材料物理 (HIT) 笔记-2

原内容请参考哈尔滨工业大学何飞教授:https://www.bilibili.com/video/BV18b4y1Y7wd/?p=12&spm_id_from=pageDriver&vd_source=61654d4a6e8d7941436149dd99026962
或《材料物理性能及其在材料研究中的应用》(哈尔滨工业大学出版社)

三维k空间的准自由电子近似电子能级密度

image.png
如果出现能带交叠,能级密度曲线是各区域能级密度曲线的叠加:
image.png

紧束缚近似

适用对象

对于绝缘体及过渡金属,原子间距较大或电子处于原子内层,晶体周期势场变化剧烈,采用紧束缚近似。
紧束缚近似认为,电子运动到某个离子实附近,受到该离子的实势场的强烈束缚,其他离子实对这个电子的作用很小,可以看作是微扰。由此一来,在离子实附近,晶体内电子的行为与孤立原子中的电子相似。

紧束缚近似后的薛定谔方程

image.png

紧束缚近88似后的能级分布

image.png

  • 紧束缚近似后,发生了原子能级的分裂
  • 当原子相互靠近形成晶体后,每个原子中的电子除受本身原子的势场作用以外,又受到另一原子的势场作用,发生波函数的交叠。
  • 波函数交叠越多,能级分裂越显著,形成的能带越宽。能带间的宽度主要取决于交叠积分 J ( R s ) J(R_s) J(Rs)的大小。

能级分裂的应用(以Li原子为例)

Li的原子轨道

1s2,2s1,2p0

1s能级(满带)

image.png
n个Li的孤立原子具有n个1s轨道,每个1s轨道上存在两个电子,构成Li晶体后发生能级分裂,形成能量高低不同的n个能级,称之为1s能级。每个能级上都存在2个电子,即2n个1s轨道上的电子正好全部填充n个1s能级。这种由以充满电子的原子轨道所形成的低能量能带称之为满带。

2s能级(导带)

2s轨道同样构成n个2s能级,每个2s轨道上只存在1个电子,但按照电子填充能级的规则,即从低能级开始,每个能级上可以填充2个电子,因此能级分裂后的n个2s能级上只有一半的能级可以被电子填满,即能带上的电子是半充满的。将这种由未充满电子的能带组成的原子轨道所形成的能带称为导带。

2p能级(空带)

对于只有三个核外电子的Li原子而言,此时的电子已经全部填满能级,对更高的能级而言,例如2p轨道。由分子轨道理论可知,2p轨道实际是由3n个2p能级所构成的,只是该能级上没有电子存在。这种未填充电子的能带称为空带。
image.png

禁带

晶体中的电子不能具有由不同轨道构成的能带之间的能级,这种相邻两个能带之间的能级称为禁带。
从满带顶到导带底(或空带底)的能量间隔,电子跃迁困难。

叠带

image.png
从n个Li原子的能带结构图可以看出,2s能级和2p能级之间实际存在着能带的交叠,这部分称为叠带。

总结

image.png

原子构成晶体时原子能级的分裂

image.png
在构成晶体的过程中,随着原子间距r的接近,由于外层电子(或价电子)的波函数先发生交叠,因此能级的交叠首先从最外层电子开始。内层电子的能级只有在原子非常接近时才开始分裂。

平均距离r0的物理意义

平均距离r0为原子间的平衡位置,表示晶体中原子以r0的距离是稳定存在的。
能级分裂后能带之间存在着禁带 E g E_g Eg

紧束缚近似和近自由电子近似对比(能带理论)

采用紧束缚近似可以得出和近自由电子近似一致的结果,两种方法是相互补充的。对于碱金属和铜银金,由于其价电子更接近自由电子的情况,用近自由电子近似的方法处理较为合适。当元素的电子比较紧密地束缚于其所属的原子时紧束缚近似方法更为合适紧束缚近似对原子内层电子是相当好的近似还可以用来近似地描述过渡金属的d带类金刚石晶体以及惰性元素晶体等价带,是定量计算绝缘体化合物以及半导体特性的有效工具
image.png

满带电子不导电

满带中的电子在第一布里渊区内呈对称分布:
image.png
根据德布罗意关系,满带内的电子呈均匀且对称的匀速分布:
v ( k ) = h k 2 π m v ( − k ) = − h k 2 π m v(k)=\frac{hk}{2\pi m}\ \\ {} \\ v(-k)=-\frac{hk}{2\pi m} v(k)=2πmhk v(k)=2πmhk
因此没有电流存在。在满带内由于电子占据着全部能级,如果外加电场不足以破坏电子结构,也就是说,对于整个满带来说,因为所有的量子态都被填充,故在外电场作用下,总电流为零。

导带电子导电

外加电场为零时,导带中的电子的k态是对称的,总电流为零。
当外加电场不等于零时,在电场的作用下,电子开始向更高的没有被填充的能级运动(电子迁移),并最终达到稳定的不对称分布。此时除了部分电子相互抵消以外,未抵消的电子实际已经实现了定向迁移,即实现了导电。因此这种部分填充的能带(或未填满能级上的电子)在外加电场下可导电。

由于原子内部电子对固体的性质影响很小,因此通常不关注由原子内部电子构成的能带,仅关注外层具有高能量的电子,如价电子的能带结构。

金属的能带结构

一价金属

image.png
在不引入外加电场的情况下,电子所占据的最高能级便是费米能级 E F E_F EF。价带处于半充满状态,由于价带之上存在很多空能级,且能级之间的间距很小,因此很容易获得能量跃迁至更高的能级。当这一能量由电场给予,那么价带中大量的电子便可向高能级跃迁。也就是发生了电子径向移动,即导电。

二价金属可导电的解释

image.png
对于三维情况,二价金属中存在能带的交叠,其中第n个能带尚未填满,第n+1个能带已经部分填充,因此这两个能带都是未充满的带,从而具有导电性。

三价金属导电性

每个原子含有3个价电子,因此可填满一个能带和一个半满的能带,故也具备导电性。

绝缘体的能带

image.png
能隙 E g E_g Eg一般大于5 eV。在电场中,这样的高能隙使得绝缘体满带顶的电子很难获得高于5 eV的能量,从而不能跃迁至空能带,因此绝缘体内不会出现电子的移动(不导电)。

半导体的能带

image.png
在T=0 K时,半导体的价带全部填满,更高的能带则是空带。价带与空带间则是禁带,但半导体的能隙 E g E_g Eg较小,温度升高后,价带顶的电子吸收热能以后,可以越过禁带进入空带底,这样一来,两个能带均变成不满带(满带不满,空带不空),使得半导体具有了一定的导电能力。随着温度的升高,进入到空带底的电子会增多,因此半导体的导电性会随着温度的升高而增强。

材料的导电性能

材料的导电性

材料的导电性是指在电场作用下,材料中的带电粒子发生定向移动,从而形成宏观电流的现象,属于材料的电荷输运特性。
物体导电能力的大小,与物质内参与导电的微观粒子有关。

电阻率

  • 欧姆定律: I = U R I=\frac{U}{R} I=RU
  • 电阻率: ρ = R S L \rho=R\frac{S}{L} ρ=RLS
  • 电阻率的物理意义:单位截面积、单位长度的电阻值,只与材料的特性有关,与导体的几何尺寸无关。
  • 电阻率单位: Ω ⋅ m \Omega\cdot m Ωm

电导率

  • 电场强度: E = U L E=\frac{U}{L} E=LU
  • 电流密度: J = I S J=\frac{I}{S} J=SI
  • 欧姆定律的微分形式: E = U L J = I S } ⇒ J = 1 ρ E = σ E \left. \begin{aligned} &E=\frac{U}{L}\\ &J=\frac{I}{S} \end{aligned} \right\}\Rightarrow J=\frac{1}{\rho}E=\sigma E E=LUJ=SI J=ρ1E=σE
  • 电导率: σ = 1 ρ = J E \sigma=\frac{1}{\rho}=\frac{J}{E} σ=ρ1=EJ
  • 电导率单位: S / m S/m S/m

相对电导率IACS

工程用相对电导率表征导体材料的导电性,即标准软纯铜20℃的电导率作为100%,其他导体材料的电导率与该软铜电导率之比的百分数作为该导体材料的相对电导率:
IACS = σ σ Cu × 100 % \text{IACS}=\frac{\sigma}{\sigma_{\text{Cu}}}\times {100\%} IACS=σCuσ×100%

材料电导率排序

  1. 导体材料: σ > 1 0 4 S / m \sigma>10^4\;S/m σ>104S/m
  2. 半导体材料: 1 0 − 3 S / m < σ < 1 0 4 S / m 10^{-3}\;S/m<\sigma<10^4\;S/m 103S/m<σ<104S/m
  3. 绝缘材料: σ < 1 0 − 3 S / m \sigma<10^{-3}\;S/m σ<103S/m
  4. 超导材料: σ → ∞ \sigma\rightarrow \infty σ

导电的物理特性

载流子——输运电荷的微观粒子载体

  • 固体内的载流子:电子、空穴、正离子、负离子
  • 导电的机制:载流子的定向迁移
载流子导电分类
  • 电子类载流子导电→电子、空穴
  • 离子类载流子导电→离子类载流子

迁移数(输运数)与离子导体

迁移数表征材料导电载流子种类对导电的贡献:
t x = σ x σ T t_x=\frac{\sigma_x}{\sigma_T} tx=σTσx
其中,
σ T \sigma_T σT固体的总电导率; σ x \sigma_x σx为某载流子提供的电导率;
t i + 、 t i − 、 t e 、 t h t^+_i、t^-_i、t_e、t_h ti+titeth:正离子、负离子、电子和空穴的迁移数

  • 离子导体: t i > 0.99 t_i>0.99 ti>0.99
  • 混合导体: t i < 0.99 t_i<0.99 ti<0.99

迁移率和电导率的一般表达式

image.png
在电场E的作用下,A面的载流子经过t时间后全部到达B面,t时间内AB平面间所有载流子的电量为Q,则:
Q = n q L S I = Q t } ⇒ J = I S = Q S t = n q S L S t = n q L t = n q v ‾ \left. \begin{aligned} &Q=nqLS\\ &I=\frac{Q}{t} \end{aligned} \right\} \Rightarrow J=\frac{I}{S}=\frac{Q}{St}=\frac{nqSL}{St}=nq\frac{L}{t}=nq\overline{v} Q=nqLSI=tQ J=SI=StQ=StnqSL=nqtL=nqv

  • 平均速度 v ‾ \overline{v} v:载流子单位时间内经过的距离
  • 电流密度的物理意义:单位时间内通过单位截面积的电荷量

载流子的迁移率

J = σ E J = n q v ‾ } ⇒ σ = n q v ‾ E = n q μ \left. \begin{aligned} J=\sigma E\\ J=nq\overline{v} \end{aligned} \right\} \Rightarrow \sigma=nq\frac{\overline{v}}{E}=nq\mu J=σEJ=nqv}σ=nqEv=nqμ
其中, μ = v ‾ E \mu=\frac{\overline{v}}{E} μ=Ev称为载流子的迁移率。

  • 迁移率的物理意义:载流子在单位电场中的迁移速度。

电导率的一般形式

σ = ∑ i σ i = ∑ i n i q i μ i \sigma=\sum_{i}{\sigma_i}=\sum_{i}{n_iq_i\mu_i} σ=iσi=iniqiμi
i i i:载流子的类型

  • 宏观角度: σ = J E \sigma=\frac{J}{E} σ=EJ
  • 微观角度: σ = n q μ \sigma=nq\mu σ=nqμ

电导率的表达式建立了载流子导电特性在宏观和微观两个角度的联系。

经典自由电子理论

  • 自由电子的运动规律遵循经典力学气体分子的运动规律
  • 自由电子定向运动与正离子发生碰撞,造成电子运动受阻,产生电阻

经典理论下电导率的关系推导

τ = l v ‾ 电流密度 J = n e v ‾ 电场力 e E 加速度 e E m e 电子两次碰撞的平均时间 τ } 电子在下一次碰撞前的最大速度 v m = e E m e ⋅ τ 电子两次碰撞间的平均速度 v ‾ = 1 2 v m } J = n e 2 E 2 m e ⋅ τ } \left. \begin{aligned} \tau=\frac{l}{\overline{v}}\\ {\left. \begin{aligned} 电流密度\;J=ne\overline{v}\\ {\left. \begin{aligned} 电场力\;eE\\ 加速度\;\frac{eE}{m_e}\\ 电子两次碰撞的平均时间\tau \end{aligned} \right\}电子在下一次碰撞前的最大速度\;v_m=\frac{eE}{m_e}\cdot \tau}\\ 电子两次碰撞间的平均速度\;\overline{v}=\frac{1}{2}v_m \end{aligned} \right\} J=\frac{ne^2E}{2m_e}\cdot \tau} \end{aligned} \right\} τ=vl电流密度J=nev电场力eE加速度meeE电子两次碰撞的平均时间τ 电子在下一次碰撞前的最大速度vm=meeEτ电子两次碰撞间的平均速度v=21vm J=2mene2Eτ
σ = J E = n e 2 2 m e ⋅ l v ‾ ρ = 1 σ = 2 m e n e 2 ⋅ v ‾ l \sigma=\frac{J}{E}=\frac{ne^2}{2m_e}\cdot \frac{l}{\overline{v}}\\{} \\\rho=\frac{1}{\sigma}=\frac{2m_e}{ne^2}\cdot \frac{\overline{v}}{l} σ=EJ=2mene2vlρ=σ1=ne22melv
注: l l l为平均自由程。

经典自由电子理论结论

经典自由电子电导率表明单位体积中自由电子数越多,电子运动的平均自由程越大,金属的导电性越好

经典自由电子理论缺陷

image.png
存在问题的根本原因:该理论利用了经典力学的力量处理微观质点的运动,因而不能正确反映微观质点的运动规律。量子自由电子理论解决了经典理论无法克服的矛盾。

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mzph.cn/news/723123.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

进程间通信之信号灯 || 网络协议UDP/TCP || 三次握手四次挥手

在线程通信中由于数据段等内存空间的共用性&#xff0c;导致同时访问时资源竞争的问题&#xff0c;在线程中我们使用信号量的申请和释放&#xff0c;在防止资源竞争的产生。在进程间的通信中&#xff0c;有信号灯的概念。搭配共享内存实现进程同步。 有名信号量: 1.创建 …

HTML标签语义化,含面试题+答案

form表单细节 一、表单 1.表单 标签用于为用户输入创建 HTML 表单 2.表单能够包含 input 元素&#xff0c;比如文本字段、复选框、单选框、提交按钮等等。 3.表单还可以包含 menus、textarea、fieldset、legend 和 label 元素。 4.表单用于向服务器传输数据。 二、表单form 的…

NASA数据集——非洲合成孔径雷达:2016 年加蓬 LVIS 导出的网格森林生物量和树冠指标

非洲合成孔径雷达:2016 年加蓬 LVIS 导出的网格森林生物量和树冠指标 简介 本数据集包含网格化森林特征产品,这些产品来自2016年NASA-ESA非洲合成孔径雷达活动期间NASA机载土地、植被和冰雪传感器(LVIS)仪器获取的非洲加蓬五个森林地点的全波形激光雷达数据。2016 年 2 月…

代码随想录算法训练营第14天| 144. 二叉树的前序遍历

144. 二叉树的前序遍历 注意事项 1、这种可能发生空指针异常的地方一定要进行非空指针判断。 2、迭代法&#xff1a;在左右节点入栈之前&#xff0c;要分别判别非空再入栈&#xff0c;否则将出错。 class Solution { public:vector<int> preorderTraversal(TreeNode…

相机类型的分辨率长宽、靶面尺寸大小、像元大小汇总

镜头的靶面尺寸大于等于相机靶面尺寸。 相机的芯片长这样&#xff0c;绿色反光部分&#xff08;我的手忽略&#xff09;&#xff1a; 基本所有像素的相机的靶面大小都可以在这个表格里面找到。 镜头的靶面尺寸在镜头外表上可以找到&#xff0c;选型很重要&#xff01;

代码还原之 函数

指令堆里逆向出来的代码有歧义&#xff0c;有三处返回&#xff0c;有嵌套IF语句&#xff0c;故推断出是个函数&#xff1b; #if 0/*27ec: 48 8d 3d 58 39 00 00 lea 0x3958(%rip),%rdi # 614b <_IO_stdin_usedBase0x14b> // rdi"COLUMNS"27f3: e8 e…

30天自制操作系统(第27天)

27.1 应用程序运行时关闭命令行窗口 需要实现的功能&#xff1a; 在应用程序运行的时候&#xff0c;可以关闭所对应的命令行窗口。思路&#xff1a;1.先调整bootpack.c中按下"x"按钮时&#xff0c;暂时将窗口隐藏起来&#xff0c;并当fifo接收从console.c发送的关闭窗…

【鸿蒙 HarmonyOS 4.0】多设备响应式布局

一、背景 在渲染页面时&#xff0c;需要根据不同屏幕大小渲染出不同的效果&#xff0c;动态的判断设备屏幕大小&#xff0c;便需要采用多设备响应式布局。这种设计方法能够动态适配各种屏幕大小&#xff0c;确保网站在不同设备上都能呈现出最佳的效果。 二、媒体查询&#xf…

第九篇:– 过程发现(Process Discovery)是如何赋能数字化市场营销全过程?- 我为什么要翻译介绍美国人工智能科技巨头IAB公司

IAB平台&#xff0c;使命和功能 IAB成立于1996年&#xff0c;总部位于纽约市。 作为美国的人工智能科技巨头社会媒体和营销专业平台公司&#xff0c;互动广告局&#xff08;IAB- the Interactive Advertising Bureau&#xff09;自1996年成立以来&#xff0c;先后为700多家媒体…

C++ primer plus 学习 4.8 new动态结构 与结构体指针

参照C primer plus 4.8.4 踩坑涉及到 1. 如何初始化结构体 2. 结构体指针使用&#xff1a;&#xff08;*pn&#xff09;->atr&#xff0c;*pn则为结构体本身 3. 指针重新赋值可能导致的内存泄漏 4.delete的使用&#xff08;只能用在new后面&#xff09; 5. 数组和字符…

【ELK日志分析系统】ELK+Filebeat分布式日志管理平台部署

ELKFilebeat部署一、ELK简介1、ELK组件1.1 其他组件 2、为什么要使用 ELK3、完整日志系统基本特征 二、ELK的工作原理三、ELK Elasticsearch 集群部署1、环境准备2、部署 Elasticsearch 软件(node节点)2.1 安装elasticsearch—rpm包2.2 修改elasticsearch主配置文件2.3 es性能调…

Nerf原理理解

神经辐射场是一个简单的全连接网络&#xff08;权重约为 5MB&#xff09;&#xff0c;经过训练可使用渲染损失再现单个场景的输入视图。该网络直接从空间位置和观看方向&#xff08;5D 输入&#xff09;映射到颜色和不透明度&#xff08;4D 输出&#xff09;&#xff0c;充当“…

小白跟做江科大51单片机之DS18B02按键控制效果

1.新建项目导入AT24C02、Key、Delay、LCD1602、DS18B02相关文件 2.编写main.c函数 #include <REGX52.H> #include "LCD1602.h" #include "Delay.h" #include "Key.h" #include "AT24C02.h" #include "DS18B02.h" f…

Linux 相关命令

文章目录 目录相关操作vim 编辑器命令行模式插入模式底行模式 目录相关操作 查看当前目录下的文件 ls创建目录 mkdir 目录名进入文件&#xff0c;首先确认位于文件的目录 vi 文件名 vim 编辑器 命令行模式 控制光标的移动&#xff0c;字符或行的删除&#xff0c;移动复制某区域…

AntV L7初体验

本案例使用L7库和Mapbox GL JS创建的简单地图可视化示例&#xff0c;加载点数据。 文章目录 1. 引入 CDN 链接2. 导出模块3. 创建地图3.1. 注册 token3.2. 创建地图实例 4. 创建场景5.创建点图层6. 演示效果7. 代码实现 1. 引入 CDN 链接 <!-- 1.引入CDN链接 --> <!--…

数据库期末速成100分训练,附练手数据库原件及教程

本文提供下面数据库代码的数据库原件&#xff0c;下载后可使用 教程如下&#xff1a; 1.打开sql sever 2.找到数据库 3.右键数据库点击“附加”&#xff0c;然后点击“添加” 4.导入数据库原件&#xff0c;点击确定 ps&#xff1a;如果没有sqlsever 或者页面编辑器&#x…

manjaro 安装 wps 教程

内核: Linux 6.6.16.2 wps-office版本&#xff1a; 11.10.11719-1 本文仅作为参考使用, 如果以上版本差别较大不建议参考 安装wps主体 yay -S wps-office 安装wps字体 &#xff08;如果下载未成功看下面的方法&#xff09; yay -S ttf-waps-fonts 安装wps中文语言 yay …

uniapp 手写 简易 时间轴 组件

一、案例如图 该案例设计条件&#xff1a; 左侧时间 和竖线、点、内容都是居中对其的&#xff0c;上下时间点中间要有一段距离 二、编写逻辑 1. 布局结构&#xff1a;一共三个元素&#xff0c;左侧是时间和黑点&#xff0c;中间是线条&#xff0c;右侧是内容 2. 样式难点&#…

《UE5_C++多人TPS完整教程》学习笔记27 ——《P28 项目资产(Assets for The Project)》

本文为B站系列教学视频 《UE5_C多人TPS完整教程》 —— 《P28 项目资产&#xff08;Assets for The Project&#xff09;》 的学习笔记&#xff0c;该系列教学视频为 Udemy 课程 《Unreal Engine 5 C Multiplayer Shooter》 的中文字幕翻译版&#xff0c;UP主&#xff08;也是译…

c# 调用ip2region组件 根据ip地址进行定位归属地运营商

需求描述&#xff1a;当项目中需要将IP转换成对应的归属地以及运营商&#xff0c;那么通过ip2region组件即可完美实现。 p2region本身支持net4.5以上&#xff0c;还有个ip2region.net组件&#xff0c;它要求net6及以上。所以&#xff0c;根据自己项目的需求即可选择其中一种方…