综览 1
第1篇 材料的结构 17
第1章 结构问题的不同侧面 17
1.1 健合 17
1.1.1 原子结构和周期表 17
1.1.2 离子键 20
1.1.3 共价键 23
1.1.4 分子 25
1.1.5 金属键 27
1.1.6 弱键 28
1.2 对称性 29
1.2.1 对称操作 29
1.2.2 对称与不对称 30
1.2.3 对称元素的组合 31
1.3 对称破缺--无序与有序 34
1.3.1 概念的引入 34
1.3.2 从概念到现实--有序-无序转变的实例 35
1.3.3 能与熵的角逐--有序-无序转变的物理根源 38
1.3.4 实际结构--有序相中的缺陷 40
1.4 结构与信息 41
1.4.1 信息 41
1.4.2 遗传信息的载体--DNA分子 42
1.4.3 蛋白质分子 44
参考文献 46
2.1 周期结构和点阵 47
16.1 吉布斯相律 47
第2章 晶态 47
2.1.1 点阵 48
2.1.2 点阵与点群的类型 49
2.1.3 点阵的几何关系 53
2.1.4 对称性对物性常量的制约 54
2.2 空间群 55
2.2.1 晶体的微观对称性 55
2.2.2 空间群 56
2.2.3 空间群的国际符号 57
2.2.4 晶体结构的描述 58
2.3 若干晶体结构的实例 60
2.3.1 堆积结构 60
2.3.2 键联结构 62
2.3.3 钙钛矿结构及其家族 65
2.4 超出空间群的结构 67
2.4.1 色群和磁结构 67
2.4.2 无公度调制结构 67
2.4.3 准晶和Penrose拼砌 68
参考文献 70
第3章 非晶态与液晶态 71
3.1 导向非晶态 71
3.1.1 熔化 71
3.1.2 玻璃化转变 73
3.1.3 位置无序的统计描述 75
3.2 无机玻璃 78
3.2.1 无规密堆模型 78
3.2.2 无规网络模型 79
3.2.3 硫系玻璃 81
3.3 聚合物 82
3.3.1 聚合物的结构和构型 82
3.3.2 无规行走的线团模型 84
3.3.3 溶胀的线团 85
3.3.4 交联 87
3.4 液晶态 88
3.4.1 概述 88
3.4.3 近晶相和柱状相 91
3.4.2 向列相和胆甾相 91
3.4.4 溶致液晶(自组装膜的有序结构) 92
3.4.5 聚合物的有序结构 94
参考文献 96
第4章 点缺陷 97
4.1 空位与填隙原子 97
4.1.1 热平衡态的点缺陷浓度 97
4.1.2 点缺陷的形成能 98
4.1.3 点缺陷的迁移激活能 99
4.2 点缺陷的产生 100
4.3 离子晶体中的点缺陷与色心 103
4.3.1 离子晶体中的点缺陷 103
4.3.2 离子导电和超离子导电现象 104
4.3.3 色心 105
4.4 杂质原子 108
参考文献 110
第5章 位错与向错 111
5.1 晶体中位错的几何特征 112
5.2 位错的弹性性质 116
5.3 位错核心结构 118
5.4 位错与其他缺陷之间的交互作用 121
5.4.1 位错间的交互作用 122
5.4.2 位错与溶质原子间的交互作用 123
5.4.3 位错与自由表面的交互作用 124
5.5 位错的产生和增殖 126
5.5.1 位错的产生 126
5.5.2 位错的增殖 128
5.6 向错 131
参考文献 134
6.1.1 晶体外形与表面微观形貌 135
第6章 表面与界面 135
6.1 晶体的表面 135
6.1.2 表面弛豫与重构 138
6.1.3 技术晶体的表面 141
6.1.4 纳米粒子的表面 142
6.2 平移界面 143
6.2.1 堆垛层错 143
6.2.2 反相畴界 147
6.2.3 晶体学切变面 150
6.3.1 反映孪晶界面 152
6.3 孪晶界面 152
6.3.2 旋转孪晶界面 155
6.3.3 铁电畴界 155
6.4 晶界 158
6.4.1 小角度晶界 158
6.4.2 大角度晶界 162
6.5 相界 164
参考文献 166
7.1.1 概述 168
7.1 非均质材料 168
第7章 多层次与非均质材料 168
7.1.2 非均质材料的微结构特征 169
7.1.3 有效媒质近似--二相合金微结构与物性关联问题处理实例 173
7.1.4 非均质介观结构实例 174
7.2 结构的几何相变：逾渗 183
7.2.1 逾渗的概念 183
7.2.2 逾渗的若干实例 185
7.3 无规结构：分形几何 186
7.3.1 支离破碎世界的描述 186
7.3.2 物质结构中的分形 188
参考文献 190
10.4 磁化动力学与铁磁共振 190
8.1.1 波粒二象性 191
第8章 理解物性的基本概念 191
8.1 量子特征 191
第2篇 材料的物性 191
8.1.2 经典统计与量子统计 193
8.2 固态电子理论 198
8.2.1 金属自由电子理论 198
8.2.2 能带概念的引入 199
8.2.3 布里渊区与能态密度 202
8.3.1 简谐近似 205
8.3 晶格振动理论 205
8.3.2 爱因斯坦模型与德拜模型 206
8.3.3 格波与晶格振动模 208
8.4 相互作用的电子体系 210
8.4.1 准粒子体系 210
8.4.2 强磁性与超导电性 211
8.4.3 强关联电子体系 214
参考文献 216
第9章 输运性质 217
9.1 金属与合金的输运性质 217
9.1.1 经典电导理论 218
9.1.2 量子电导理论简介 219
9.1.3 电导的实验研究 221
9.1.4 热电效应 223
9.2 半导体的输运性质 224
9.2.1 半导体的能带 225
9.2.2 载流子和费米能级 226
9.2.3 迁移率和散射 230
9.2.4 霍尔效应 231
9.2.5 p-n结 233
9.2.6 金属与半导体接触 235
9.2.7 光电导与光伏效应(太阳能电池) 238
9.2.8 晶体管 239
9.2.9 量子半导体器件 242
9.3 聚合物、非晶态材料等的输运性质 244
9.3.1 导电聚合物 244
9.3.2 非晶态半导体 248
9.3.3 离子晶体 251
参考文献 253
第10章 磁学性质 254
10.1 材料磁性来源与分类 255
10.1.1 原子磁矩 255
10.1.2 材料磁性概述和分类 258
10.2.1 铁磁有序 264
10.2 磁有序与交换作用 264
10.2.2 反铁磁和亚铁磁性 268
10.2.3 交换作用 272
10.2.4 强磁材料的本征性能 277
10.3 强磁材料的磁畴与磁化 280
10.3.1 影响磁畴结构的能量 280
10.3.2 强磁体中的磁畴结构 283
10.3.3 磁化曲线与磁滞回线 285
10.4.1 磁化进动及转动 290
10.4.2 张量磁化率和铁磁共振 291
10.4.3 自旋波共振 292
10.4.4 磁化与反磁化的动态过程 293
10.5 强磁材料及应用 295
10.5.1 强磁材料按组成与结构的分类 295
10.5.2 强磁材料的应用 296
10.6 巨磁电阻效应和磁电子学 303
10.6.1 磁电阻和巨磁电阻 303
10.6.2 自旋相关导电 304
10.6.3 磁电子学和巨磁电阻的应用 308
参考文献 310
第11章 铁电性质 311
11.1 电介质的极化与铁电性 311
11.1.1 电介质的极化 311
11.1.2 自发极化与铁电性 314
11.2 压电性与热释电性 323
11.2.1 压电性与压电材料 323
11.2.2 热释电性与热释电材料 330
参考文献 332
第12章 超导电性质 333
12.1 引言 333
12.2.1 零电阻效应 334
12.2 超导电性的基本特征 334
12.2.2 迈斯纳效应 336
12.2.3 超导体临界参数 337
12.3 超导体的热力学性质 338
12.3.1 自由能 338
12.3.2 熵 340
12.3.3 潜热 340
12.3.4 比热容 340
12.4.1 二流体模型 341
12.4 迈斯纳态的电磁性质 341
12.3.5 超导能隙 341
12.4.2 London理论 342
12.4.3 G-L理论 344
12.4.4 相干长度 345
12.4.5 表面能 346
12.4.6 磁通量子化 347
12.5 第二类超导体 348
12.6 超导隧道效应 350
12.7 超导电性的微观图像 352
12.7.1 实验和理论的启示 353
12.7.2 电子-声子机制 355
12.7.3 Cooper对 355
12.7.4 BCS理论图像 356
12.8.1 强磁砀超导材料 357
12.8 超导材料 357
12.8.2 超导电子材料 358
12.8.3 高温超导材料 359
参考文献 362
第13章 光学性质 363
13.1 光波在线性介质中的传播 363
13.1.1 光波在均匀的各向同性电介质中的传播 364
13.1.2 光波在导体中的传播 365
13.1.3 光波在各向异性介质中的传播 365
13.1.4 光波在平面介质薄膜波导中的传播 370
13.1.5 光波在光纤中的传播 372
13.1.6 光波在光子晶体中的传播 374
13.2 光发射 376
13.2.1 光的自发辐射和受激跃迁 377
13.2.2 激光产生的原理 379
13.2.3 典型的三能级和四能级激光系统 381
13.2.4 Nd:YVO4和半导体激光器 382
13.2.5 一种新的激光发射机理与材料--纳米硅发光 386
13.3 激光频率变换 387
13.3.1 非线性极化 387
13.3.2 块状晶体中的光频变换 389
13.3.3 光学超晶格中的光频变换 393
13.4 非线性折射率与非线性吸收 397
13.4.1 非线性折射率 397
13.4.2 非线性吸收 403
参考文献 407
第14章 力学性质 409
14.1 弹性与广义弹性 410
14.1.1 弹性参量 410
14.1.2 常规弹性的物理本质 413
14.1.3 高弹性的物理本质 415
14.1.4 粘弹性 417
14.2.1 晶体的理论屈服强度 419
14.2 塑性形变与粘性流变 419
14.2.2 晶体塑性形变的几何学与结晶学关系 423
14.2.3 塑性流变--从低温到高温 426
14.2.4 高聚物粘性流变 430
14.3 断裂 437
14.3.1 理论断裂强度 437
14.3.2 格里菲斯裂纹理论 438
14.3.3 脆性与韧性 441
14.4.1 金属材料的强化 442
14.4 材料的强化和增韧 442
14.4.2 陶瓷材料的增韧 449
14.4.3 复合材料 453
参考文献 455
第3篇 材料制备的科学基础 457
第15章 材料制备的概述 457
15.1 材料合成与加工的意义和内涵 457
15.2 基于液相-固相转变的材料制备 458
15.2.1 从熔体制备单晶材料 458
15.2.2 从熔体制备非晶材料 459
15.2.3 溶液法材料制备 460
15.2.4 溶胶-凝胶法 461
15.3.1 固相反应法制备粉末 463
15.3 基于固相-固相转变的材料制备 463
15.3.2 陶瓷成型和烧结 464
15.3.3 固相外延 465
15.3.4 高压制备 465
15.4 基于气相-固相转变的材料制备 466
15.4.1 真空蒸发镀膜 466
15.4.2 溅射和激光脉冲沉积 467
15.4.3 化学气相沉积 469
15.4.4 分子束外延 470
参考文献 475
第16章 相图原理 476
16.2 杠杆定律 478
16.3 单元体系的温度～压力图(P-T图) 479
16.4.1 匀晶相图 480
16.4 二元相图 480
16.4.2 共晶相图与包晶相图 482
16.4.3 具有中间化合物的相图 484
16.4.4 偏晶相图与综晶相图 486
16.5 三元相图 487
16.5.1 三元相图的表示法 487
16.5.2 三元相图的分类 493
参考文献 499
第17章 固体中的扩散、化学反应与烧结 502
17.1 固体中的扩散 502
17.1.1 扩散的基本特点与唯象理论 502
17.1.2 质点迁移的微观机构与扩散系数 509
17.1.3 扩散的热力学理论 514
17.1.4 短路扩散与非平衡态下点缺陷的扩散 517
17.1.5 带电质点的扩散行为 520
17.1.6 金属中的电迁移和热迁移 521
17.2 固相化学反应 522
17.2.1 固相反应动力学的基本特征 522
17.2.2 固相反应动力学方程 523
17.2.3 影响固相反应的因素 529
17.3 固态烧结 532
17.3.1 固态烧结的初期动力学 533
17.3.2 固态烧结中、后期动力学模型 536
17.3.3 烧结过程中的晶粒生长与二次再结晶 537
17.3.4 液相烧结和热压烧结 539
参考文献 540
第18章 相变的基本原理 541
18.1.1 重构型相变和位移型相变 542
18.1 相变的基本结构特征 542
18.1.2 马氏体型相变 544
18.1.3 有序-无序相变 545
18.1.4 其他形式相变 546
18.2 相变热力学 548
18.2.1 重要的热力学函数 548
18.2.2 一级相变与高级相变 549
18.2.3 朗道相变理论简介 552
18.2.4 朗道理论的推广 554
18.3 固态相变动力学 555
18.3.1 新相胚核形成过程 555
18.3.2 胚核生长和粗化过程 562
18.3.3 相变动力学速率形式理论 568
18.3.4 成核-生长和失稳分解过程 575
18.3.5 失稳分解的动力学方程 579
18.4 结语 584
参考文献 586
第19章 薄膜的外延生长 587
19.1 外延的基本物理过程 587
19.1.1 基本概念 587
19.1.2 表面成核 589
19.1.3 表面动力学 592
19.1.4 外延界面的结构 593
19.2 同质外延 595
19.2.1 同质外延的生长模式 595
19.2.2 杂质分凝与控制 596
19.2.3 Si和GaAs的同质外延 596
19.3.1 异质外延系统的结构与分类 597
19.3 异质外延 597
19.3.2 应变层的稳定性 600
19.3.3 异质外延的生长模式 601
参考文献 602
第20章 生长界面的稳定性--枝晶生长和分形生长 603
20.1 引言 603
20.2 生长界面的稳定条件 605
20.2.1 温度梯并对界面稳定性的影响 605
20.2.2 浓度梯度对界面稳定性的影响 606
20.2.3 界面能对界面稳定性的影响 608
20.2.4 平界面的失稳条件 608
20.3 枝晶生长 611
20.3.1 控制枝晶生长的几个物理因素 612
20.3.2 枝晶主干的生长--针状晶体的生长 614
20.4.1 分形形态的表征 618
20.4 分形的概念和分形聚集 618
20.4.2 由扩散控制的分形聚集过程 620
20.4.3 界面能对聚集形态的影响 622
参考文献 623
第21章 软物质的自组织 624
21.1 引言 624
21.1.1 什么是软物质 624
21.1.2 软物质怎样表现 627
21.2 自组织的原理和控制 628
21.2.1 自组织趋向有序途径 628
21.2.2 软物质自组织的形式 630
21.2.3 控制和设计自组织形貌的途径 639
21.3.1 软物质复相分离的热力学 641
21.3 软物质的复相分离 641
21.3.2 软物质复相分离的动力学 648
21.4 结语：自组装的基本问题和研究前沿 650
参考文献 653
第4篇 展望 654
第22章 材料表征及其进展 654
22.1 性能检测 654
22.2 显微组织分析原理 655
22.2.1 电子与样品相互作用 655
22.2.2 X射线与物质的相互作用 657
22.2.3 离子束分析 658
22.2.4 中子衍射与小角度中子散射 659
22.3.2 结构测定 660
22.3.1 形貌观察 660
22.3 显微结构表征 660
22.3.3 化学组分分析 662
22.4 从材料出发的综合分析 664
22.5 材料性能与组织表征技术发展展望 665
22.5.1 分析技术的交叉与综合 665
22.5.2 分析结果的定量化与可视化 666
22.5.3 低维材料制备与分析测试结合 667
参考文献 668
第23章 材料设计及其进展 669
23.1 什么是材料设计 669
23.2 材料设计的发展概况 670
23.2.1 前期研究的回顾 670
23.2.2 当前面临的挑战 671
23.3 材料设计的范围与层次 672
23.4 材料设计的主要途径 674
23.4.1 材料知识库和数据库技术 674
23.4.2 材料设计专家系统 676
23.4.3 材料设计中的计算机模拟 677
23.4.4 基于第一性原理的计算 679
23.5 基于第一性原理的主要计算方法 680
23.5.1 密度泛函理论 681
23.5.2 准粒子方程，GW近似 682
23.5.3 Car-Parrinello方法 684
23.6 国外研究动态与展望 685
23.6.1 1995年美国NRC的专门报告 685
23.6.2 美国能源部的SSI计划 690
23.6.3 美国西北大学SRG的工作 693
23.7 我国材料设计研究的进展概况 694
参考文献 695
第24章 计算相图及其进展 697
24.1 相图计算的基本原理--Gibbs法则 699
24.2 纯物质的自由能--点阵稳定性常数 700
24.2.1 温度关系模型 700
24.2.2 压力关系模型 701
24.2.3 纯组元相图的计算 701
24.3 热力学模型 702
24.3.1 二元化学计量比相的热力学模型 702
24.3.2 替换溶液模型 702
24.3.3 准化学模型 705
24.3.4 缔合物模型 705
24.3.6 亚点阵模型 707
24.3.5 团簇变分法(CVM法) 707
24.4 相图优化和计算过程 716
24.5 材料优化设计实例--双相不锈钢的成分设计 716
参考文献 721
第25章 材料前沿的若干问题 723
25.1 科学、技术与材料 723
25.1.1 技术对材料研制的促进 723
25.1.2 当代技术的挑战与机遇 724
25.2 新材料发展的主要动向 727
25.2.1 开拓超微结构的领域 727
25.2.2 探测电子关联体系中的宝藏 732
25.2.3 开拓有机材料的新领域 735
25.3 结语 740
参考文献 741