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3.2.1 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体在线视频

3.2.1 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体

下一节:3.2.2 化合物半导体和荧光体材料

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3.2.1 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体课程教案、知识点、字幕

我们这一节讲的是什么

就是从轨道能级到能带

讲固体的另外一个问题

就是说讲绝缘体 导体和半导体

它到底是产生

绝缘体导体和半导体的

原因是什么

这里边涉及到能带图

我们原来讲材料的时候

讲的是壳层

讲的是轨道

有壳层有轨道

没有能带的概念

能带的概念是怎么来的

怎么产生的能带

你只有研究了能带

才能区分绝缘体导体和半导体

能带怎么来的

就关键是讲这个问题

这个问题涉及到功能材料

那么好 一个原子的时候

注意一个原子的时候

1s 2s 2p 3s

3p 3d是这么排列的

大家很清楚

它是什么

按壳层 按轨道

它都是这样分级的排列

这里边没有能带的概念

没有带的概念

变到两个原子

组合在一起以后

注意两个原子组合到一块以后

电子的排布同样遵循

单原子电子的排布的规律

也就是说

没有任何两个电子

它的四个量子数是完成相同的

那么既然两个电子

碰到一块去了

1S电子跟1s电子要相互组合

2s电子跟2s电子要排在一块

2p电子要跟2p电子排在一块

3s电子要跟3s电子

排在一块去了

注意 你2p电子

比方它有6个

现在有12个了

2s电子原来有两个

两个原子碰在

排在一块就四个了

1s电子也是这样

注意

由两个电子变到四个电子

这四个电子的排列状况

同样要遵循前边讲的三项原则

没有两个电子 怎么样

它四个量子数是相同的

那也就是说

你这四个电子

得彼此排开

你原来它要是

一个上边两个电子

你现在也就是说

它得排开

排成什么

排成两个能级了

就排成两个能级了

然后这样排排

注意原来是轨道

壳层轨道

现在

在轨道的基础之上增加了

如果想像的是N个电子

注意

在1s上就有2N个电子

在2s上也有N个电子

在2p上有6N个电子

在3s上有2N个电子

注意

它是电子排的很密了

就不是一个轨道的概念

已经变成了一个带了

这就是能带产生的原因

显然 能带之所以产生

它是由于形成固体以后带来的

如果这些原子彼此分割的

或者是两个原子成对

两个原子成对 两个原子成对

三个原子成对 三个原子成对

这不可能形成能带

它之所以形成能带的原因

在于什么

形成固体了

注意 形成固体了

比如说拿金属来讲

它的最近邻电子是多少

fcc是12个

bcc是8个

hcp也是12个

这12个最近邻电子

这些电子要彼此耦合相互作用

这些相互作用什么

它们的电子的能级

它都不一样的

表现为四个量子数

都不会完全相同

你依然不会相同

它就会分别错开一点距离

能级上错开一点距离

距离尽管很小很小

但是它是有差别的

依然很小很小

当你N很大的时候

那当然就成了能带了

这就是能带产生根本原因

所以能带产生的根本原因

是由于原子形成固体所带来的

那这不就

我们就是材料

我们是搞材料的

我们搞材料搞的是固体

因为它原子组成了固体以后

才产生的能带

它的能带是这么来的

你看 这不是

你注意 注意看图

禁带的形成

注意看图

图是什么

这是原子的距离

孤立的原子它的距离比较大的

孤立的原子是距离比较大的

它1s 2s 注意

当你距离靠近的时候

靠到什么

靠到那个平衡位置

就是组成固体的那个平衡位置

组成固体了

它就会距离有一定

平衡了

组成固体以后 你看

原来是一个分离的能级

组成固体以后

就变成带了

有N条 那个也有N条

这不是变成带了

如果变成带以后

因为能级

它每个跟每个都不一样

尽管它差别很小

它排成一带一带一带

那这样

就有允许带

中间出来禁带了

就产生禁带了

这不禁带是这么产生的

那么我们就可以看到了

各种金属的能带的情况

注意 各个金属的能带的情况

这个是碱金属钠的能带的情况

这个是铜银金的能带的情况

这是碱金属

碱土金属镁的情况

这是过渡组金属

铁的情况

那么它这里边

形成禁带

导带跟价带

如果是重叠

它就是导体

导带跟价带也重叠

就是导体

我们看图

这都是导体

金属它都是导体

都是导带跟价带重合了

它都是导体的情况

但是在导体的情况

我们看图的目的

在于什么

就是为什么铜银金

它的导电性是最好的

铜银金导电是最好的

我们在一般的人们印象当中

好像应该碱金属导电性最好

为什么说

它外边就有一个电子

这一个电子运动比较活泼

它要自由电子

按说它是最好 不然

实际上谁的导电性最好

铜银金导电性是最好的

它到底在什么地方

也跟原子的排布有关系

所以原子的排布什么有关系

就是形成能带以后

原子排布有关系

你们看图

铜银金它的3d电子都是10个

3d电子都是10个

别的3d电子可不是

3d电子你看铁

它是6个

只有铜银金的3d电子是10个

3d电子是10个

3d电子形成B翘层

它形成闭翘层以后

对原子核的束缚作用非常大

或者说把原子核就包起来了

闭翘层

这一包起来

剩一个4s电子

它受原子核的束缚就比较弱

因此4s电子它就是个自由电子

这个自由电子

自由度非常大

因此它的导电性非常好

那么从意义上讲

对金属来讲

凡是导电性好的金属

导热性也是好的

铜银金也是最好的

因为导电性最好的是

第一是银 第二是铜

第三是金

导热性也是这样

因为金属的导热性的机制

它是自由电子

电子碰撞

因此

铜银金导热性能也是好的

那么你从外部电子排布 从能带

我就可以解释什么

导电性 导热性

导热性 导电性

所以我们搞材料的人

对电子的排布

也应该有所了解

你了解你才能知道它的本质

你才能不仅知道是什么

还应该了解为什么

这是我们给出来了

各种金属 电导率的情况

这里边你看铜银金

那得比别的要大的多

铜是5.98乘以10的5次方

别的都比较差一点

这个图讲的是

绝缘体和导体的能带图

那么右边图是讲讲

金刚石 硅和锗的

能带结构

那么A图是绝缘体

B图是导体

我们看绝缘体的情况是什么

是满带上边

它有一个满带

满带上边是禁带

禁带上边是满带或者价带

它的价带

是填满的

再往上走它是空的

这样

它就是一个绝缘体

绝缘体的特点是什么

它的禁带宽度很宽

那么导体的情况

它有满带

满带上边是价带 是禁带

禁带上边是导带

导带跟价带重合

那么这样

它就是一个导体

我们再看看

金刚石 硅和锗

三者都是什么

都是金刚石结构

它的s电子和p电子

它构成能带

构成能带以后

它就会形成禁带

形成禁带

碳的禁带是宽的

硅的禁带比较窄了

到锗的禁带宽度

就更窄了

我们说碳也是一种半导体

不过它半导体

为什么它是个半导体

它有禁带

禁带比较宽

那么硅也是个半导体

它的禁带宽度就窄一些了

锗也是个半导体

注意我们看到

碳的或者金刚石的禁带宽度

是多少

大概是5个电子伏左右

硅的禁带宽度

是1.2个电子伏左右

锗的禁带宽度

是0.7个电子伏左右

我们平常用的大部分是硅的

1.2个电子伏左右

禁带宽度

对我们了解半导体的性能

特别是太阳能电池的

这种性能是极为有用的

碳 金刚石

我们一般认为它是个绝缘体

实际上

它在某种意义上讲

也是个半导体

我们现在有一个新名词

叫做硬半导体

金刚石

典型的硬半导体材料

为什么叫硬半导体材料

由金刚石做成

比方三极管

需要工作在1500度左右

在1500度左右

硅和锗都不能用了

那么金刚石

它还是可以用的

如果有特殊用途非要在高温上

做晶体管

除了金刚石以外

碳化硅这些可以做

所以

你也用新的角度来研究什么

来研究这些传统材料

这是半导体经过掺杂以后

A型半导体是怎么掺杂的

B型半导体是怎么掺杂的

等等这些

是半导体的能带结构

我就不太详细讲事情了

材料学概论课程列表:

第1讲 材料的支柱和先导作用

-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准

--1.1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准

-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准--作业

-1.2 材料的作用

--1.2.1 材料是人类社会进步的标志

--1.2.2 材料是当代文明的根基

--1.2.3 材料是各类产业的基础

--1.2.4 先进材料是高新技术的核心

--1.2.5 新材料是国家核心竞争力的体现

--1.2.6 材料可以“点石成金,化腐朽为神奇”

--1.2.7 “制造材料者制造技术”,材料可以“以不变应万变”

--1.2.8 复合材料和功能材料大大扩展了材料的应用领域

-1.2 材料的作用--作业

-1.3 材料科学与工程四面体

--1.3.1 材料科学与工程的定义和学科特点

--1.3.2 材料科学与工程四要素

--1.3.3 重视材料的加工和制造

--1.3.4 提高材料的性能永无止境

-1.3 材料科学与工程四面体--作业

-1.4 材料与创新

--1.4.1 关注材料的最新应用——强调发展,注重创新

--1.4.2 “9.11事件”世贸大厦垮塌和“3.11大地震”福岛核事故都涉 及材料

--1.4.3 新材料如何适应技术创新和产业创新

-1.4 材料与创新--作业

-本讲作业--作业

第2讲 材料就在元素周期表中(一)

-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布

--2.1 在元素周期表中发现材料

--2.1.2 元素周期表中120种元素综合分析

--2.1.3 原子的核外电子排布(1)——量子数和电子轨道

--2.1.4 原子的核外电子排布(2)——电子排布的三个准则

-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布--作业

-2.2 元素周期表反映元素的规律性

--2.2.1 核外电子排布的应用(1)——碳的sp3、sp2、sp杂化

--2.2.2 核外电子排布的应用(2)——四面体键的奇妙之处

--2.2.3 核外电子排布的应用(3)——电子授受及元素氧化数变化

--2.2.4 核外电子排布的应用(4)——过渡族元素和难熔金属

--2.2.5 原子半径、离子半径和元素的电负性

--2.2.6 原子的电离能和可能的价态表现

-2.2 元素周期表反映元素的规律性--作业

-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素

--2.3.1 稀土元素和锕系元素

--2.3.2 日常生活中须臾不可离开的元素

-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素--作业

-本讲作业--作业

第3讲 材料就在元素周期表中(二)

-3.1 材料性能与组织结构的关系

--3.1.1 材料性能和化学键类型之间的关系

--3.1.2 材料性能与微观结构的关系

--3.1.3 铁的晶体结构

--3.1.4 材料性能与组织的关系

-3.1 材料性能与组织结构的关系--作业

-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体

--3.2.1 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体

--3.2.2 化合物半导体和荧光体材料

-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体--作业

-本讲作业--作业

第4讲 金属及合金材料(一)

-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢

--4.1.1 从矿石到金属制品(1)——高炉炼铁

--4.1.2 从矿石到金属制品(2)——转炉炼钢

-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢--作业

-4.2 金属材料的组织结构

--4.2.1 晶态和非晶态、单晶体和多晶体

--4.2.2 相、相图、组织和结构

--4.2.3 凝固中的形核与长大

--4.2.4 钢的各种组织形态

-4.2 金属材料的组织结构--作业

-4.3 铸锭及其组织

--4.3.1 铸锭组织和连续铸造

-4.3 铸锭及其组织--作业

-本讲作业--作业

第5讲 金属及合金材料(二)

-5.1 金属材料的加工

--5.1.1 金属的热变形

--5.1.2 金属的冷变形

--5.1.3 由铜锭到铜箔的压延加工

-5.1 金属材料的加工--作业

-5.2 钢材的热处理

--5.2.1 热处理的目的和热处理温度的确定

--5.2.2 钢的退火(annealing)

--5.2.3 钢的正火(normalizing)

--5.2.4 钢的淬火(quenching)(1)——加热和急冷的选择

--5.2.5 钢的淬火(quenching)(2)——增加淬透性和防止淬火开裂

--5.2.6 钢的回火(tempering)

--5.2.7 恒温转变

-5.2 钢材的热处理--作业

-5.3 钢的强化机制

--5.3.1 钢的强化机制及合金钢

--5.3.2 应用最广的碳钢

--5.3.3 表面处理(1)——表面淬火及渗碳淬火

--5.3.4 表面处理(2)——表面渗碳、氮化及喷丸处理

--5.3.5 合金钢(1)——强韧钢、可焊高速钢和工具钢

--5.3.6 合金钢(2)——高速钢、不锈钢、弹簧钢和轴承钢

--5.3.7 铸铁及轻金属的减振应用

-5.3 钢的强化机制--作业

-本讲作业--作业

第6讲 粉体及纳米材料

-6.1 粉体材料的性能

--6.1.1 粉体及其特殊性能(1)——小粒径和高比表面积

--6.1.2 粉体及其特殊性能(2)——易流动性和高分散性

--6.1.3 粉体及其特殊性能(3)——低熔点和高化学活性

--6.1.4 粉体的特性及测定(1)——粒径和粒径分布的测定

--6.1.5 粉体的特性及测定(2)——密度及比表面积的测定

--6.1.6 粉体的特性及测定(3)——折射率和附着力的测定

-6.1 粉体材料的性能--作业

-6.2 粉体的加工与处理

--6.2.1 破碎和粉碎

--6.2.2 分级和集尘

--6.2.3 混料及造粒

--6.2.4 输送及供给

--6.2.5 非机械式粉体制作方式

-6.2 粉体的加工与处理--作业

-6.3 粉体的应用

--6.3.1 日常生活中的粉体

--6.3.2 工业应用的粉体材料

--6.3.3 粉体精细化技术——粒度精细化及粒子形状的改善

-6.3 粉体的应用--作业

-6.4 纳米材料

--6.4.1 纳米材料和纳米技术的概念

--6.4.2 “纳米”就在我们身旁

--6.4.3 纳米材料制备和纳米加工

--6.4.4 纳米技术与纳米材料的发展前景

-6.4 纳米材料--作业

-本讲作业--作业

第7讲 陶瓷及陶瓷材料

-7.1 陶瓷材料的定义和分类

--7.1.1 陶瓷发展史——人类文明进步的标志

--7.1.2 日用陶瓷的进展

--7.1.3 陶瓷及陶瓷材料分类

-7.1 陶瓷材料的定义和分类--作业

-7.2 坯体成型

--7.2.1 普通粘土陶瓷的主要原料

--7.2.2 陶瓷成型工艺(1)——旋转制坯成型和注浆成型

--7.2.3 陶瓷成型工艺(2)——干压成型、热压注成型和等静压成型

--7.2.4 陶瓷成型工艺(3)——挤压成型、注射成型和流延成型

-7.2 坯体成型--作业

-7.3 陶瓷烧结

--7.3.1 普通陶瓷的烧结过程

--7.3.2 陶瓷的烧成和烧结工艺

-7.3 陶瓷烧结--作业

-7.4 陶瓷材料的结构

--7.4.1 普通陶瓷的组织和结构

--7.4.2 精细陶瓷的组成、组织结构和性能

-7.4 陶瓷材料的结构--作业

-7.5 结构陶瓷

--7.5.1 结构陶瓷及应用(1)——Al2O3和Zr02

--7.5.2 结构陶瓷及应用(2)——TiO2、BeO和AlN

--7.5.3 结构陶瓷及应用(3)——SiC和Si3N4

--7.5.4 低温共烧陶瓷(LTCC)基板

-7.5 结构陶瓷--作业

-7.6 功能陶瓷

--7.6.1 单晶材料及制作

--7.6.2 功能陶瓷及应用(1)——陶瓷电子元器件

--7.6.3 功能陶瓷及应用(2)——生物陶瓷和换能器件

--7.6.4 功能陶瓷及应用(3)——微波器件、传感器和超声波马达

-7.6 功能陶瓷--作业

-本讲练习--作业

第8讲 玻璃材料及玻璃的应用

-8.1 玻璃的发展简史

--8.1.1 玻璃的发现

--8.1.2 古代玻璃与现代玻璃的组成惊人地相似

-8.2 玻璃的定义和特征

--8.2.1 玻璃的传统定义和现代定义

-8.3 玻璃的加工

--8.3.1 玻璃的熔融和成型加工

--8.3.2 非传统方法制造玻璃

-8.1-8.3 小节练习--作业

-8.4 建筑及高铁用玻璃

--8.4.1 新型建筑玻璃(1)

--8.4.2 新型建筑玻璃(2)

--8.4.3 汽车、高铁用玻璃(1)

--8.4.4 汽车、高铁用玻璃(2)

--8.4 建筑及高铁用玻璃--作业

-8.5 高技术玻璃

--8.5.1 生物医学用玻璃材料

--8.5.2 特殊性能玻璃材料(1)

--8.5.3 特殊性能玻璃材料(2)

--8.5.4 图象显示、光通信用玻璃材料(1)

--8.5.5 图象显示、光通信用玻璃材料(2)

--8.5.6 图像显示、光通信用玻璃材料(3)

-8.5 高技术玻璃--作业

-本讲练习--作业

第9讲 高分子及聚合物材料(一)

-9.1 何谓高分子和聚合物

--9.1.1 何为高分子和聚合物

--9.1.2 常见聚合物的结构和用途——按结构和反应分类

-9.1 何谓高分子和聚合物--作业

-9.2 聚合物的合成

--9.2.1 加聚反应和聚合物实例(1)——均加聚

--9.2.2 加聚反应和聚合反应实例(2)——共加聚

--9.2.3 缩聚反应和聚合物实例——共缩聚

-9.2 聚合物的合成--作业

-9.3 从结构层次看聚合物

--9.3.1 聚丙烯中的不对称碳原子引起的立体异构

--9.3.2 高分子链的结构层次

--9.3.3 高分子链间的相互作用

--9.3.4 高分子的聚集态结构

-9.3 从结构层次看聚合物--作业

-本讲练习--作业

第10讲 高分子及聚合物材料(二)

-10.1 高分子材料性能与加工

--10.1.1 天然橡胶和合成橡胶

--10.1.2 塑料的分类、特性及用途

--10.1.3 热固性树脂(热固性塑料)

--10.1.4 工程塑料

--10.1.5 新型电子产业用的塑料薄膜

--10.1.6 聚合物的结构模型及力学特性

--10.1.7 聚合物的形变机理及变形特性

--10.1.8 聚合物的成形加工及设备(1)——压缩模塑和传递模塑

--10.1.9 聚合物的成形加工及设备(2)——挤出成型和射出成型

--10.1.10 聚合物的成形加工及设备(3)——塑料薄膜和纤维丝制造

-10.1 高分子材料性能与加工--作业

-10.2 胶粘剂和涂料

--10.2.1 胶粘剂的构成和粘接原理

--10.2.2 胶粘剂的制造和用途

--10.2.3 涂料的分类及构成

--10.2.4 涂料中的成分、成膜和固化

-10.2 胶粘剂和涂料--作业

-本讲练习--作业

第11讲 复合材料和生物材料

-11.1 复合材料的定义和分类

--11.1.1 复合材料的定义和分类

--11.1.2 复合材料的界面

--11.1.3 复合材料的特长及优势

-11.1 复合材料的定义和分类--作业

-11.2 增强材料和基体材料

--11.2.1 复合材料中增强材料与基体材料的匹配

--11.2.2 增强纤维的制造

--11.2.3 碳纤维及C/C复合材料

--11.2.4 增强纤维的编制和铺展

--11.2.5 复合材料的成形制造

-11.2 增强材料和基体材料--作业

-11.3 复合材料的应用

--11.3.1 复合材料在航空航天领域的应用

-11.4 天然复合材料

--11.4.1 天然复合材料——木材的断面组织

--11.4.2 天然复合材料——木材的微观结构

-11.5 生物材料

--11.5.1 生物材料的定义和范畴

--11.5.2 骨骼、筋和韧带组织

--11.5.3 各种植入人体的材料

-11.3-11.5 节练习--作业

-本讲练习--作业

第12讲 磁性及磁性材料

-12.1 磁性的来源

--12.1.1 磁性源于电流

--12.1.2 过渡金属元素3d壳层的电子结构与其磁性的关系

-12.1 磁性的来源--作业

-12.2 磁性材料的分类

--12.2.1 亚铁磁性和软磁铁氧体磁性材料

-12.2 磁性材料的分类--作业

-12.3 磁畴和磁滞回线

--12.3.1 磁畴和磁畴壁的运动

--12.3.2 决定磁畴结构的能量类型

--12.3.3 磁滞回线及其决定因素

-12.3 磁畴和磁滞回线--作业

-12.4 软磁材料与硬磁材料

--12.4.1 非晶态高导磁率材料

--12.4.2 永磁材料及其进展

--12.4.3 钕铁硼稀土永磁材料及制备工艺

--12.4.4 钕铁硼永磁材料性能的提高与改进

--12.4.5 粘结磁体

--12.4.6 永磁材料的应用和退磁曲线

--12.4.7 磁性材料的各种应用

-12.4 软磁材料与硬磁材料--作业

-本讲练习--作业

第13讲 薄膜技术及薄膜制备技术

-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件

--13.1.1 薄膜的定义和薄膜材料的特殊性能

--13.1.2 获得薄膜的三个必要条件

--13.1.3 真空获得

--13.1.4 薄膜是如何沉积的

--13.1.5 气体放电

--13.1.6 等离子体与薄膜沉积

-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件--作业

-13.2 薄膜制备——PVD法

--13.2.1 真空蒸镀

--13.2.2 离子镀和激光熔射

--13.2.3 溅射镀膜

--13.2.4 磁控溅镀靶

--13.2.5 溅射镀膜的应用

-13.2 薄膜制备——PVD法--作业

-13.3 薄膜制备——CVD法

--13.3.1 CVD法原理及设备

--13.3.2 各类CVD的应用

-13.3 薄膜制备——CVD法--作业

-13.4 薄膜的加工

--13.4.1 薄膜图形化——湿法刻蚀和干法刻蚀

--13.4.2 反应离子刻蚀(RIE)和反应离子束刻蚀(RIBE)

--13.4.3 平坦化技术和大马士革工艺

-13.4 薄膜的加工--作业

-13.5 薄膜材料的应用

--13.5.1 超硬涂层

--13.5.2 金刚石及类金刚石图层

--13.5.3 电镀Cu膜用于集成电路芯片制作

-13.5 薄膜材料的应用--作业

-本讲作业--作业

3.2.1 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体笔记与讨论

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