子（電子、原子、離子、分子）在電場(chǎng)E中都能產(chǎn)生一個(gè)感生偶極矩1，根據(jù)靜電學(xué)定義：1=?E（1.1）式中，?為粒子的（微觀）極化率。對(duì)球?qū)ΨQ的原子而言，感生偶極矩必定平行于外電場(chǎng)方向，且極化率?為一個(gè)標(biāo)量。一般的離子和分子不具備球?qū)ΨQ，這種情況下感生偶極矩不平行于E，極化率?是一個(gè)關(guān)于分子主軸的二階張量。如圖1.2所示，當(dāng)平行板電容器加電場(chǎng)時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部將引起電極化。介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的極化程度用極化強(qiáng)度矢量P來表示，P是電介質(zhì)單位體積內(nèi)的感生偶極矩：P=lim￠V!0P1￠V（1.2）式中，￠V為體積元。電極化有三種基本的方式：電子云位移極化Pe，離子位移極化Pi和偶極子取向極化P0。因此總的微觀極化率為各種貢獻(xiàn)的和：?=?e+?i+?0（1.3）在高聚物和凝聚態(tài)物質(zhì)中，還有更復(fù)雜的極化機(jī)制，比如空間電荷極化。以下介紹這四種微觀電極化機(jī)制。1.電子云位移極化Pe原子是由原子核和繞核的電子云構(gòu)成。當(dāng)原子處在電場(chǎng)中時(shí)，輕的電子云會(huì)發(fā)生變形或移動(dòng)，而重的原子核幾乎不改變位置（圖1.3）。結(jié)果造成正、負(fù)電荷重心偏離，即所謂的電子云畸變引起電極化。對(duì)應(yīng)于電子繞核運(yùn)動(dòng)的周期，Pe在大約10?14s內(nèi)發(fā)生。目前對(duì)于實(shí)際介質(zhì)，單個(gè)原子的電子極化率?e的精確量子力學(xué)計(jì)算沒有意義。這里僅討論定性的簡(jiǎn)化模型：具有一個(gè)點(diǎn)狀核的球狀原子。一個(gè)中性原子可以看成是由一個(gè)電荷為Q的正點(diǎn)電荷和周圍具有均勻電荷密度、半徑為R的球狀電子云組成。當(dāng)施加外電場(chǎng)時(shí)，電子云中心受電場(chǎng)作用（F=QE）偏離球心。當(dāng)與正電荷對(duì)它的庫(kù)侖引力平衡時(shí)，相對(duì)于原子核移動(dòng)距離d。根據(jù)高斯定律，電子云與原子核之間的庫(kù)侖引力相當(dāng)于以O(shè)0為中心，d為半徑的小球內(nèi)負(fù)電荷與O點(diǎn)正電荷之間的引力，則有QE=Q4 ”0d2￠Qμdr?3（1.4）因此，1=?E=Qd=4 ”0r3E（1.5）以及?e=4 ”0r3（1.6）原子半徑的數(shù)量級(jí)為10?10m，因此，?e的數(shù)量級(jí)為10?40F￠m2。由簡(jiǎn)化模型可以得到兩點(diǎn)定性的結(jié)果：第一，一般大小的宏觀電場(chǎng)所能引起的電子云畸變是很小的;第二，半徑越大的原子，電子云位移極化率一般越大，即是說遠(yuǎn)離核的外層電子（價(jià)電子）受核的束縛較弱，容易受外電場(chǎng)作用而對(duì)極化率作出較大貢獻(xiàn)。此外，還有兩個(gè)經(jīng)典的電子極化計(jì)算模型：圓周軌道模型和物質(zhì)球模型。對(duì)于其具體的內(nèi)容以及各種模型的實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果，感興趣的讀者可以參考科埃略的《電介質(zhì)物理學(xué)》一書。孟中巖和姚熹的《電介質(zhì)理論基礎(chǔ)》則較為詳細(xì)地總結(jié)了式（1.6）的一般結(jié)論。2.離子位移極化Pi離子晶體是由正、負(fù)離子規(guī)則排列而構(gòu)成。當(dāng)離子晶體或其集合體處在電場(chǎng)中時(shí)，正、負(fù)離子分別向相反的方向偏移，宏觀偶極矩不再為0，從而引起極化。對(duì)應(yīng)于離子固有的振動(dòng)周期，Pi在10?13?10?12s內(nèi)發(fā)生。下面介紹簡(jiǎn)化計(jì)算離子極化率的諧振子模型?？紤]一個(gè)如圖1.4所示的孤立正、負(fù)離子對(duì)，當(dāng)施加一個(gè)平行于離子對(duì)的電場(chǎng)E時(shí)，距離d會(huì)增加到d+x，由胡克定律得qE=kx（1.7）式中，系數(shù)k是彈簧常數(shù)。相應(yīng)地，正、負(fù)離子對(duì)形成的偶極矩也增加一個(gè)量：￠1=qx=q2Ek（1.8）從（1.1）式得?i=q2k（1.9）若正、負(fù)離子的質(zhì)量分別為m1、m2（可以由原子量除以阿伏伽德羅常量獲得），則約化質(zhì)量m=（m1+m2）=m1m2，諧振子的動(dòng)力學(xué)方程為d2xdt2+kmx=0（1.10）根據(jù)這個(gè)方程，諧振的本征頻率為f=2 !=2 rkm（1.11）由此得到彈簧常數(shù)k=m!2，所以離子極化率為?i=q2m!2（1.12）采用典型的原子質(zhì)量和紅外吸收頻率時(shí)，得到離子極化率與電子極化率有相近的數(shù)量級(jí)：10?40F￠m2。3.偶極子取向極化P0具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的分子或多或少具有電偶極子。通常由于熱運(yùn)動(dòng)，無論在時(shí)間和空間上偶極子都是任意取向的。當(dāng)它處在電場(chǎng)中時(shí)，偶極子將沿電場(chǎng)方向統(tǒng)計(jì)地一致取向，產(chǎn)生電極化。P0是非常慢的一種，需要10?6?10?2s才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

編輯推薦

　　《功能介質(zhì)理論基礎(chǔ)》前三章重點(diǎn)是功能介質(zhì)物理的基本內(nèi)容，包括極化理論、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、晶格動(dòng)力學(xué)，對(duì)沒有學(xué)習(xí)過固體物理的學(xué)生，通過這三章的學(xué)習(xí)，可具備一定的固體物理學(xué)基礎(chǔ)；第4章引入功能介質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)與微介觀設(shè)計(jì)，希望將材料科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)與功能介質(zhì)材料設(shè)計(jì)相結(jié)合；第5章介紹功能介質(zhì)的性質(zhì)，特別是功能介質(zhì)材料在廣域波段的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)和磁學(xué)等性能與耦合效應(yīng)，可適當(dāng)?shù)胤从吵龉δ芙橘|(zhì)材料的應(yīng)用范圍和重要性；第6章簡(jiǎn)要說明幾類典型功能介質(zhì)材料的前沿進(jìn)展情況，以期點(diǎn)出功能介質(zhì)材料研究的發(fā)展方向。

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