材料近代研究方法

1、材料近代研究方法,材料科學(xué)與工程學(xué)院左禹,什么是“材料”？,,材料——人們用來(lái)制造機(jī)器、結(jié)構(gòu)等具有某種特性的物質(zhì)的實(shí)體。,材料——人類文明的基石,,,石器時(shí)代—~25000年前陶器時(shí)代—~10000年前青銅時(shí)代—~4000年前鐵器時(shí)代—~2000年前,人類文明的發(fā)展史，即人類學(xué)習(xí)利用材料、制造材料、創(chuàng)新材料的歷史。,,材料科學(xué)與工程學(xué)科的核心內(nèi)容：,研究材料成分、結(jié)構(gòu)、制備方法與性能的關(guān)系材料的制造、使用和創(chuàng)新,,,,,,,性

2、能,成分,結(jié)構(gòu),制備,材料的分類：,按材料種類分類：金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料高分子材料復(fù)合材料,材料的分類：,按材料用途分類：結(jié)構(gòu)材料:制造房屋,橋梁,機(jī)器等結(jié)構(gòu)—力學(xué)性能功能材料:具有某種特殊性質(zhì),材料的分類：,功能材料：能源材料:電極材料，貯氫材料，光電轉(zhuǎn)換材料信息材料：半導(dǎo)體，光纖，電纜、生物醫(yī)用材料：人工關(guān)節(jié)，人造血管，人造器官磁性材料：電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子材料，磁性存貯材料環(huán)境材料：清除污染,可降解,環(huán)境友

3、好材料光學(xué)材料：透鏡，黑體材料催化材料、吸波材料、含能材料、智能材料,材料的分類：,天然材料：石材，木材，蠶絲，皮革傳統(tǒng)材料：鋼鐵、水泥、陶瓷、玻璃、通用高分子材料 、紡織材料先進(jìn)材料：航空材料、航天材料、核材料、電子信息材料、能源材料非晶態(tài)材料、超導(dǎo)材料、納米材料,材料科學(xué)與工程學(xué)科：,是當(dāng)今科技領(lǐng)域發(fā)展最快的學(xué)科之一；是孕育著重大發(fā)現(xiàn)和突破的學(xué)科；是挑戰(zhàn)性非常強(qiáng)的學(xué)科；是物理、化學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)

4、學(xué)科匯聚的前沿領(lǐng)域；對(duì)21世紀(jì)的高新科技發(fā)展起著關(guān)鍵支撐作用： 航天、海洋、生命、環(huán)境、能源、信息---新材料 納米科技只是材料科技的一個(gè)組成部分,,我國(guó)是世界上的材料生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó).鋼,水泥,建筑陶瓷,玻璃等產(chǎn)量穩(wěn)居第一,有色金屬, 高分子材料等居世界前列,絕大部分材料可立足國(guó)內(nèi).材料的發(fā)展基本上滿足了我國(guó)經(jīng)濟(jì),科技和國(guó)防建設(shè)的需求.,,但我國(guó)還不是材料強(qiáng)國(guó).能耗大;污染嚴(yán)重;資源消耗大;

5、部分先進(jìn)材料還要依賴進(jìn)口:大規(guī)格鋁合金,高強(qiáng)碳纖維,超大規(guī)模集成電路芯片,特種合金鋼…;品種,規(guī)格少;仿制多,自主研發(fā)少;……,,各種材料的分析、表征方法與手段有著顯著的共性,1.1 材料近代研究方法的特征,材料研究和表征的傳統(tǒng)方法： 宏觀研究（mm）----微觀研究（μm） 力學(xué)性能： 強(qiáng)度——屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彎曲與扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、疲勞壽命、硬度、彈性模量、磨損抗力

6、、高溫持久強(qiáng)度、蠕變極限 塑性——應(yīng)變、斷面收縮率、沖擊韌性、斷裂韌性、應(yīng)力腐蝕斷裂韌性,1.1 材料近代研究方法的特征,材料研究和表征的傳統(tǒng)方法：材料結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成——XRD、化學(xué)分析、儀器分析材料熱學(xué)性能——熱分析、膨脹分析材料電學(xué)與磁學(xué)性能——電阻測(cè)量、熱電勢(shì)分析、磁性測(cè)量材料光學(xué)性能——光學(xué)測(cè)量、折光率、光發(fā)射行為、光譜分析材料其它物理性能——內(nèi)耗分析、同位素分析、超聲波探測(cè)、

7、 聲發(fā)射、紅外探測(cè)、流變性能測(cè)量主要特征：宏觀區(qū)域，平均成分，綜合性能，一般精確度,1.1 材料近代研究方法的特征,（1）近代方法： 外在的性能測(cè)試 探索決定材料性能的深入的物理,化學(xué),結(jié)構(gòu)本質(zhì),,1.1 材料近代研究方法的特征,（2）近代方法：微觀（ μm）—亞微觀（nm）—原子—原子核 A.人們對(duì)材料組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的認(rèn)識(shí)進(jìn)入更深層

8、次 B.研究材料中某一微小的區(qū)域： 微區(qū)：微米至納米尺寸區(qū)域的結(jié)構(gòu)、原子排列、化學(xué)組成、性質(zhì) 薄膜：厚度幾μm到幾A，單原子層 表面與界面：幾個(gè)原子層到單原子層 C.分辨率、精確度更高 穆斯堡爾譜：E的變化10-9 eV，1 eV=1.6x10-19 J,1.1 材料近代研究方法的特征,（3）綜合應(yīng)用了當(dāng)代科技的最新手段 超高

9、真空技術(shù)，電子隧道發(fā)射，穆斯堡爾效應(yīng)，超導(dǎo)，超高精度定位與形變測(cè)量，核磁共振效應(yīng) 科學(xué)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)的速度不斷加快 1982年提出掃描隧道顯微鏡原理，1984年實(shí)現(xiàn)商品化,1.2 材料科學(xué)對(duì)研究方法和技術(shù)的需求,（1）材料組成原子的種類、成分、偏聚狀態(tài)---元素分析（2）原子之間的結(jié)合方式：原子基團(tuán)、化學(xué)鍵類型、鍵角、強(qiáng)度（3）原子的排列與結(jié)構(gòu)：原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、原子運(yùn)動(dòng)、缺陷（4）

10、材料內(nèi)部的電子狀態(tài)：電子密度、分布、氧化態(tài)、價(jià)態(tài)、電子能級(jí)（5）材料表面微觀形貌、缺陷種類與分布：位錯(cuò)、吸附分子與原子、臺(tái)階、色心、界面（6）原子核與核外電子的相互作用：力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)的分布與作用（7）表面吸附層的結(jié)構(gòu)、成分、結(jié)合強(qiáng)度、性質(zhì)（8）薄膜、表面、界面與微區(qū)內(nèi)的上述內(nèi)容—薄膜與微區(qū)分析,1.2 材料科學(xué)對(duì)研究方法和技術(shù)的需求,（9）高靈敏度、高分辨率、高定量精度（10）不影響材料的組成與結(jié)構(gòu)——非破壞分析（11）

11、適用于各種樣品——非導(dǎo)體、粗糙表面、無(wú)須特殊處理（12）原位分析——空氣、水、溶液及其他介質(zhì)（13）高低溫，應(yīng)力加載，斷裂不存在能夠滿足上述所有要求的方法,1.3 材料近代研究方法的分類,按分析內(nèi)容和目的分類：（1）材料微觀形態(tài)分析技術(shù) 光學(xué)顯微鏡，掃描電鏡SEM，透射電鏡TEM，高分辨率透射電鏡HRTEM， 掃描隧道顯微鏡STM，原子力顯微鏡AFM，場(chǎng)離子顯微鏡FIM，

12、 觀察材料表面與內(nèi)部形態(tài)、組織結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、夾雜物 原子組態(tài)與原子排列、分子組態(tài),1.3 材料近代研究方法的分類,（2）原子組成與原子狀態(tài)分析技術(shù) 電子探針EPMA，俄歇電子能譜AES，X射線光電子能譜XPS，紫外光電子能譜UPS，二次離子質(zhì)譜SIMS，離子散射譜ISS 盧瑟福背散射RBS，原子探針AP 材料組成元素與分布，偏析，價(jià)態(tài)，電子狀態(tài)，化學(xué)鍵強(qiáng)度,1.3 材

13、料近代研究方法的分類,（3）結(jié)構(gòu)分析技術(shù) X射線衍射XRD，電子衍射TED，低能電子衍射LEED，反射式高能電子衍射RHEED， 中子衍射ND，近吸收邊X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)分析NEXAFS 晶體與非晶體結(jié)構(gòu)，原子與分子排列,1.3 材料近代研究方法的分類,（4）分子結(jié)構(gòu)、表面與薄膜特征分析技術(shù) 紅外光譜IRS，表面增強(qiáng)拉曼光譜SERS， 電子能量損失譜EELS，橢圓偏振光

14、分析 表面原子結(jié)構(gòu)與排列，分子結(jié)構(gòu)，吸附結(jié)構(gòu)，薄膜性質(zhì),1.3 材料近代研究方法的分類,（5）超精細(xì)物理化學(xué)結(jié)構(gòu)分析技術(shù) 穆斯堡爾譜MS，核磁共振NMR， 正電子湮沒(méi)分析PAT，核反應(yīng)分析NRA 核物理效應(yīng)——電子結(jié)構(gòu)、電子密度、超精細(xì)力場(chǎng)、 電場(chǎng)、磁場(chǎng)，空位型缺陷,本課程的主要內(nèi)容：,掃描隧道顯微鏡STM，原子

15、力顯微鏡AFM，場(chǎng)離子顯微鏡FIM，俄歇電子能譜AES，X射線光電子能譜XPS，紫外光電子能譜UPS，二次離子質(zhì)譜SIMS，離子散射譜ISS ，原子探針AP低能電子衍射LEED，反射式高能電子衍射RHEED電子能量損失譜EELS,參考教材：,1.材料的特征檢測(cè)，利弗森等，科學(xué)出版社，19982.現(xiàn)代分析技術(shù)，清華大學(xué)出版社，19953.電子能譜學(xué)，周清，南開大學(xué)出版社，19954.Surface Analysis, J.C.

16、Vickerman, J.Wiley and Sons, 19975.原子物理學(xué),2.原子物理學(xué)基礎(chǔ),2.1 原子能級(jí)2.1.1 原子核 Z個(gè)質(zhì)子 原子核 原子質(zhì)量數(shù)A=Z+N原子序數(shù)Z的原子 N個(gè)中子

17、 Z個(gè)電子同位素——原子核的質(zhì)子數(shù)相等而中子數(shù)不等 Z值相同而A值不同的一組核素穩(wěn)定同位素，不穩(wěn)定同位素（放射性同位素） α（He核），β（電子），γ（光子）,,,,,,,,2.1.2 原子能級(jí)完整地描述一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要4個(gè)參數(shù)：（1）主量子數(shù)n，允許值1，2，3，……n 每

18、個(gè)能級(jí)最多電子數(shù)2n2 意義：電子軌道（2）角量子數(shù)（副量子數(shù)）l：0，1，2，3….（n-1） s，p，d，f， 意義：軌道角動(dòng)量（電子云幾何形狀）,,,,(3)磁量子數(shù)m：-l，0，+l，最大值（2l+1） 意義：軌道角動(dòng)量的空間取向

19、 （電子云的空間取向）無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)各種取向的能量相同，有外磁場(chǎng)時(shí)由于磁相互作用，不同取向能量不同（4）自旋量子數(shù)s：+1/2，-1/2， 意義：電子自旋的兩種方向無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，電子能量主要決定于n和l有外磁場(chǎng)時(shí)，4個(gè)量子數(shù)共同起作用,,核外電子的排布遵從三項(xiàng)規(guī)則：泡利不相容原理——同一個(gè)原子中，不可能有兩個(gè)運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子存在能量

20、最低原理——電子依次進(jìn)入能量從低到高的軌道狀態(tài)洪特規(guī)則——在角量子數(shù)相同的軌道上，電子排布時(shí)盡可能自旋平行地進(jìn)入軌道,2.1.3 不確定關(guān)系,經(jīng)典力學(xué)中，可以用質(zhì)點(diǎn)的位置和速度（動(dòng)量）描述其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并建立其運(yùn)動(dòng)“軌道”微觀粒子具有波動(dòng)性，其位置與動(dòng)量之間存在相互依存和制約的關(guān)系，兩個(gè)量不可能同時(shí)被精確測(cè)定，任何一個(gè)量的測(cè)量精度與另一個(gè)量的精度有關(guān)。,2.1.3 不確定關(guān)系,量子力學(xué)可證明：,時(shí)間和能量之間存在類似關(guān)系：,2.1.

21、4 波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋,實(shí)物粒子例如電子也具有波動(dòng)性，或：微觀離子具有波粒二象性。電子波的強(qiáng)度與空間某點(diǎn)處出現(xiàn)電子的幾率成正比。量子力學(xué)規(guī)定，用波函數(shù)的平方代表在時(shí)刻t，在r處單位體積內(nèi)出現(xiàn)粒子的幾率。,2.1.4 波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋,設(shè)在某r處取一個(gè)微小體積元dv，在該體積元中各點(diǎn)出現(xiàn)粒子的幾率相同，則在該體積元中找到粒子的幾率dw為,故為在時(shí)刻t，在r附近單位體積內(nèi)找到粒子的幾率，稱幾率密度。,2.1.4 波函數(shù)及

22、其統(tǒng)計(jì)解釋,對(duì)波函數(shù)的限制條件：?jiǎn)沃怠⑦B續(xù)、有限、歸一歸一即,知道了粒子的波函數(shù)也就知道了其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在不同的環(huán)境（力場(chǎng)）中，波函數(shù)的形式不同，粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也不同。力場(chǎng)一般用勢(shì)函數(shù)V（r，t）的形式給出。,2.1.4 波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋,量子力學(xué)的中心任務(wù)之一，就是： 找到處于不同力場(chǎng)中的粒子的波函數(shù)形式。薛定諤提出的微分方程是波函數(shù)應(yīng)滿足的方程，已得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)：,其中

23、 為拉普拉斯算符。這是一個(gè)二階偏微分方程，一般需要將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｎ⒎址匠蹋⒉捎迷囂椒ú拍艿玫浇狻?2.1.4 波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋,V（r，t）為粒子所處的力場(chǎng)，假如力場(chǎng)不隨時(shí)間而變，即V（r，t）=V（r），則方程的解Ψ（r，t）可以寫成時(shí)間和空間兩部分的乘積,：,代入薛定諤方程，并兩邊除以Ψ（r）f（t），得,等式左邊只是t的函數(shù)，右邊只是r的函數(shù)，而t和r是兩個(gè)相互獨(dú)立的變量，只有當(dāng)式兩邊

24、都等于同一個(gè)常數(shù)時(shí)，此等式才可能滿足。,2.1.4 波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋,設(shè)E為此常量，則左、右兩邊各等于： （1） （2）由（1）式可解出

25、 f（t）是一個(gè)平面正弦波函數(shù)。,2.1.4 波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋,而（2）式就是定態(tài)薛定諤方程：,將此結(jié)果代回前述 式中，就得到薛定諤方程的一個(gè)特解：,將V（r）的具體形式代入上式，可以解得E的各種可能值，也就是體系在各個(gè)定態(tài)時(shí)的能量。,2.1.4 波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋,應(yīng)用舉例：氫原子的電子能級(jí)氫原子由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子構(gòu)成，電子在質(zhì)子的庫(kù)侖場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，體系

26、的勢(shì)函數(shù)為：,,,質(zhì)子位于坐標(biāo)原點(diǎn)r=0處，當(dāng)r為無(wú)窮大時(shí)勢(shì)函數(shù)為零，V（r）與時(shí)間t無(wú)關(guān)，可用定態(tài)薛定諤方程求解，代入：,這是一個(gè)二階常微分方程，采用球坐標(biāo)系，適當(dāng)簡(jiǎn)化后可求解。,2.1.4 波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋,求解過(guò)程中得到下述結(jié)果：（1）能量量子化當(dāng)E<0時(shí)，為保證式中的參數(shù)有意義，E只能取某些特定值：,,,n必須是正整數(shù)1，2，3,……，即主量子數(shù)。而當(dāng)E>0時(shí)（對(duì)應(yīng)著電子被電離），則E取任何值方程都有意義。,

27、2.1.4 波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋,（2）角動(dòng)量量子化和空間量子化為使波函數(shù)不發(fā)散，解方程時(shí)引入的參量λ必須取某些特定值： λ=l（l+1）l必須是小于n的正整數(shù)，對(duì)確定的n值，l可取L=0，1，2，3,……（n-1）同時(shí)可以證明，電子的角動(dòng)量值為：,,,即電子的角動(dòng)量取值也是量子化的，l即角量子數(shù)。,2.1.4 波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋,（2）角動(dòng)量量子化和空間量子化此外，解方程時(shí)引入的另一參量ml也必須滿足：ml=0，1，2,……

28、L進(jìn)一步研究得出， ml就是決定角動(dòng)量矢量Pl在空間取向的磁量子數(shù)，即有,,,上式表明，角動(dòng)量在空間某方向上的投影值也是量子化的。一個(gè)確定的l值，只有（2l+1）個(gè)可能的ml值，代表電子自旋角動(dòng)量（軌道平面）在空間只能有（2l+1）個(gè)可能取向。,2.1.4 波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋,結(jié)論：根據(jù)薛定諤方程，從電子波函數(shù)出發(fā)計(jì)算得到的電子穩(wěn)定狀態(tài)（能級(jí)）的結(jié)果與玻爾的原子行星模型基本結(jié)果一致；某些不一致的地方，實(shí)驗(yàn)證明量子力學(xué)的結(jié)果更精