材料物理
孙志刚
2005-2006第二学期
孙志刚简历
2005年四月回国，就职于武汉理工大学材料复合
新技术国家重点实验室。
1997年于武汉大学获理学硕士学位
2000年于中国科学院物理所磁学国家重点实验室
获博士学位
2000－ 2002年间获德国宏堡奖学金资助，在德国
莱布尼兹固体材料研究所做博士后
2002－ 2005年间在日本产业技术综合研究所纳米
技术研究部门任, 科学振兴会（ JSPS ）, 特别
研究员,SYNAF特别研究员。
1991年于北京科技大学获理学学士学位
J,Eckert 教授
德国－德累斯顿
NPPP小组－日本筑波
从事凝聚态物理物理、材料科学等方面科学研究。
研究方向主要有稀土 —过渡族金属间化合物、新
型稀土永磁材料、大块非晶、磁性薄膜和磁电子
学、半导体异质材料、纳米技术等方面的科学研
究。目前在 SCI收录的国际学术杂志上发表论文 50
篇左右（其中署名第一作者的论文有 28篇,署名第
二作者的论文有 9篇），这些杂志包括 Appl,
Phys,Lett.,,J,Appl,Phys.,,IEEE Trans,
Magn.,,J,Magn.Magn.Mater,等。发表国际国
内会议文章共 23篇,其中第一作者共 14篇。
“The magnetoresistive switch device
with the highest magnetoresistance
ratio,10000%@RT”在 2003年东京举行的
,nanotech 2003+Future”评为
,highlight”。在硅基底在制备新型的纳米
和微米级多孔硅 /氧化硅结构的工作已经申请
日本和美国专利。获德国宏堡奖学金、日本
“科学振兴会（ JSPS ）”奖学金和丸文财
团交流助成赏。
欢迎加入我的课题组，
报考研究生！
目前研究方向,
?磁性材料
?铁磁铁电复合功能材料
?自旋电子学
Mail:sun_zg50@
yahoo.com.cn
Tel:13986057649
第一讲 绪论
1.1材料物理学的定义
1.3材料物理学的研究范围
1.2材料物理学的特点
1.4材料物理学的研究手段
材料物理
材料物理是研究物质的 微观结构、组织
形式、运动状态、物理性能、化学成
分 以及它们之间相互关系的学科。
材料物理是物理学和材料学之间的交叉学科。
1.1材料物理学的定义
它旨在利用物理中的一些学科的成果来阐明
材料中的种种规律和转变过程。
材料性能
物理学模型
物理学概念、原理等
物理
科学
材料
科学
材料
物理
1.1材料物理学的定义
从物理学的一些基本概念、基本原理、基本定律出
发，并建立相应的物理模型，力图阐述材料本身的
结构、性质和它们在各种外界条件下发生的变化及
其变化规律，得出结论，进而指导材料的生产和科
学研究。
能源材料
金属材料
无机非金属材料
光电材料
有机高分子材料
智能材料
生物材料 生态环境材料
复合材料
单晶
多晶
非晶 准晶
液晶
建筑材料
航空航天材料
结构材料
功能材料
信息材料
1.1材料物理学的定义
材料种类繁多
传感器件
半导体芯片
半导体技术
液晶材料
光学材料
金属材料
磁性材料
移动通讯
数码拍照
拍照功能
显示功能
金属外壳
信号接受 对话功能
电子线路
照片存储
功能材料 介电材料
1.1材料物理学的定义 材料无处不在
“新材料, 与, 高技术, 。
所谓, 新材料,,就是那些新出现或已在发展中
的，在成分、组织、结构、形态等方面不同于普
通材料，具有传统材料所不具备的优异性能和特
殊功能的材料。
所谓, 高技术,,就是采用新材料、新工艺，产
生更高效益，能促进人类社会更快进步的技术。
高技术引入大量新材料，二者相辅相成。其中一
个最突出的例子是：半导体材料及大规模集成电
路技术的不断突破，使电子计算机的体积越来越
小，能力却成千上万倍地提高。
1.1.1材料是社会进步的物质基础与先导。
人类的历史曾以使用的主要材料来加以划分
,
如 石器时代, 青铜器时代, 铁器 (钢铁 )
时代 等等。
目前人类正进人信息社会，材料、能源和信息技
术是当前国际公认的新技术革命的二大支柱。
1.1材料物理学的定义
材料科学的形成是金属材料、无机非金属材
料、有机高分子材料各学科发展过程的殊途
同归。也就是说，构成工程材料的结构材料
和功能材料有着共同的学科基础，这个学科
就是材料科学。显然，材料科学已成为一门
独立的学科以及各组成学科的聚集体。
材料种类类型、材料加工工艺以及各种材
料之间相互有机联系而形成的材料科学，
就广义而言，三者构成了材料学。
1.1.2材料的分类
材料可分为 单晶、多晶、非晶、准晶和液晶
材料则可分为 无机材料与有机材料 。
材料可分为 信息材料、能源材料、生物材料、建筑
材料、航空航天材料 等。
材料可分为 结构材料和功能材料 。
按状态分,
从化学的角度,
从应用来看,
根据材料的用途,
1.1材料物理学的定义
材料有共通性
制备、使用过程中现象、概念、转变相似。
单晶 多晶 非晶 准晶
结构、缺陷行为 平衡热力学
扩散、界面结构与行为
材料相变机理
电子迁移及电性能
从物理学的角度，从微观的角度来阐述材料中
的种种规律是很重要的。
1.1材料物理学的定义
高性能陶瓷
高纯金属
生物工程
薄膜
纳米材料
半导体
超导体
聚合物
材料工程
1.1.3 什么是材料工程？
1.1材料物理学的定义
材料工程更注重实际，主要论及材料的加工工艺。
目前，它已变成一门极复杂的技艺
材料物理和材料科学的关系
3.材料物理的基本研究指导材料的生产应
用。
1.2材料物理学的特点
1.息息相关、相互促进和共同发展
2.材料物理研究课题来源于材料、对象也
是材料，都是生产、科研中提出来的新问
题。
一方面，材料物理所研究的一些主要课题
往往是从生产实践中提出来的
举例 1,
?金属材料：强度、范性
?低维材料，薄膜材料（ 2维）、纳米线
（ 1维）纳米点（ 0维），尺寸效应。
?陶瓷：烧结体，烧结技术，微结构
1.2材料物理学的特点
?由于工艺上的突破并实现连续生产的“金
属玻璃”，因而金属玻璃的力学性质、磁
性、超导电性等实际问题的研究也就随之
提出；
?由于电子技术、激光、红外技术的需要，
研究电介质材料就由研究绝缘体的四大参
数逐步扩展到研究物质的电极化过程；
?为了发展耐高温的材料，推动了对于金
属或陶瓷的高温强度、高温蠕变、氧化及
扩散的研究等等。
举例 2,
另一方面，将材料物理的基本研究成
果应用到生产实践中去，也会发挥很
大的作用
?再结晶结构的研究显著地改进了硅钢片
的质量
?利用非晶硒的光导特性的研究成果，
发展了新的静电复印技术；
?集成铁电学的研究，促进了铁电存储
器的实际应用开发。
举例,
材料科学的研究导致新的物理学现象
研究材料的性质在各种外界条件（ 力、
热、光、气、电、磁、辐照、极端
条件等 ）下发生的变化。发现到新的物
理现象和效应、规律、形成新的概念。
比如铁电、热释电、压电、电致伸缩等
效应。
材料物理是物理和材料的交叉学科
1.2材料物理学的特点
材料物理是介于物理学与材料学之间的一门
边缘学科，它的基础牵涉到许多不同的学科，
诸如 晶体学、材料力学、物理化学、材
料科学基础、材料物理性能,以及物理学
中的一些分支（ 热力学、弹塑性理论、统
计物理、量子力学、固体物理学 ）等。
就是说，它是利用了这些学科的成果，形成了
以诸种材料为对象的一门独立的综合性的物理
学科。
晶体学揭示材料的微观组织结构
材料科学有助于研究材料的内在联系
1.2材料物理学的特点
量子力学、统计物理及弹性力学方法帮
助我们理解材料中的电子、原子以及各
种晶体缺陷的运动规律和它们之间的交
互作用；
固体物理学提供了原子键合、原子振动、
电子结构、能带结构等的基础知识。
1.2材料物理学的特点
热力学、物理化学、材料力学、材料物
理性能可以用来阐明材料一些宏观的规
律和材料特性。
好的试验结果要有好的理论来解释。
一个试验现象应该有一个相应的理论
解释才是完美的。
为什么？ 是什么？
材料学 物理学
金属物理学，半导体物理学、电介质物理
学、铁电物理学、磁学、非晶态物理学、
高分子物理学、薄膜物理学等。
材料物理的范围
1.3材料物理学的研究范围
每一个材料学的分支都相应的有相应的材
料物理学分支
材料物理是物理研究中的重要领域。
比如超导体、半导体、永磁材料。也
是物理中发展最快的领域。
1.3材料物理学的研究范围
1.4 材料物理和物理学的实验测试技术
X射线技术－ XRD
扫描电镜－ SEM
透视电镜－ TEM
高分辨率透视电镜－ HREM
场离子显微镜－ FIM
远红外光谱－ IR
核磁共振－ NMR 电子顺磁共振谱－ ESR
X光荧光谱－ XPS
拉曼光谱－ Raman
1.4材料物理学的研究手段
扫描探针显微镜－ SPM
材料物理作为物理学的一个分支，其发展
与物理学的实验技术和基本理论的进展密
切相关。物理学的新技术和新理论，将会
极大地促进材料物理领域的发展。
在实验技术上,XRD,SEM,TEM,HREM、
FIM,XPS,IR,Raman光谱,ESR,NMR
等现代测试方法的应用，为材料研究开辟了新
天地。
在理论方面，量子力学在材料物理理论中所
起的促进作用是人所共知的。
回顾材料发展和材料研究的历史，尤其是
20世纪乃至最近二三十年出现的材料（市
场已出现的材料，或通过专利、论文和材
料会议报道即将问世的材料），以及材料
科学研究成果，可以归纳、总结出材料学
与物理学是有密切联系的。
因此，从物理学的角度说明材料，即形成
材料物理学科，显然是顺理成章的。
材料物理作为一门学科，其中的一个基本
任务是关注新材料、高技术的发展，以力
图从其中总结归纳出新的物理现象、效应、
模型或图像。同时，材料物理本身也在不
断发展中，如金属物理、半导体物理、电
介质物理、非晶态物理、高分子物理、薄
膜物理等等，其研究成果往往会揭示出一
些新的物理概念和规律。
上述这些意味着在应用、开发上蕴藏着
巨大的潜力，如研制出新材料、新的元
件或器件；或有可能开辟出新的技术领
域。从这个意义上看，材料物理将为研
制高技术材料打下牢固的物理基础。
主要介绍 金属结构理论、缺陷物理、
材料强化、导电物理基础、材料的介
电行为、铁电物理、磁性物理,材料
的相变,非晶态物理,高分子物理 和
低维材料结构。
材料物理课的主要内容
,材料物理,
主 编：王国梅,万发容
出版社：武汉理工大学
出版或修订时间,2004.8
推荐教材,
参考书,
,电介质物理, 主 编,张
良莹、姚熹
,半导体物理基础, 主 编,黄昆、韩汝琦
,金属物理学, 主 编：冯瑞
,材料物理导论, 主 编：杨尚林
,无机材料物理性能, 主 编：吴振铎
作业
2。联系以前学习和遇到过的材料，讨论
一下它可能遇到的物理问题。
1。选一种日常用的电器、通讯设备等，指
出它包括那几种材料以及这些电器今后的
前景。
孙志刚
2005-2006第二学期
孙志刚简历
2005年四月回国，就职于武汉理工大学材料复合
新技术国家重点实验室。
1997年于武汉大学获理学硕士学位
2000年于中国科学院物理所磁学国家重点实验室
获博士学位
2000－ 2002年间获德国宏堡奖学金资助，在德国
莱布尼兹固体材料研究所做博士后
2002－ 2005年间在日本产业技术综合研究所纳米
技术研究部门任, 科学振兴会（ JSPS ）, 特别
研究员,SYNAF特别研究员。
1991年于北京科技大学获理学学士学位
J,Eckert 教授
德国－德累斯顿
NPPP小组－日本筑波
从事凝聚态物理物理、材料科学等方面科学研究。
研究方向主要有稀土 —过渡族金属间化合物、新
型稀土永磁材料、大块非晶、磁性薄膜和磁电子
学、半导体异质材料、纳米技术等方面的科学研
究。目前在 SCI收录的国际学术杂志上发表论文 50
篇左右（其中署名第一作者的论文有 28篇,署名第
二作者的论文有 9篇），这些杂志包括 Appl,
Phys,Lett.,,J,Appl,Phys.,,IEEE Trans,
Magn.,,J,Magn.Magn.Mater,等。发表国际国
内会议文章共 23篇,其中第一作者共 14篇。
“The magnetoresistive switch device
with the highest magnetoresistance
ratio,10000%@RT”在 2003年东京举行的
,nanotech 2003+Future”评为
,highlight”。在硅基底在制备新型的纳米
和微米级多孔硅 /氧化硅结构的工作已经申请
日本和美国专利。获德国宏堡奖学金、日本
“科学振兴会（ JSPS ）”奖学金和丸文财
团交流助成赏。
欢迎加入我的课题组，
报考研究生！
目前研究方向,
?磁性材料
?铁磁铁电复合功能材料
?自旋电子学
Mail:sun_zg50@
yahoo.com.cn
Tel:13986057649
第一讲 绪论
1.1材料物理学的定义
1.3材料物理学的研究范围
1.2材料物理学的特点
1.4材料物理学的研究手段
材料物理
材料物理是研究物质的 微观结构、组织
形式、运动状态、物理性能、化学成
分 以及它们之间相互关系的学科。
材料物理是物理学和材料学之间的交叉学科。
1.1材料物理学的定义
它旨在利用物理中的一些学科的成果来阐明
材料中的种种规律和转变过程。
材料性能
物理学模型
物理学概念、原理等
物理
科学
材料
科学
材料
物理
1.1材料物理学的定义
从物理学的一些基本概念、基本原理、基本定律出
发，并建立相应的物理模型，力图阐述材料本身的
结构、性质和它们在各种外界条件下发生的变化及
其变化规律，得出结论，进而指导材料的生产和科
学研究。
能源材料
金属材料
无机非金属材料
光电材料
有机高分子材料
智能材料
生物材料 生态环境材料
复合材料
单晶
多晶
非晶 准晶
液晶
建筑材料
航空航天材料
结构材料
功能材料
信息材料
1.1材料物理学的定义
材料种类繁多
传感器件
半导体芯片
半导体技术
液晶材料
光学材料
金属材料
磁性材料
移动通讯
数码拍照
拍照功能
显示功能
金属外壳
信号接受 对话功能
电子线路
照片存储
功能材料 介电材料
1.1材料物理学的定义 材料无处不在
“新材料, 与, 高技术, 。
所谓, 新材料,,就是那些新出现或已在发展中
的，在成分、组织、结构、形态等方面不同于普
通材料，具有传统材料所不具备的优异性能和特
殊功能的材料。
所谓, 高技术,,就是采用新材料、新工艺，产
生更高效益，能促进人类社会更快进步的技术。
高技术引入大量新材料，二者相辅相成。其中一
个最突出的例子是：半导体材料及大规模集成电
路技术的不断突破，使电子计算机的体积越来越
小，能力却成千上万倍地提高。
1.1.1材料是社会进步的物质基础与先导。
人类的历史曾以使用的主要材料来加以划分
,
如 石器时代, 青铜器时代, 铁器 (钢铁 )
时代 等等。
目前人类正进人信息社会，材料、能源和信息技
术是当前国际公认的新技术革命的二大支柱。
1.1材料物理学的定义
材料科学的形成是金属材料、无机非金属材
料、有机高分子材料各学科发展过程的殊途
同归。也就是说，构成工程材料的结构材料
和功能材料有着共同的学科基础，这个学科
就是材料科学。显然，材料科学已成为一门
独立的学科以及各组成学科的聚集体。
材料种类类型、材料加工工艺以及各种材
料之间相互有机联系而形成的材料科学，
就广义而言，三者构成了材料学。
1.1.2材料的分类
材料可分为 单晶、多晶、非晶、准晶和液晶
材料则可分为 无机材料与有机材料 。
材料可分为 信息材料、能源材料、生物材料、建筑
材料、航空航天材料 等。
材料可分为 结构材料和功能材料 。
按状态分,
从化学的角度,
从应用来看,
根据材料的用途,
1.1材料物理学的定义
材料有共通性
制备、使用过程中现象、概念、转变相似。
单晶 多晶 非晶 准晶
结构、缺陷行为 平衡热力学
扩散、界面结构与行为
材料相变机理
电子迁移及电性能
从物理学的角度，从微观的角度来阐述材料中
的种种规律是很重要的。
1.1材料物理学的定义
高性能陶瓷
高纯金属
生物工程
薄膜
纳米材料
半导体
超导体
聚合物
材料工程
1.1.3 什么是材料工程？
1.1材料物理学的定义
材料工程更注重实际，主要论及材料的加工工艺。
目前，它已变成一门极复杂的技艺
材料物理和材料科学的关系
3.材料物理的基本研究指导材料的生产应
用。
1.2材料物理学的特点
1.息息相关、相互促进和共同发展
2.材料物理研究课题来源于材料、对象也
是材料，都是生产、科研中提出来的新问
题。
一方面，材料物理所研究的一些主要课题
往往是从生产实践中提出来的
举例 1,
?金属材料：强度、范性
?低维材料，薄膜材料（ 2维）、纳米线
（ 1维）纳米点（ 0维），尺寸效应。
?陶瓷：烧结体，烧结技术，微结构
1.2材料物理学的特点
?由于工艺上的突破并实现连续生产的“金
属玻璃”，因而金属玻璃的力学性质、磁
性、超导电性等实际问题的研究也就随之
提出；
?由于电子技术、激光、红外技术的需要，
研究电介质材料就由研究绝缘体的四大参
数逐步扩展到研究物质的电极化过程；
?为了发展耐高温的材料，推动了对于金
属或陶瓷的高温强度、高温蠕变、氧化及
扩散的研究等等。
举例 2,
另一方面，将材料物理的基本研究成
果应用到生产实践中去，也会发挥很
大的作用
?再结晶结构的研究显著地改进了硅钢片
的质量
?利用非晶硒的光导特性的研究成果，
发展了新的静电复印技术；
?集成铁电学的研究，促进了铁电存储
器的实际应用开发。
举例,
材料科学的研究导致新的物理学现象
研究材料的性质在各种外界条件（ 力、
热、光、气、电、磁、辐照、极端
条件等 ）下发生的变化。发现到新的物
理现象和效应、规律、形成新的概念。
比如铁电、热释电、压电、电致伸缩等
效应。
材料物理是物理和材料的交叉学科
1.2材料物理学的特点
材料物理是介于物理学与材料学之间的一门
边缘学科，它的基础牵涉到许多不同的学科，
诸如 晶体学、材料力学、物理化学、材
料科学基础、材料物理性能,以及物理学
中的一些分支（ 热力学、弹塑性理论、统
计物理、量子力学、固体物理学 ）等。
就是说，它是利用了这些学科的成果，形成了
以诸种材料为对象的一门独立的综合性的物理
学科。
晶体学揭示材料的微观组织结构
材料科学有助于研究材料的内在联系
1.2材料物理学的特点
量子力学、统计物理及弹性力学方法帮
助我们理解材料中的电子、原子以及各
种晶体缺陷的运动规律和它们之间的交
互作用；
固体物理学提供了原子键合、原子振动、
电子结构、能带结构等的基础知识。
1.2材料物理学的特点
热力学、物理化学、材料力学、材料物
理性能可以用来阐明材料一些宏观的规
律和材料特性。
好的试验结果要有好的理论来解释。
一个试验现象应该有一个相应的理论
解释才是完美的。
为什么？ 是什么？
材料学 物理学
金属物理学，半导体物理学、电介质物理
学、铁电物理学、磁学、非晶态物理学、
高分子物理学、薄膜物理学等。
材料物理的范围
1.3材料物理学的研究范围
每一个材料学的分支都相应的有相应的材
料物理学分支
材料物理是物理研究中的重要领域。
比如超导体、半导体、永磁材料。也
是物理中发展最快的领域。
1.3材料物理学的研究范围
1.4 材料物理和物理学的实验测试技术
X射线技术－ XRD
扫描电镜－ SEM
透视电镜－ TEM
高分辨率透视电镜－ HREM
场离子显微镜－ FIM
远红外光谱－ IR
核磁共振－ NMR 电子顺磁共振谱－ ESR
X光荧光谱－ XPS
拉曼光谱－ Raman
1.4材料物理学的研究手段
扫描探针显微镜－ SPM
材料物理作为物理学的一个分支，其发展
与物理学的实验技术和基本理论的进展密
切相关。物理学的新技术和新理论，将会
极大地促进材料物理领域的发展。
在实验技术上,XRD,SEM,TEM,HREM、
FIM,XPS,IR,Raman光谱,ESR,NMR
等现代测试方法的应用，为材料研究开辟了新
天地。
在理论方面，量子力学在材料物理理论中所
起的促进作用是人所共知的。
回顾材料发展和材料研究的历史，尤其是
20世纪乃至最近二三十年出现的材料（市
场已出现的材料，或通过专利、论文和材
料会议报道即将问世的材料），以及材料
科学研究成果，可以归纳、总结出材料学
与物理学是有密切联系的。
因此，从物理学的角度说明材料，即形成
材料物理学科，显然是顺理成章的。
材料物理作为一门学科，其中的一个基本
任务是关注新材料、高技术的发展，以力
图从其中总结归纳出新的物理现象、效应、
模型或图像。同时，材料物理本身也在不
断发展中，如金属物理、半导体物理、电
介质物理、非晶态物理、高分子物理、薄
膜物理等等，其研究成果往往会揭示出一
些新的物理概念和规律。
上述这些意味着在应用、开发上蕴藏着
巨大的潜力，如研制出新材料、新的元
件或器件；或有可能开辟出新的技术领
域。从这个意义上看，材料物理将为研
制高技术材料打下牢固的物理基础。
主要介绍 金属结构理论、缺陷物理、
材料强化、导电物理基础、材料的介
电行为、铁电物理、磁性物理,材料
的相变,非晶态物理,高分子物理 和
低维材料结构。
材料物理课的主要内容
,材料物理,
主 编：王国梅,万发容
出版社：武汉理工大学
出版或修订时间,2004.8
推荐教材,
参考书,
,电介质物理, 主 编,张
良莹、姚熹
,半导体物理基础, 主 编,黄昆、韩汝琦
,金属物理学, 主 编：冯瑞
,材料物理导论, 主 编：杨尚林
,无机材料物理性能, 主 编：吴振铎
作业
2。联系以前学习和遇到过的材料，讨论
一下它可能遇到的物理问题。
1。选一种日常用的电器、通讯设备等，指
出它包括那几种材料以及这些电器今后的
前景。
