1. 综述缺陷对材料性能的影响与缺陷的作用
晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学、电学、磁学和光学性能等均有着极大影响. 缺陷按维度可分为四种：零维缺陷（点缺陷），一维缺陷（线缺陷），二维缺陷（面缺陷），三位缺陷（面缺陷）。 具体言之：
1.零维缺陷さ闳毕莳 包括空位、间隙原子、杂质、错置原子等。 点缺陷与材料的电、光性质、材料的高温动力学过程等有关。例如在半导体材料中加入杂质原子，可使其性能发生几个数量级的变化。
2..Ｒ晃缺陷 线缺陷，又称位错， 包括螺型位错与刃型位错等 。ハ呷毕莸牟生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 位错密度对晶体的机械性能和某些电磁光性能均有显著影响。
3.二维缺陷，面缺陷 包括晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。
4.三维缺陷 体缺陷 表现在空洞、析出的第二相等。
缺陷对物理性能的影响很大，可以极大的影响材料的导热、电阻、光学、和机械性能，极大地影响材料的各种性能指标如强度，塑性等。
缺陷对化学性能影响主要集中在材料表面性能上，比如杂质原子的缺陷会在大气环境下形成原电池模型，极大地加速材料的腐蚀。另外表面能量也会受到缺陷的极大影响，如表面化学活性，化学能等等。
正是有了缺陷，金属材料才能有着我们需要的良好的使用性能，比如人工在半导体材料中进行掺杂，形成空穴可以极大地提高半导体材料的性能。所以如果合理的利用缺陷，可以提高材料某一方面的性能
2.上转换发光材料是怎样实现由长波长光子激发，却发射短波长光子的？ 可分三种情况分析：
一、存在中间能级，在光激发下，基态电子先跃迁至中间能级，并停留足够长的时间，以至该电子在中间能级还可以吸收另外一个光子而跃迁到更高能级。当电子从更高能级向基态跃迁时，发出短波长光子。 二、不存在中间能级，但基态电子可连续吸收两个光子，直接跃迁至更高能级，回迁时发出短波长光子。 三、两个敏化中心被激发，并将激发能传递给发光中心，是基态电子跃迁到更高能级，弛豫之后发出短波长光子。
3.能带是怎样形成的？以能带结构解释物质导电性的差异。
能带是大量原子组成晶体后，由各个原子的能级的电子云重叠分裂而形成的。
金属的能带未填满，因而具有导电性；半导体和绝缘体在0 K时，低能带完全填满，高能带全空，两能带之间有能隙Eg，能隙大则为绝缘体，反之则为半导体；第六主族元素p带电子虽未填满，但是由于共价键结合，导致价带被填满而不能导电。 4.影响纯金属电阻的因素及其作用。
影响纯金属的电阻因素主要有温度，压力，缺陷，具体如下：
??温度的影响：在高温下，电阻率与温度成正比，在较低温度时，电阻率与温度的五次方成正比。 ?压力的影响：在流体静压力下，多数金属电阻率减小；强压下，电阻率发生突变，金属可能发生相变，甚至能将绝缘体或半导体变成导电物质。
?缺陷的影响：缺陷使金属发生静畸变，从而增加电阻率。缺陷中的点缺陷有如空位、间隙原子对电阻率的影响最大，例如淬火产生空位可以增加电阻率。 5.影响纯铁磁性能的因素及其作用
??杂质的影响：C对纯铁的影响最为突出，其表现为使饱和磁化强度Ms降低，最大磁导率μm下降，磁滞损耗增加，磁化困难。可通过控制冶炼与轧制过程有效去除气体含量和有害杂质，以改善纯铁性能。 ?晶粒大小的影响：晶粒尺寸大，可以提高磁导率μ，降低矫顽力Hc。因此纯铁退火时，温度不宜高于910度，以免因重结晶而导致晶粒细化。
?塑性变形的影响（冷加工）：冷加工使矫顽力Hc增大，磁导率μ降低，使磁性能恶化。因此，冷加工之后要退火处理，退火时应注意避免重结晶。
6.导电陶瓷是怎样导电的？并说明导电陶瓷的晶体结构特征。
导电陶瓷有有种导电机制：一种是电子与核一起移动，即离子导电；另一种是电子脱离一个原子核再到另一个原子核，即电子导电。这两种方式也可以同时进行。 晶体结构特征有：
??晶体结构的主体是由一类占有特定位置的离子构成；
?具有大量的空位，空位数远多于可移动离子数。因此晶格中总是存在可供迁移离子占据的空位； ?亚晶格点阵之间有近乎相等的能量和相对低的激活能； ④在点阵间总是存在通路，以至于沿着有利路径可以平移。
7.什么是N型与P型半导体？怎样掺杂才能使SiO2成为N型与P型半导体？举例说明当施主与受主同时存在时，如何判断SiO2是N型还是P型半导体。
N型半导体是本征半导体在掺杂杂质元素后导致导带电子浓度增加的半导体；P型半导体是本征半导体在掺杂杂质元素后导致价带空穴浓度增加的半导体。
在纯半导体材料中掺杂少量第五主族的元素，如P、As、Sb等可成为N型半导体；在纯半导体材料中掺杂少量第三主族的元素，如B、Al、Ga等可成为P型半导体。
当施主和受主同时存在时，则哪一类型杂质超过另一类即为哪一类半导体。 8.综合介绍第三代半导体材料碲镉汞
碲镉汞——Hg1-xCdxTe，ⅡB—ⅥA化合物半导体…………（教材p.64）（参考教材p.64）
碲镉汞是CdTe和HgTe两个二元化合物组成的连续固溶体，一般可表示为：Hg1-xCdxTe 该材料物理性质随组分x的变化可连续的从金属性变到半导体，即随着x的增大，其禁带宽度从HgTe的负值过渡到CdTe的正值。由此可见，Hg1-xCdxTe晶体材料通过HgTe和CdTe所含的分子比，可随意改变材料的能隙宽度。
碲镉汞具有优越的光电特性，是继硅、砷化镓之后的第三代应用最广泛的电子材料。可以制成光导或光伏型的探测器件，制成高速响应器件，满足高频调制、光通讯等的要求。 9.分析使超导材料处于超导态时，温度、磁场、电流三者之间的关系。
临界温度、临界磁场和临界电流，三者之间相互依存、相互关联，若把温度从Tc向下降，则临界磁场Hc将随之增加。如果输入电流所产生的磁场与外加磁场之和超过临界磁场Hc时，超导态遭破坏。此时的电流为临界电流，或称临界电流密度Jc。随着外磁场的增加，Jc必须相应减小，从而保持超导态；故临界电流Jc就是保持超导态的最大输入电流。
10.阐述超导材料的超导机理，列举超导材料的应用。
温度高于0K时，晶格点阵上的离子都在各自平衡的位置附近振动，导致晶格点阵集体振动，振动的能量量子称为“声子”，可以象真实粒子一样和电子发生相互作用，从而改变电子的运动状态。电子-声子相互作用在常温下引起导体的电阻，在低温下则使电子结成库柏电子对。（自由电子——正离子——自由电子），只要两个电子之间有净的吸引作用，就有可能形成库柏电子对，并导致超导能隙的存在，使超导基态相应的系统能量低于正常态能量。（此时，超导态是稳定的。）在电压的作用下，有序的电子对按一定方向畅通无阻地流动起来，使电阻几乎为零。温度升高后，电子对因受热运动的影响而遭到破坏，重新失去超导性。
超导材料的应用有超导发电机，超导电动机，超导变压器，超导磁悬浮列车等。 11.从铁磁体的磁化过程说明磁滞现象与磁滞回线。
从原点开始，随着外磁场（H）的增大，铁磁体磁感应强度（B）沿Oas曲线变化，直至B=Bs，此时H=Hs，此后，再增加外磁场强度H，B值都不会增加，即达到磁饱和，Bs称为饱和磁感应强度。
外磁场强度达到Hs后，如果减小H，此时磁感应强度也减小，但不沿原Oas曲线变化；当外磁场H逐步减小到达0时，铁磁体中却B≠0，而是B=Br，Br称为剩余磁感应强度。这种磁感应强度B的减小滞后于外磁场H的减小，两者不同时回到0点的现象，称为磁滞现象。
此后，要使铁磁体磁感应强度H减小到0，必须施加一个反向磁场。当铁磁体剩磁消失，B=0时，外磁场强度为-Hc，此时Hc称为矫顽力，显示了铁磁体的磁性顽强性。
若进一步增加反向磁场，铁磁体开始反向磁化，当H=-Hs，反向磁化达到饱和，B=-Bs。
之后若减小反向磁场强度H，反向磁感应强度B也减小；当外磁场强度减小到0时，铁磁体中仍然存在剩余磁感应强度-Br；若要消除剩余磁感应强度，就必须施加正向磁场，使H=Hc；进一步增加正向磁场强度使H=Hs，铁磁体又达到磁化饱和状态，B=Bs。
至此，从铁磁体首次磁饱和开始——铁磁体磁感应强度减小——消除正向剩磁——反向磁化——反向磁饱和——消除反向剩磁——再次出现正向磁饱和，就构成了近于矩形的磁滞回线，由于正向和反向磁化都达到了饱和状态，因此也称为饱和磁滞回线。 12.软磁、硬磁材料的区别与应用
软磁与硬磁材料的最大区别是，硬磁材料在去掉外磁场之后可以在较长时间内保持其强磁性，且有较高的矫顽力和较大面积的磁滞回线面积。而软磁材料一旦撤去外磁场则失去大部分或全部磁性，矫顽力小，可以反复磁化。
软磁材料，包括纯铁，电工钢，合金及非晶态合金等，在通讯技术和电力技术中应用广泛，可用于制造电感元件，如变压器，继电器，电磁铁，电机铁芯等。
硬磁材料应用较为普遍的有：铝镍钴系永磁合金，稀土永磁材料，可加工的水磁合金，永磁铁氧体材料，复合(粘结)永磁材料，单畴微粉永磁合金及塑料永磁材料。 13.磁记录介质的磁各向异性特性与磁记录模式的关系
磁记录介质根据磁记录的方式分为：①水平（纵向）磁记录介质和②垂直磁记录介质两类.
??在磁层的涂布过程中，设法使粒子长度方向沿磁带的长度方向取向。由此构成磁带具有明显的单轴各向异性。沿磁带长度方向上的剩磁强度最高。这种介质有利于水平（纵向）记录模式。
?在制作合金薄膜时，由于柱状晶粒的轴线垂直于膜面，从而得到垂直膜面的各向异性。这种介质适合于做垂直记录用。
?在制作磁介质时，若所用磁粉体粒子的磁化方向多为易磁化方向，且可略去形状各向异性的影响，则此涂布成的介质是各向同性。
14.磁记录介质材料的应满足的基本技术条件
(1)矫顽力Hc要高。这能使磁记录介质承受较大的退磁作用。
(2)剩余磁感应强度Br要高。剩磁强度高就可以在较薄的磁层内得到较大的读出信号，但同时退磁场强度也高，因此要兼顾剩磁和退磁场对记录系统的综合影响。
(3)磁层必须均匀且厚度适当。磁层越厚，退磁越严重，记录密度降低越快，而且磁层越不容易均匀化，使读出误差加大；但磁层厚度减小，会使读出信号下降，涂布也难以做到均匀。
(4)磁滞回线的矩形比要高。当矩形比Br/Bs接近1时，磁滞回线近于矩形，可以减少自退磁效应，使介质中能够保留较高剩磁，提高记录信息的密度和分辨率，从而提高信号的记录效率。
(5)饱和磁感应强度Bs要高。Bs高，就可以获得高的输出信号，提高单位体积的磁能积，提高各向异性导致的矫顽力。
15.介绍γ-Fe2O3磁粉及其制备过程与化学反应。
γ-Fe2O3磁粉 最早用于磁带、磁盘的磁粉就是γ-Fe2O3。这种材料具有良好的记录表面，在音频、射频、数字记录以及仪器记录中都能得到理想的效果，而且价格便宜，性能稳定。
γ-Fe2O3通常制成针状颗粒，长度为0.1~0.9um，长度与直径比为(3~ l0)?1，具有明显的形状各向异性，为立方尖晶石结构，为亚铁磁性物质。
制备γ-Fe2O3的方法是从α-(FeO)OH(针铁矿)成核和生长开始，然后通过脱水形成非磁性α-Fe2O3 (赤铁矿)，再还原成Fe3O4(磁铁矿)，最后氧化成γ-Fe2O3。其化学反应如下：
①4FeSO4?7H2O + O2 + 8NaOH → 4α-(FeO)OH + 4Na2 SO4 + 30 H2O ②2α-(FeO)OH → 2γ-Fe2O3 + H2O ③3γ-Fe2O3 + H2 → 3Fe3O4 + H2O
④2Fe3O4 + 1/2 O2 → 3γ-Fe2O3(严格控制氧化条件)
16.阐明X射线激发材料发光的过程与特点，并简单介绍几种典型X射线致发光材料。
发光过程：发光材料在x射线照射下可以发生康普顿效应，也可以吸收x射线， 产生高速的光电子。光电子又经过非弹性碰撞，产生第二代、第三代电子。当这些电子的能量接近发光跃迁所需的能量时，即可激发发光中心，或者离化发光中心，随后发出光来。一个x射线的光子可以引起很多个发光光子。其特点是连锁激发。
由x射线激发发光的材料
最早应用于x射线探测的钨酸钙现在仍然被广泛地应用。这主要由于它有几个优点：吸收效率高，发光光谱和胶片灵敏波段相适应；物理化学性质稳定；而且在制备中对原料纯度的要求不是很高。
硫化物的发光效率较高，像ZnS，CdS这样的材料，通用性较强。它既可用于透视屏又可用于增感屏，还用于像加强器。
碘化铯的发光效率和硫化物相当，都比较高，但它们对x射线的吸收效率却比硫化物高，在x射线激发下，总的效率较高，是很好的材料，常用在像加强器中。
稀土材料的发光光谱和钨酸钙的相近，在医用x射线(30—100kev)的激发下光效率比钨酸钙的效率还高。
17.激光产生的机理及激光器的基本结构 激光产生的机理
当光入射到由大量粒子所组成的系统时，光的吸收、自发辐射和受激辐射三个基本过程是同时存在的。而激光是受激辐射的结果，为创造受激辐射的条件，必须使处于高能级激发态的粒子数多于处于低能级的粒子致，即“粒子数反转”，因为粒子数在平衡态下总是低能态粒子数多于高能态的粒子数。为此，必须输入能量使处于低能态的粒子足够多地跃迁到高能级，这个“激励”过程为“光泵”或者“抽运”。但是抽运到高能级的粒子能否有较长的寿命，这就决定于激光工作物质的能态结构，即是否有亚稳态能级，让粒子“停留”、“等待”受激辐射。实现“粒子数反转”后，当激发态的粒子受到入射光子作用并发生受激辐射时，产生激光。 激光器的基本结构
激光是受激辐射的结果，要求受激辐射在激光介质中必须反复地发生，并约束在一个方向上，才能得到强的激光束。这要求激光器必须由三个基本部分组成：
①产生激光的物质，称为激光工作物质，是激光工作系统中最重要的部分； ②激光产生的激励装置(如红宝石激光器的激励装置是氖闪光灯)； ③供激光放大的谐振腔（反馈系统）。 18.半导体激光器的基本结构和产生激光的条件
半导体激光器的基本结构极为简单，仍然由激光介质、激励泵浦（电流）和谐振腔（反射镜）组成。半导体激光器是半导体器件PN结二极管，在电流正向流动时会引起激光振荡。但是，在普通电路用的二极管中，即使有电流流动也不会产生激光振荡，因为不满足引起激光的条件。
半导体器件PN结二极管引起激光振荡的条件是：
①利用电流注入的少数载流子复合时放出的能量，必须以高效率变换为光。
因此，在进行复合的区域(在PN结附近，称此区域为活性区)，一般必须是具有直接迁移型能带结构的材料。在这一方面，最常用的半导体材料Si与Ge已失去作为激光材料的资格。以GaAs为代表的许多
ⅢA—ⅤA族化合物由于具有直接迁移型能带结构，可作为激光材料，大部分ⅡA-ⅥA族半导体也有可能作为激光材料。
②在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。某阈值以下的电流，在普通的发光二极管中也会引起注入发光，但不会发生激光。
③有谐振器。激光器的谐振器一般是由二片反射镜组成的法布里—珀罗结构构成。半导体激光器由于增益极高，不一定要求具有高反射率的反射镜，可利用垂直于结面而且平行的二极管两个侧面作为反射镜。 19.说明光导纤维的结构
光纤本身由纤芯和包层构成。
纤芯是由高透明固体材料制成，如高二氧化硅玻璃，多组分玻璃、塑料等。
纤芯的外面是包层，用折射率较低(相对于纤芯材料而言)的有损耗(每公里几百分贝)的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成。这样就构成了能导光的玻璃纤维——光纤，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。
上述光纤是很脆的，还不能付诸实际应用。要使它具有实用性，还必须使它具有一定的强度和柔性，采用图4.10（b）所示的三层芯线结构。在光纤的外面是一次被覆层，主要目的是防止玻璃光纤的玻璃表面受损伤，并保持光纤的强度。因此，在选用材料和制造技术上，必须防止光纤产生微弯或受损伤。通常采用连续挤压法把热可塑硅树脂被覆在光纤外面制成，此层的厚度约为l00—150μm，在一次被覆层之外是缓冲层，外径为400μm，目的在于防止光纤因一次被覆层不均匀或受侧压力作用而产生微弯，带来额外损耗。因此，必须用缓冲效果良好的低杨氏系数材料作缓冲层，为了保护一次被覆层和缓冲层，在缓冲层之外加上二次被覆层。二次被覆层材料的杨氏系数应比一次被覆层的大，而且要求具有小的温度系数，常采用尼龙，这一层外径常为0.9mm。 20.综合介绍红外光学材料
在红外线应用技术中，要使用能够透过红外线的材料，这些材料应具有对不同波长红外线的透过率、折射率及色散，一定的机械强度及物理、化学稳定性。
对红外透过材料的要求，首先是红外光谱透过率要高，透过的短波限要低，透过的频带要宽，一般红外波段是从0.7μm到20μm。
目前实用的光学材料只有二三十种，可以分为晶体、玻璃、透明陶瓷、塑料等四类。
??晶体：在红外区域，晶体是使用最多的光学材料。与玻璃相比，其透射长波限较长(最大可达60μm )，折射率和色散范围也较大。不少晶体熔点高，热稳定性好，硬度大；而且只有晶体才具有对光的双折射性能；但一般较贵，且单晶体不易长成大的尺寸，因此应用受到限制。
?玻璃：玻璃的光学均匀性好，易于加工成型，便宜，缺点是透过波长较短，使用温度低于500℃。 ?红外透明陶瓷：烧结的陶瓷由于进行了固态扩散，产品性能稳定，目前已有十多种红外透明陶瓷可供选用。Al2O3透明陶瓷不只是透过近红外，而且还可以透过可见光，它的熔点高达2050℃，性能和蓝宝石差不多，但价格却便宜得多。
④塑料：也是红外光学材料，但近红外性能不如其它材料，故多用于远红外。如聚四氟乙烯，聚丙乙烯等。
21.电介质的极化机制及其与介电损耗的关系
随着交变电场的频率不同，介质的极化响应出现三种情况：
① 当频率很低时，电子极化、离子极化、转向极化的建立完全跟得上电场的变化，此时介质极化响应可以按照与静电场类似的方法处理；
② 当电场的变化频率极高时，极化建立缓慢的方式（如转向极化）就完全来不及建立，可以不予考虑；而极化很快的方式仍可按照静电场中的方法处理；
③当电场变化和缓慢极化建立的时间较接近时，该极化对电场的响应受到极化建立过程的强烈影响，产生比较复杂的介电现象。明显的特点是出现极化损耗，常被称为介电损耗，表现为：电介质以发热的形式而耗散热量。