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| 內容簡介： |
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材料物理是物理学和材料学的交叉学科。本教材力图从物理角度说明材料的微观结构、组织、基本粒子运动和性能之间的关系，讲述基本机理机制，注重强化基础性和前沿性的结合。全书共分 8章，第 1章从量子力学出发，解析波函数、统计方法和能带理论；第 2章分析晶体缺陷类型及其对性能的影响；第 3章探讨晶格振动与热力学特性；第 4章分类讨论磁性机理；第 5章对比金属与半导体的导电机制；后三章分别涉及介电、铁电和纳米材料特性。全书以“结构 -性能”关系为主线，每章均包含理论推导、现象解释和实际应用，并配有小结与思考题。本书为高等学校材料科学与工程、材料物理、材料化学、功能材料等专业的本科生、研究生教材，也可供有关科技人员参考。
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| 關於作者： |
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刘勇，男 ，哈尔滨工业大学教授，材料学博士生导师，主要从事合金相变理论与应用、材料机器学习和多尺度计算模拟及高熵合金设计研究。主持和承担国家自然科学基金、国家科技重大专项、“973”专题等各类科研项目20余项，发表科研论文170余篇，SCI检索130余篇，编写专著、教材7部，申请和授权国家发明专利30余项，获省部级科技奖励2项。先后讲授10余门主干课程，累计3500余学时，国家本科一*流课程负责人，黑龙江省本科一*流课程负责人，获黑龙江省高等教育教学成果奖5项，哈工大校教学成果奖8项，发表教学论文20篇，指导10余名同学在国家*级大赛中获奖，指导10名（本）研究生校优秀毕业生/校优秀学位论文。
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| 目錄：
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绪论 1
第1章 材料的电子理论 4
1.1 波函数和薛定谔方程 4
1.1.1 波粒二象性 4
1.1.2 波函数 5
1.1.3 费米子和玻色子 6
1.1.4 薛定谔方程 7
1.2 经典统计和量子统计 8
1.2.1 玻尔兹曼经典统计 8
1.2.2 费米-狄拉克统计 8
1.2.3 玻色-爱因斯坦统计 9
1.3 自由电子论 9
1.3.1 量子自由电子基本假设 9
1.3.2 自由电子的能量状态 10
1.3.3 周期性边界条件和波矢取值 11
1.3.4 能态密度 12
1.3.5 基态与费米能 12
1.3.6 激发态 14
1.4 能带理论 16
1.4.1 能带理论基本假设和单电子薛定谔方程 16
1.4.2 布洛赫定理 17
1.4.3 波矢k的取值和波矢密度 17
1.4.4 能带结构 18
1.4.5 布洛赫电子等能面和能态密度 20
1.4.6 准经典近似 23
1.4.7 导体、半导体和绝缘体的
能带论解释 25
本章小结 28
思考题 29
第2章 缺陷物理 30
2.1 晶体结构的缺陷 30
2.1.1 点缺陷 30
2.1.2 线缺陷 31
2.1.3 面缺陷 31
2.2 点缺陷的类型及缺陷反应 31
2.2.1 本征缺陷 32
2.2.2 杂质缺陷 32
2.2.3 电子缺陷 32
2.3 缺陷平衡 33
2.3.1 吉布斯自由能判据 33
2.3.2 点缺陷浓度 33
2.3.3 点缺陷对材料性能的影响 34
2.4 点缺陷的扩散 35
2.4.1 扩散方程和扩散系数 36
2.4.2 自扩散的微观机制 37
2.5 离子晶体的点缺陷 39
2.5.1 离子晶体中的点缺陷 39
2.5.2 色心 39
2.6 位错 40
2.6.1 位错类型 40
2.6.2 位错能 41
2.6.3 位错滑移与塑性变形 42
2.6.4 位错对晶体性质的影响 43
本章小结 45
思考题 45
第3章 热性物理 46
3.1 晶格振动及能量 46
3.1.1 晶格振动与声子 46
3.1.2 模式密度 47
3.2 材料的热容 48
3.2.1 比热容的概念 49
3.2.2 热容一般表达式 49
3.2.3 爱因斯坦理论 50
3.2.4 德拜理论 51
3.3 材料的热传导 53
3.3.1 晶格振动的非简谐效应 53
3.3.2 倒逆散射与热传导 53
3.3.3 热导率与温度的关系 54
3.4 材料的热膨胀 56
3.4.1 热膨胀的定义 56
3.4.2 热膨胀的微观机理 56
3.4.3 实际材料的热膨胀 57
本章小结 59
思考题 59
第4章 磁性物理 61
4.1 磁学基本量与材料磁性分类 61
4.1.1 磁学基本量 61
4.1.2 材料的磁性分类 63
4.2 原子（离子）的磁性 63
4.3 抗磁性及顺磁性 66
4.3.1 抗磁体 66
4.3.2 顺磁体 67
4.4 铁磁性 69
4.4.1 铁磁性的概念 69
4.4.2 外斯磁场理论 71
4.4.3 海森堡电子交换理论 71
4.5 反铁磁性及亚铁磁性 73
4.5.1 反铁磁性 73
4.5.2 反铁磁性的唯象理论 74
4.5.3 反铁磁性交换作用 75
4.5.4 亚铁磁性 75
4.6 磁畴与技术磁化 78
4.6.1 磁畴的形成 78
4.6.2 磁晶各向异性能 78
4.6.3 技术磁化 79
本章小结 80
思考题 81
第5章 导电物理 82
5.1 载流子及其迁移 82
5.2 金属导电 84
5.2.1 金属导电理论 84
5.2.2 金属电导率和温度的关系 86
5.3 半导体的电导 87
5.3.1 本征半导体的能带结构 88
5.3.2 典型半导体的能带结构 88
5.3.3 半导体的本征光吸收 90
5.3.4 电子的有效质量和空穴 90
5.3.5 杂质（掺杂）半导体 92
5.3.6 本征半导体热平衡载流子的统计分布 94
5.3.7 杂质半导体的热平衡载流子 97
5.3.8 温度对载流子浓度的影响 98
5.3.9 半导体的电导率 98
5.4 p-n结 100
5.4.1 p-n结的平衡势垒 100
5.4.2 p-n结的整流特性和应用 101
5.4.3 p-n结的光生伏特效应 102
5.4.4 p-n结的光发射 103
5.5 材料的离子电导 103
5.5.1 离子导电理论 103
5.5.2 离子电导与扩散 105
5.5.3 离子导电的影响因素 106
5.6 快离子导体 106
5.6.1 快离子导体简介 106
5.6.2 立方稳定氧化锆 107
本章小结 108
思考题 109
第6章 电介质物理 110
6.1 静电场中的电介质行为 110
6.1.1 电容和介电常数 110
6.1.2 电介质极化机制 113
6.1.3 宏观极化强度和微观极化率的关系 116
6.2 交变电场中电介质行为及介质损耗 117
6.2.1 复介电常数与介质损耗 117
6.2.2 电介质弛豫和频率响应 119
6.2.3 介电损耗分析 120
6.3 固体电介质的电导与击穿 121
6.3.1 介电强度 121
6.3.2 介电强度影响因素 122
本章小结 123
思考题 123
第7章 铁电物理 125
7.1 压电性能 125
7.1.1 压电效应与压电材料 125
7.1.2 压电效应产生机制 127
7.1.3 常见的压电材料及应用 128
7.2 热释电性能 129
7.2.1 热释电效应 129
7.2.2 热释电效应产生机制 130
7.3 铁电相变与晶体的结构变化 130
7.3.1 铁电效应与铁电体 130
7.3.2 铁电效应微观机制 132
本章小结 133
思考题 134
第8章 纳米物理 135
8.1 纳米颗粒的基本效应 135
8.1.1 量子尺寸效应 135
8.1.2 小尺寸效应 137
8.1.3 表面效应 137
8.1.4 宏观量子隧道效应 138
8.1.5 库仑堵塞效应与量子隧穿效应 138
8.1.6 介电限域效应 139
8.1.7 量子限域效应 139
8.2 纳米颗粒的物理特性 140
8.2.1 纳米微粒的热学性能 140
8.2.2 纳米微粒的光学性能 143
8.2.3 纳米微粒的电学性能 145
8.2.4 纳米微粒的磁学性能 148
8.3 纳米微粒的力学特性 151
8.3.1 弹性模量 151
8.3.2 纳米金属的强度 152
8.3.3 纳米金属的塑性 152
8.3.4 超塑性 152
本章小结 153
思考题 154
参考文献 155
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| 內容試閱：
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材料是人类社会进步的物质基础，高等教育中材料科学是非常重要的一个领域。材料物理是介于物理学与材料学之间的一门学科，旨在利用物理学基础理论来阐明材料的物理性能和转变过程。要深入理解材料及其相关性能，必须深入了解材料内部的电子运动和状态、杂质和缺陷、相结构等，并将材料的各种性能提高到微观理论的高度。因此，材料物理的发展对于新材料研发和性能提升意义重大。
材料物理作为材料学和物理学的交叉学科，内容繁多，概念抽象，数理推导较多，学习难度较大。同时，各领域新材料飞速发展，新理论、新成果层出不穷。针对此，有必要编写一本可读性高、能够将基础性和前沿性知识有机结合的教材。编者编写本教材的初衷也在此。
本教材从物理学的基本概念和原理出发，解释材料在特定外界条件下的物理现象和效应。教材涉及量子力学基础、金属电子论、能带理论、半导体、固体磁性，以及材料的热、电、磁等性能。这些内容构成了材料物理学科的核心知识体系。教材共分 8章。第 1章为材料的电子理论，为基础部分；第 2章到第 7章讲述材料缺陷物理、热性物理、磁性物理、导电物理、电介质物理和铁电物理；鉴于近年来纳米材料和纳米领域技术的飞速发展，纳米技术已被列为国家战略性新兴领域，第 8章特别介绍了纳米物理。
本教材特色之一是凸显内容高阶性。教材以现代量子力学和统计物理理论为基础，详细论述材料的缺陷、热学、磁学、导电和电介质理论。专门设立第 1章“材料的电子理论”，讲述量子力学和统计物理基础概念和思想，介绍自由电子论和能带理论；同时，在纳米物理部分，吸纳了纳米领域最新研究成果。特色之二是本教材面向材料及相近学科非物理背景学生定制化编写。材料物理基于量子力学和现代固体物理理论，概念抽象，数理公式繁多，推导复杂，因此对于非物理类的材料学科学生来说，学习难度很大。本教材在编写时，简化公式推导，强化概念和物理图像的讲述。
本教材由刘勇、黄陆军和耿林编写。本教材被纳入战略性新兴领域“十四五”高等教育系列教材，深感荣幸并责任重大。同时，本书在编写过程中得到哈尔滨工业大学、化学工业出版社、武汉理工大学等的支持和帮助，在此一并表示感谢。
由于编者水平有限，书中不妥之处在所难免，恳请读者批评指正！
编者
2024年11月
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