材料科学

聚合物结晶学一直是材料科学研究的热点和难点，同时它也是物理、化学及相关工程类科学的基础。本书是这一领域的教科书，该书不仅深入浅出地介绍了聚合物结晶学的基本概念、原理和方法，而且力求在用于结构分析的严格缜密的结晶学方法和聚合物中，由大量无序结晶造成的多样晶体结构之间找到平衡。虽然有很多书籍专门论述使用Ｘ射线衍射的方法来研究聚合物结晶度的方法，但并不涉及无序结晶结构的特点及研究方法、无序结晶结构对材料特性的影响等，本书刚好弥补了这一空白。

本书分为７章：１．构建晶体链结构的基本原理和方法；２．构建晶体内部链包结构的方法，同时通过具体的聚合物结晶结构介绍了有限有序和有限无序的结构模型；３．从衍射数据中提取结构参数的基本方法；４－５．聚合物结晶中有关无序结构的重要内容，其中第４章说明了基于不同衍射模式的无序结晶结构的分类，第５章介绍了从漫散射测量数据中分析无序结构的方法；６．聚合物的单晶形态学基本要素，特别强调了形态学与结晶链之间的关系；７．结晶结构与聚合物最终材料性质之间的关系，并说明了在分子层面上理解材料性质的重要性。

本书详细介绍了聚合物结晶学的基本概念、原理和测试方法，适合高分子材料等相关领域的研究人员阅读参考，也可以作为高分子、材料科学等专业的研究生教材。

工业技术领域的发展与新材料的探索息息相关。材料科学探索着固体的基本性能，这也使得材料科学的相关知识在工业生产和生活中起着越来越重要的作用。材料科学的目的之一是解释固体材料的基本过程，并预测它在实际情况中的性能。这和固体材料中原子链结的类型和强度有着紧密联系。

本书共有１８章：１．简介；２．经典理论和微观粒子，简要地介绍量子物理的基础，包括波粒二象性、测不准原理、波函数和薛定谔方程；３．原子中的电子，介绍概率密度函数，作为计算波函数和电子能量密度函数方法的哈特里近似；４．晶体点阵，介绍了点阵的基本概念，维格纳－塞茨单胞和布里渊区；５．均匀电子气和纯金属，介绍电子交换能和关联能；６．晶体中的电子和布洛赫波；７．原子间的键合强度标准；８．从第一性原理模拟固体的结构和性能（从头计算法）；９．材料科学中第一性原理模拟；１０．Ni^３Al固溶体的从头计算法；１１．紧束缚模型和嵌入原子势；１２．晶格振动的力系数；１３．过渡金属，介绍过渡金属的结构、物理模型和内聚能等；１４．半导体，介绍半导体的能带结构、共价键强度和性质；１５．分子离子晶体，介绍分子晶体、离子晶体的价键性质和固态惰性气体、有机分子晶体等相关知识；１６．高温蠕变，介绍高温蠕变的物理模型、方程，并对实验数据进行对比；１７．金属疲劳，介绍裂纹的萌生和扩大、原子层面的疲劳损坏、裂纹尖端原子键断裂；１８．动力学过程模拟，介绍用不同方程体系来模拟金属疲劳的动力学过程。

物质结构中元素的量子行为决定材料的微观行为。尽管量子行为和宏观理论应该互相弥补，但实际情况并不总是如此。作者向我们详尽展示了结构模型和计算机模拟方法。他考虑了基础物理和化学中的原子键，对预测的理论结果进行分析并将其和实验数据进行对比。他应用第一性原理模拟过渡金属、半导体、氧化物、固溶体、分子和离子晶体的性能。在本书最后几章，作者还饶有兴致的介绍了金属高温蠕变、金属疲劳等的新理论来帮助预测、预防可能的材料损伤。

通过阅读本书，读者将了解模拟材料性质、设计特征材料的工具和知识。由于本书介绍内容的跨学科性质，它适合固体物理、化学工程材料、固体材料的计算模拟、机器制造、凝聚态物理等方向学生，以及从事相关研究的工程师和研究人员。

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中，大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电子转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池；以无机盐如砷化镓ＩＩＩ－Ｖ化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；功能高分子材料制备的太阳能电池；纳米晶太阳能电池等。对太阳能电池材料的要求有：半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产且材料性能稳定。随着新材料的不断开发和相关技术的发展，除了传统硅材料，新型材料的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。本书描述了制作太阳能电池的技术和材料，包括传统的光伏材料、新型无机材料，以及有机材料、纳米材料。本书涵盖了新型太阳能电池的材料及其研究现状，并讨论了太阳能电池的发展及趋势。

在本书中，读者可了解到先进光伏技术进展以及多种太阳能电池材料，主要介绍了如下几类太阳能电池材料：（１）单晶硅材料及单晶硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池转换效率最高，但由于单晶硅材料成本高，价格居高不下，电池工艺繁琐，因而单晶硅太阳能电池没有得到很大的发展；（２）多晶硅薄膜电池：多晶硅薄膜电池使用的硅远较单晶硅少，其成本远低于单晶硅电池，能量转换效率高于非晶硅薄膜电池、无效率衰退问题，因此多晶硅薄膜电池有望在太阳能电地市场上占据主导地位；（３）非晶硅太阳能电池：非晶硅太阳能电池具有较高的转换效率和较低的成本，重量轻等特点，但其稳定性不高影响了其实际应用；（４）多元化合物薄膜电池：多元化合物薄膜作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为太阳能电池的一个重要方向；（５）有机太阳能电池：有机太阳能电池具有柔性好、制作容易、材料来源广泛、成本低等优势，对大规模利用太阳能、提供廉价电能具有重要意义；（６）第三代太阳能电池：第三代太阳能电池技术随着科技的不断进步正在迅速发展，具有巨大的应用潜力。

本书主要内容如下：１．引言；２．基本物理原理对光电转换效率的限制；３．对光伏材料的物理表征；４．晶体硅太阳能电池的发展；５．非晶硅和微晶硅太阳能电池；６．ＩＩＩ－Ｖ族太阳能电池；７．硫族薄膜太阳能电池；８．印刷有机太阳能电池；９第三代太阳能电池。

本书适合于光伏行业的科研工作者以及相关专业的研究生阅读。

人类文明的发展伴随着能源的消耗。因此，材料科学家和工程师已经面临必须减少人类对化石燃料资源依赖的挑战。在过去的几十年里，已开发了太阳能电池技术，在材料合成的新技术和新的集成工程设计帮助下，该行业已能生产具有高能源效率的太阳能电池。本书重点介绍基于非硅的太阳能电池，这种电池还处于开发阶段，具有很大的应用潜力。

全书分为３部分，含１７章，第１部分当前的发展，含第１－５章：１．对非常高效和稳定的聚合物太阳能电池的设计考虑；２．咔唑为基础的有机染料，染料敏化的太阳能电池；３．为光伏应用的胶状纳米晶体合成；４．二维层状半导体：太阳能光伏发电的新兴材料；５．聚合物太阳能电池的氧化锌纳米棒控制。第２部分惰性的的方法，含第６－９章：６．染料敏化太阳能电池；７．光电应用的纳米压印光刻技术；８．室内光电：效率、测量和设计；９．稀土掺杂纳米材料的光子管用于太阳能电池。第３部分未来的发展，含１０－１７章：１０．在薄膜太阳能光电设备中电浆子光捕获的进展；１１．发光太阳能集中器的最近研究和开发；１２．发光的太阳能集中器：当前发展水平和未来的展望；１３．太阳能发光集中器的有机荧光体；１４．用于有机光电的石墨烯纳米带复合材料：它们的电子和电荷传输特性的研究；１５．薄膜太阳能电池的分析建模：基础和应用；１６．高效有机光伏电池：当前全球的方案；１７．基于电压源变换器的光伏发电系统的真实的和反应的功率控制。

本书可供材料科学、工程和纳米技术相关领域的大学生、研究生、教师、工程师和研究人员阅读和参考。