现代材料物理化学作业参考资料(全面)
一．材料物理-材料的电学性能
1．何谓能带结构？满带，导带，价带，空带和禁带？
能带结构：由多条能带组成，是指各原子中能量相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新能级，这些新能级基本上连成一片，形成能带(energy band)。 满带：能带中各能级都被电子填满。
导带：被电子部分填充的能带及空带（一般与价带相邻）。
价带：价电子能级分裂后形成的能带。一般情况下，价带是被电子所填充的能量最高的能带。
空带：所有能级均未被电子填充的能带。
禁带：在能带之间的能量间隙区，电子不能填充。
2.简述绝缘体、半导体与导体的能带结构差异及对其导电性的影响；
导体：分两类，一类是价带和导带交叠，加电压后电子能够很容易从价带顶部跃迁到导带底部而导电。另一类是价带和导带不交叠，但它的价带未填满，因而加电压后电子也能够很容易从价带顶部跃迁到导带底部而导电
绝缘体：价带和导带不交叠存在很大的能量间隙，且价带被填满因而因而加电压后电子不能够很容易从价带顶部跃迁到导带底部，故不导电。
半导体：1.本征半导体：价带和导带不交叠，但能隙很小，2. n型半导体3. p型半导体 3.简述造成半导体材料与金属材料在电导温度函数上的差别原因；
半导体的导电特性：即热敏性当环境温度升高时，温度愈高， 载流子的数目愈多导电能力显著增强，正比关系
金属电导温度函数:随着温度的升高，金属电阻也在增加。在低温下“电子－电子”散射对电阻的贡献可能是显著的，但高温下，金属的电阻都决定于“电子－声子”散射。划分这两个区域的温度θD称为德拜温度或特征温度。且金属的电阻在不同的温度区域内表现出不同幂次（升幂）的温度函数关系。
4.简述导电高分子的类型？及导电机理上的差异？
分类：导电高分子分成两大类。一类是复合型导电聚合物，另一类是结构型（本征型）导电聚合物。
差异：复合型导电聚合物是在本身不具备导电性的聚合物材料中掺混入大量导电物质，聚合物材料本身并不具备导电性，只充当了粘合剂的角色。导电性是通过混合在其中的导电性的物质如炭黑、金属粉末等获得的。
结构型导电聚合物本身具有“固有”的导电性，由聚合物结构提供导电载流子（包括电子、离子或空穴）。四类聚合物具有导电性：聚合物电解质、共轭体系聚合物、电荷转移络合物和金属有机螯合物。其中除聚合物电解质是以离子传导为主外，其余三类聚合物都是以电子传导为主的。
二．材料物理-材料的光学性能
1.简述光的衍射与干涉的差异？
a产生条件是不同的。
干涉产生条件：①频率相同； ②振动方向相同；③相位差恒定。需要相干光，即两列振动情况总是相同的光源，在同一介质中相遇。
衍射产生条件：障碍物或孔的线度与光波波长可以比拟的情况。
b干涉条纹与衍射条纹差异：以狭缝为例，干涉条纹是相互平行、等距（宽度相同）的；而衍射条纹是平行而不等距的，中间最宽，两边条纹宽度逐渐变窄。
2.激光四性是什么？
单色性、相干性、方向性和高亮度。实际上，这四性本质上可归结为一性，即激光具有很高的光子简并度。
3.光子技术相比电子技术的优点？
(1)器件响应和系统处理速度快。
(2)传输容量大。 (3)存储密度大。（4）实现了三维存储 4.何谓非线性光学？
非线性光学现象是指电磁场与物质体系中带电粒子相互作用时，在较强外界光场作用下，产生电偶极子的振荡位移不再与外电场成线性的关系，而是与光波场的线性项有关，而且与光波场的二次及高次项也有关。
三材料物理-材料的光电性能
1.什么是光电效应？外光电效应？内光电效应？光电效应的影响因素？
光电效应 ：在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。
外光电效应：受光照而激发的电子，逸出物质表面形成光电子流，内光电效应：受光照而激发的电子不逸出，而是在在物质内部参与导电。
影响因素：（１）只有光的频率ν≥ν0时，电子才会逸出；
（２）光电子最大初动能和光频率ν成线性关系。当初动能为零时，可得到红限频率；
（３）逸出光电子的多少取决于光强Ｉ。光强大，光子数多，释放的光电子也多；
（４）电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积过程，
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滞后时间不超过10秒。
2.半导体的光吸收过程？及其吸收特征？
光吸收过程：可用三个效应解释，
光吸收跃迁效应：当射到半导体上的光子能量等于或者大于半导体禁带宽度，就会引起本征光吸收。
半导体的间接跃迁吸收：价带中的电子在光激发下跃迁到导带，成为自由电子，同时在原来的价带中留下空穴，外电场作用下，光激发的电子空穴对将同时参加导电，从而使电导率增加。
晶格吸收;半导体晶体与光子相互作用，可吸收光子而产生声子，这种现象称为晶格吸收。 吸收特征：半导体材料的吸收作用随波长减小而迅速增强，即吸收系数随波长减小而变大。当波长很短时，材料的吸收系数很大，这样，光在半导体材料表层即被吸收殆尽。在表层产生的光生载流子要扩散到耗尽层才能产生光生电流，而在表层为零电场扩散区，扩散速度很慢，在光生载流子还没有到达耗尽层时就大量被复合掉了，使得光电转换效率在波长很短时大大下降。不同半导体材料存在着上限波长即截止波长。当入射波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大降低。
（3）何谓电致发光效应？解释半导体发光二极管的工作原理。
电致发光效应：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光。电致发光是将电能直接转换成光能的过程。 分为两类
注入式电致发光：直接由装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子与空穴在晶体内再复合时，以光的形式释放出多余的能量。
本征型电致发光：电极注入的电子在外加强电场的作用下在晶体内部加速，碰接发光中心并使其激发或离化，电子在回复到基态时辐射发光。
发光二极管原理：是以特殊材料掺杂制成的半导体电致发光器件，当其PN结正向偏置时，
由于电子-空穴复合时产生过剩能量，该能量以光子形式放出而发光。 （4）简述光热效应和光子效应的区别；
a光子效应直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光热效应并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测器元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其它物理性质发生变化。
b光子效应就对光波频率表现出选择性，而光热效应无选择性 c光子响应速度一般比较快。光热效应慢
四．现代物理化学的研究方法
（1）什么是多普勒效应？对光谱分辨率的影响？及解决方法？
多普勒效应：是当波在某一确定的介质中传播时，它的波长λ与它的周期成正比（与频率成反比）。
影响：当光源向你快速运动时，光的频率也会增加，表现为光的颜色向蓝光方向偏移（因为在可见光里，蓝光的频率高），即光谱出现蓝移；而当光源快速离你而去时，光的频率会减小，表现为光的颜色会向红光方向偏移（因为在可见光里，红光的频率低），即光谱出现红移。 解决办法：采用高分辨激光光谱技术可以消除了原子热运动的多普勒频移影响 （2）从原理上比较STM、AFM和近场光学显微镜的优缺点；
a扫描隧道显微镜：原理：它是用一个极细的针尖(针尖头部为单个原子)去接近样品表面，当针尖和表面靠得很近时(＜1nm)，针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭，若在针尖和样品之间加上一个偏压、由于量子隧道效应而形成隧道电流。通过控制针尖与样品表面间距的恒定并使针尖沿表面进行精确的三维移动，由电流的变化就可把表面的信息记录下来。
优点是：[1]具有很高的空间分辨率（横向可达0.1 nm，纵向优于0.01 nm），能直接观察到物质表面的原子结构；[2]可使用工作环境大，如现实环境，大气，溶液，真空[3]样品环境温度可以是室温，可低温[4]对样品表面进行无损伤探测，避免了样品破坏，达到无破坏[5]探测深度可以达到1-2原子层
缺点：[1]在STM的恒定电流工作模式下，有时它对样品表面威力之间的某些沟槽不能够探测，与此相关的分辨率较差，[2]STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体根本无法直接观察[3]一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。
bAFM：原子力显微镜：利用激光检测针尖与表面相互作用，通过力的变化引起悬臂梁的振动而造成激光偏转，记录偏转信号就得到样品的表面信息。
优点：1灵敏度高，并且不需要特别的检测手段，只要在STM一起上稍加改进就可以进行AFM测量，2不要求微悬臂具有特别平滑的高反射性的表面，3弥补了STM对应于表面费米能级出的态密度，当表面存在非单一电子态时，表面可以得到真实的表面形貌。
缺点：当微悬臂上产生隧道电流的部位被污染时，其性能将下降；它对空气运动引起的光强波动运动不敏感；因为参考光束和探测光束同时从悬臂反射，系统就会受到显微镜光学元件和机械元件相对振动的影响。
c近场光学显微镜：基本原理是利用扫描探针（纳米量级的，探针孔径限制了近场光信号的强度）来探测样品表面的波，从而接受光学信号并对样品扫描成像，优点是突破了传统衍射理论中半波长极限的限制，得到只有亚波分辨力的光学图像，缺点是只采用探测近场光的强度，其对光的偏振特性并不敏感，近场光信号的强度弱，因而信噪比和分辨力比较低。 （3）激光产生原理？激光基本特性？什么是爱因斯坦光发射理论？
产生原理：激光是通过受激发射的放大光。产生激光的工作物质在入射电磁辐射或其他形式能源激活下产生受激辐射，再通过光学谐振腔结构把它放大到足以克服损耗引起的衰减，从而输出激光。 实现一个激光器必须满足的三个基本条件是：１）需要有合适的工作物质（发光介质），具有合适的能级分布，可以产生合适波长的光辐射；（２） 需要可以实现工作物质粒子数反转分布的激励能源——泵浦源；（３）需要可以进行方向和频率选择的光学谐振腔。除了上述三个基本条件，要产生激光还必须满足阈值条件及相位条件。
激光的基本特征：高方向性；高亮度；高时间相干性；高空间相干性；单色性；短脉冲。 爱因斯坦光发射理论：光发射包括受激吸收、自发发射和受激发射三种过程。在热平衡状态下，：N12|受激吸收=N21|自发发射+N21|受激发射。受激吸收：是指处于基态(E1)的原子，吸收hν=E2-E1的光子而跃迁到激发态(E2)。自发发射：又称自发辐射是一种发光过程，设原子的两个能级为E2和E1。E1为基态，原子受激发跃迁到高能级E2，故E2称为激发态。处于激发态的原子是不稳定的，未受外界干扰便能自发地跃迁到基态，在跃迁中发射一个能量为E2-E1=hν的光子，这种发射称为自发发射。受激发射：是处于激发态的原子受外界E2-E1=hν的光子的刺激而跃迁到基态，同时发射一个hν的光子，称为受激发射。受激发射的光子不但同频率，而且位相、振动方向等也与入射光子相同。
4简介质谱的原理？及两种探测方式的优缺点？
质谱分析本是一种物理方法，其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。
ISS优点：具有较高的表面灵敏度，还可用来研究吸附表面的物理结构，对表面损伤小，缺点：谱峰较宽，分辨本领不强，本底较大
SIM：优点：灵敏度适用于痕量杂质分析，面分布成分分析，深度剖面成分分析，缺点：谱线复杂，识谱困难，定量分析较困难
五 无机材料的物理化学
1.什么是光子晶体？有什么应用？
光子晶体：是电介质材料周期性排列形成的人造晶体，具有周期性折射率。
应用：引人到光子晶体中的人造缺陷如线缺陷或点缺陷可以用来设计阻止一定波长的光线传播，从而制成在一定波长间隔内某些方向上或全部方向上禁止光传播的光子禁带材料。 2.如何实现准相位匹配？何谓超晶格材料？
准相位匹配：就是通过晶体非线性极化率的周期性调制，来补偿光参量过程中由于折射率色散造成的泵浦光与参量光之间的相位失配，以获得非线性光学效应的增强。与双折射相位匹配技术相比，准相位匹配没有双折射相位匹配中关于波矢方向和偏振方向的限制，根据条件，通过选择适当的极化周期，就可以实现相位匹配。
超晶格材料：在介电晶体中引入可与经典波（光波和声波）波长相比拟的超周期结构，此种晶体也被称为光学超晶格、声学超晶格、或微米超晶格。
这类材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，即特定形式的层状精细复合材料。每层的厚度可以小于通常晶体的晶格常数。这就是说，通常的一个晶格，现在可以套叠几个晶格。所以，这种材料就被命名为―超晶格材料‖。
3.简述光学参量振荡器的工作原理；
OPO是一种波长可调谐的相干光光源，能够将一个频率的激光转换为信号和空闲频率的相干输出，并可以在一个很宽的频率范围内实现调谐。实质上是在非线性介质中产生差频光波的混频过程。在差频产生的过程中，每湮灭一个高频光子（泵浦光），同时要产生两个低频光子，分别称为信号光和空闲光，三者满足能量守恒和动量守恒。这就是光学参量振荡器。
六 半导体材料的物理化学
（1）简述什么是低维半导体材料？有几种类型？所表现的纳米效应？
低维半导体材料：电子在块体材料里，在三个维度的方向上都可以自由运动。但当材料的特征尺寸在一个维度上比电子的平均自由程相比更小的时候，电子在这个方向上的运动会受到限制，电子的能量不再是连续的，而是量子化的，我们称这种材料为超晶格、量子阱材料也叫低维半导体材料。
类型：a量子点材料是指在材料三个维度上的尺寸都要比电子的平均自由程小，电子在三个方向上都不能自由运动，能量在三个方向上都是量子化的。b量子线材料就是电子只能沿着量子
线方向自由运动，另外两个方向上受到限制；c量子阱材料的电子态密度呈台阶形状，而量子点和量子线材料的电子态密度分别呈现出一系列孤立的尖峰形状和线形状。
表现的纳米效应：
[1]表面效应：表面的原子数增多故具有很大的化学活性。
[2]小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。
[3]量子尺寸效应：当粒子尺寸下降到一定值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。
[4]宏观量子隧道效应：隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。
2.简述晶型半导体与无定型半导体的能带结构的差异；
晶型半导体价带和导带不交叠，之间存在很大的禁带，且费米能级在导带之外的
在非晶态物质的能带模型中，势场的起伏足以在价带顶和导带低附近引起定域的尾巴态。这些态一直延伸到禁带之中，而且彼此交迭。价带带尾能量高于导带带尾，费米能级被订札在禁带中央。
3.与前两代相比，第三代半导体材料具有哪些优越的性能？
第一代半导体材料：以单质硅为代表，第二代半导体材料：以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP) 第三代半导体材料：宽能隙半导体(Eg大于2.3eV)包括III族氮化物、金刚石、碳化硅、及氧化物（ZnO等）系列化合物。它们比Si、GaAs更适合于制作高温、高频及高功率器件，其所具备的独特优点主要有：
[1]具有很高的热导率（尤其是SiC与金刚石），使得他们能够迅速转移所产生的热量，广泛用于高温及高功率领域
[2]由于它的禁带宽度很大，因此相应器件的漏电量极小，有利于制作CCD器件及高速存储器 [3]具有比普通半导体更低的介电常数及更高的电子饱和速率，使之比Si，GaAs更适合于制作毫米波放大器及微波放大器。
（4）简介本年度诺贝尔物理奖及其意义；
他们发现了“巨磁电阻”效应。即非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。由于相对于传统的磁电阻效应大一个数量级以上，这一效应被称为“巨磁电阻”效应。根据这一效应开发的小型大容量硬盘已得到广泛应用。
意义是这两位科学家在物理学界赢得诺贝尔物理学奖是众望所归、意料之中的事情。他们这项具有里程碑意义的开拓性工作，不仅引发了过去十几年中凝聚态物理新兴学科--磁电子学和自旋电子学的形成与快速发展，也极大地促进了与电子自旋性质相关的新型磁电阻材料和新型自旋电子学器件的研制和广泛应用。 “看看你的计算机硬盘存储能力有多大，就知道他们的贡献有多大。”
七 纳米材料的物理化学
1.简介摩尔定律、纳米科学、纳米工程与纳米技术；
摩尔定律英：特尔创始人戈登?摩尔（Gordon E. Moore)在1964年提出了著名的摩尔定律 既计算机芯片的容量与性能以每隔18个月翻一番的速度更新换代。
纳米科学：主要是一门使现有的科学进入境界更小的范围的一门科学。它可以渗透到几乎所有的科技领域。它常常汇集了不同领域的科学和成就，作为多学科的纽带。它也有它自己应用领域，如纳米材料，纳米化学，纳米生物学，纳米物理学等。
纳米工程：是指工程领域进入到纳米时代如纳米加工，纳米器件。 纳米技术：满足以下，既为纳米技术
a在原子，分子或大分子水平,长度规模约1 -100nmde研究和技术开发 b制备的材料具有高性能高功能的原因是由于小尺寸效应 c具有控制或操纵原子尺度的能力。 2.简述纳米结构的构筑方式及其优缺点；
两种 一，自上而下，即从宏观块状材料开始向微观制备。如晶圆片的刻蚀，优点点可大规