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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 键合17

1.1.1 原子结构和周期表17

1.1.2 高子键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

第2章 晶态47

2.1 周期结构和点阵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

3.4.2 向列相和胆甾相91

3.4.3 近晶相和柱状相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

第6章 表面与界面135

6.1 晶体的表面135

6.1.1 晶体外形与表面微观形貌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 李晶界面152

6.3.1 反映李晶界面152

6.3.2 旋转李晶界面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

第7章 多层次与非均质材料168

7.1 非均质材料168

7.1.1 概述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 支高破碎世界的描述186

7.3.2 物质结构中的分形188

参考文献190

第2篇 材料的物性191

第8章 理解物性的基本概念191

8.1 量子特征191

8.1.1 波粒二象性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 晶格振动理论205

8.3.1 简谐近似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 磁有序与交换作用264

10.2.1 铁磁有序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 磁化动力学与铁磁共振290

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 超导电性的基本特征334

12.2.1 零电阻效应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

12.3.5 超导能隙341

12.4 迈斯纳态的电磁性质341

12.4.1 二流体模型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 超导材料357

12.8.1 强磁场超导材料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 塑性形变与粘性流变419

14.2.1 晶体的理论屈服强度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 材料的强化和增韧442

14.4.1 金属材料的强化442

14.4.2 陶瓷材料的增加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 基于固相-固相转变的材料制备463

15.3.1 固相反应法制备粉末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

16.1 吉布斯相律477

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 二元相图480

16.4.1 匀晶相图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 因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 相变的基本结构特征542

18.1.1 重构型相变和位移型相变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 异质外延597

19.3.1 异质外延系统的结构与分类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 温度梯度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 分形的概念和分形聚集618

20.4.1 分形形态的表征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 软物质的复相分离641

21.3.1 软物质复相分离的热力学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 显微结构表征660

22.3.1 形貌观察660

22.3.2 结构测定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

24.3.5 团簇变分法（CVM法）707

24.3.6 亚点阵模型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