功能氧化物材料的比热研究
发布时间：2021-10-31 16:01
比热是固体物质最重要的物理参量之一,它与物质中电子、空位、磁相互作用、晶格振动、声子等多种性质密切相关。在一定的物理模型下,可将系统的平均能量转化为比热,以此探讨电子、空位等对能量的贡献,并进一步揭示它们对材料性能的影响。尽管研究者们已经在比热的测量方法、拟合模型建立以及基础应用方面做了广泛的工作,但是大多数工作都是围绕量热学以及典型的物理现象（如超导、多铁相变等）开展的,如果能将目前所掌握的先进的精确量热手段以及所建立的丰富物理模型更好地推广到化学、材料等领域,更加深入理解结构、热稳定性、电输运与性能的关系,对推动新型材料功能化等具有重要意义。基于此,本论文尝试将物质比热性质用于功能氧化物材料的研究中去。首先从氧化物材料功能化过程中最基本的热稳定性入手,通过量热技术,并结合物理分析,确定功能氧化物材料在0300 K全温区内的标准热力学函数,为此类材料在应用过程中的热稳定性研究打下重要的基础。在此基础上,进一步结合电输运性质的测量,通过比热的变化,揭示功能氧化物材料体系中电子的局域到非局域的转化。这些研究将为氧化物材料功能化应用的进一步拓展提供了新的理论支撑。本论...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
铜金属0-300K的比热数据（红色实心球）与爱因斯坦函数拟合结果（黑色实线）
吉林大学博士学位论文4(1.11)式中是体积，为两个横波一个纵波的平均角频率。由于法向模的总数约为3N，的积分必须等于3N。因此公式(1.11)可以简化为：，（1.12）式中的为德拜特征频率，在声子谱中为震动模式的上限截止频率。根据此分布计算出的比热公式为：(1.13)式中德拜温度，。虽然这个方程不能用封闭形式来计算，但通过几种近似方法可以得到在不同温度区域内的简单函数。在高温下，积分的上限变小，通过简单的展开，积分计算为(1.14)这就是经典的Dulong-Petit定律。在低温下，积分的上限可以假定为无穷大，在这种情况下，积分的闭式解为，因此低温下的比热变为(1.15)这就是著名的德拜T3定律，其计算结果与低温数据的形状基本匹配。因此，德拜比热函数给出了低温下实验比热数据的定量模型。图1.2、铜金属在0-300K范围内的实验比热数据（红色实心球）和Debye函数拟合结果（黑色实线）。插图显示了数据与拟合之间的偏差公式(1.13)可以在所有温度下进行数值计算，随着计算机算力的发展，这已
第1章绪论5成为普遍的做法。图1.2显示了与上图1.1相同的比热数据，可以看到德拜比热函数的拟合结果明显优于爱因斯坦模型的拟合结果，但正如图1.2的插图所示，德拜模型拟合结果仍然存在一些缺陷，尤其是在极低温下出现了较大的误差（相比高温段）。这是由于在极低温下晶格振动逐渐减弱，而其他子系统的贡献逐渐增强，比如电子系统产生的电子比热。1.2.2电子比热自由电子对比热的贡献也可以从基本原理推导出来。金属中的导电电子是金属原子的价电子，它在整个晶格中经历一个基本恒定的库仑势，并且可以自由地在整个金属中迁移[7,8]。自由电子是由单个电子组成的，每个电子都占据一个确定的能量状态，但由于电子是费米子（即它们不能占据相同的状态），它们从最低能量开始填充不断增加的能量状态。图1.3显示了在500K到105K温度下这些状态的占有率[7]。在0K时的占有率在形状上与在500K时的占有率相似，但在费米能级（图1.3中为5×104K）处没有圆形边缘，这意味着所有电子都将占据在低于该能级的能态上。图1.3、不同温度下的费米能级和电子占有率此外，通过图1.3我们还可以看到即使在数千开尔文下，也只有少量电子处于费米能级以上的激发态。在0K时，所有电子都处于费米能级以下的能态上，这种状态下的电子能量可以通过量子力学和统计力学的结合得到[6]：(1.16)式中N是数量，是费米能。因为比热是能量对温度的导数，而通过式(1.16)计算出来的与温度无关，所以比热为零。
本文编号：3468433
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
铜金属0-300K的比热数据（红色实心球）与爱因斯坦函数拟合结果（黑色实线）
吉林大学博士学位论文4(1.11)式中是体积，为两个横波一个纵波的平均角频率。由于法向模的总数约为3N，的积分必须等于3N。因此公式(1.11)可以简化为：，（1.12）式中的为德拜特征频率，在声子谱中为震动模式的上限截止频率。根据此分布计算出的比热公式为：(1.13)式中德拜温度，。虽然这个方程不能用封闭形式来计算，但通过几种近似方法可以得到在不同温度区域内的简单函数。在高温下，积分的上限变小，通过简单的展开，积分计算为(1.14)这就是经典的Dulong-Petit定律。在低温下，积分的上限可以假定为无穷大，在这种情况下，积分的闭式解为，因此低温下的比热变为(1.15)这就是著名的德拜T3定律，其计算结果与低温数据的形状基本匹配。因此，德拜比热函数给出了低温下实验比热数据的定量模型。图1.2、铜金属在0-300K范围内的实验比热数据（红色实心球）和Debye函数拟合结果（黑色实线）。插图显示了数据与拟合之间的偏差公式(1.13)可以在所有温度下进行数值计算，随着计算机算力的发展，这已
第1章绪论5成为普遍的做法。图1.2显示了与上图1.1相同的比热数据，可以看到德拜比热函数的拟合结果明显优于爱因斯坦模型的拟合结果，但正如图1.2的插图所示，德拜模型拟合结果仍然存在一些缺陷，尤其是在极低温下出现了较大的误差（相比高温段）。这是由于在极低温下晶格振动逐渐减弱，而其他子系统的贡献逐渐增强，比如电子系统产生的电子比热。1.2.2电子比热自由电子对比热的贡献也可以从基本原理推导出来。金属中的导电电子是金属原子的价电子，它在整个晶格中经历一个基本恒定的库仑势，并且可以自由地在整个金属中迁移[7,8]。自由电子是由单个电子组成的，每个电子都占据一个确定的能量状态，但由于电子是费米子（即它们不能占据相同的状态），它们从最低能量开始填充不断增加的能量状态。图1.3显示了在500K到105K温度下这些状态的占有率[7]。在0K时的占有率在形状上与在500K时的占有率相似，但在费米能级（图1.3中为5×104K）处没有圆形边缘，这意味着所有电子都将占据在低于该能级的能态上。图1.3、不同温度下的费米能级和电子占有率此外，通过图1.3我们还可以看到即使在数千开尔文下，也只有少量电子处于费米能级以上的激发态。在0K时，所有电子都处于费米能级以下的能态上，这种状态下的电子能量可以通过量子力学和统计力学的结合得到[6]：(1.16)式中N是数量，是费米能。因为比热是能量对温度的导数，而通过式(1.16)计算出来的与温度无关，所以比热为零。
本文编号：3468433
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