材料科学与工程教程第九章固体材料的电子结构(一)资料.ppt

?许多氧化物和硫化物都有非化学比半导体化合物的特性，例如有过多的Zn原子加进ZnO，Zn以Zn 2＋态进入ZnO中，放出两个电子，从而提供了载流子，其只需要很小的Ed就可进入导带。 二元化合物半导体 多元化合物半导体 三、材料的磁性 1.原子的磁矩 电子绕核运动的轨道磁矩 电子自旋产生 的磁矩 原子磁矩 当一个电子沿圆形轨道以角 速度ω运动时，每秒钟通过某特定点的次数为ω/ 2? ，电子运动形成一电流回路，相当于电流 I＝eω/ 2 ? ， 与此同时，产生一磁场，其大小与电流大小成正比。磁场的形状与小永久磁铁的形状很相似，电子的轨道磁矩 ?e 的方向与回路的平面垂直并指向下方 ?e 的大小为： ?e＝IA （A电子回路的面积）故有： 如以向量表示，有： 上式表明电子轨道磁矩 ?e 与角动量 L 成正比，但方向相反 在量子力学中电子绕核转动的轨道是量子化的，其角动量要用轨道量子数 l 来描述，角动量的大小为： l ( l +1) ? 2 ? h Le= l = 0，1，2，… n -1 故有： l ( l +1) ? 4 ? me h e ?e＝ l ( l +1) ? ＝ ?B 4 ? me h e ＝ ?B ?B称为玻尔磁子，是计量磁矩的最小单位，因为 若把普郎克常数h、电荷e、质量me代入，可知 ?B ＝9.27?10－24 J/ T I＝eω/ 2 ? 除了轨道磁矩外，还有电子的自旋磁矩 ?s ?s＝－ —— e me Ls 式中，Ls 为自旋角动量，和轨道角动量 Le 相似 ms( ms +1) ? 2 ? h Ls= （ms 是自旋量子数，其只有一个值， ms＝1/ 2，被认为是电子的固有性质，不随外界条件而变） 自旋磁矩与自旋角动量的方向也是相反的，而?s和Ls的比值是e/ms，与轨道磁矩 ?e和角动量 L 的比值相差一因子2 当原子的某一电子层被电子填满时，该层的电子轨道磁矩相互抵消，电子的自旋磁矩也相互抵消，即该层的电子磁矩对原子磁矩没有贡献 若原子所有电子层都被电子填满（如惰性元素），静磁矩为零，即该元素原子不存在固有磁矩 只有那些电子壳层未被填满的元素，才能显示固有磁矩，大多数元素属于此类。 ?内部电子层全被填满，只有外层价电子，价电子虽有静磁矩，但对多原子聚集体来说，各原子的静磁矩是相互抵消的，即并不显示出固有磁矩 ?内电子层未填满的，如过渡元素、稀土元素，这类元素有固有磁矩，其大小以玻尔磁子为单位度量 2、抗磁体、顺磁体和铁磁体 磁感应强度：B=μH（ μ 为材料的的磁导率） 材料放于磁场中，材料内部原子的固有磁矩和磁场的交互作用，产生 磁场处于真空中有： B=μ0H 根据材料内部磁矩与外磁场的关系， 削弱外磁场，则μ μ0 为抗磁体；如：Cu, Ag, Au 内部磁矩稍稍增强外磁场，则μμ0 ,顺磁体, 氧及一些高温下的溶液 内部磁矩大大增强外磁场，则μ?μ0，铁磁体，如Fe、Co、Ni或铁氧体 由于材料的磁偶极子和磁场的交互作用，可出现四种情况： 磁化强度、磁化率的问题 为了表征材料的固有磁性能，令 B＝? H＝ ?0H＋ ?0M，M＝ xH， M称为材料的磁化强度，x 称为磁化率 表示材料的磁性时，常用B-H曲线或M-H曲线。 B单位：高斯或特斯拉，1T=104Gs； H单位：奥斯特或安/米， 1A·m-1=4π?10-3Oe μ的单位：亨/米（H·m-1） 其磁化率 x 为负值，如惰性元素、一价的碱金属和二价的碱土金属粒子等的电子壳层全部填满，各电子轨道磁矩与自旋磁矩都恰好互相抵消，对外不显示静磁矩；当其受到外磁场作用时，电子在轨道上将产生附加的感应电流，以使整个原子获得与外磁场相反的磁矩——抗磁性的来源 对于抗磁体， 其磁化率 x 为正值，其原子结构上的特点就是有未填满电子的电子壳层，因而每个原子的电子磁矩总矢量和不为零，具有净磁矩或永久磁矩；物体不受外磁场作用时，由于热运动，各原子的永久磁矩的取向是混乱的，宏观磁矩为零，故不显磁性， 对于顺磁体， 当有外磁场作用时，各原子的磁矩趋于磁场方向排列的几率就要大些，磁矩在磁场方向分量的平均值就不为零，顺着磁场方向就有宏观磁矩产生 顺磁体 3d电子层的电子按洪特规则排布，由于3d层未填满电子，都显示出永久的自旋磁矩，其大小可用玻尔磁子数来度量Mn和Cr有较大的玻尔磁子数 5?B ，但其只是较强的顺磁物质；Fe、Co、Ni虽有较小的玻尔磁子数（分别是 4?B 、3?B 、2?B），却有强的铁磁性——说明铁磁物质除应满足内电子层未填满这一必要条件外，还应具备其他条件—— 对于过渡元素 在大量原子集合体中，当邻近原子相互靠近到一定距离时