離子類載流子導(dǎo)電PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 離子類載流子導(dǎo)電離子類載流子導(dǎo)電 2、導(dǎo)電機(jī)制（遷移） 離子導(dǎo)電性可以認(rèn)為是離子類載流子在電場(chǎng)的作用 下，通過材料的長(zhǎng)距離遷移，即原子核發(fā)生了遷移 離子處于勢(shì)阱底部，獲得能量，跨越位 壘，進(jìn)入相鄰勢(shì)阱，完成遷移。其他結(jié) 構(gòu)作為間架 存在電場(chǎng) 不存在電場(chǎng) 一維情況，離子越過位壘V（ 能量臺(tái)階）的幾率（量綱S） exp kT V h kT P 加上電場(chǎng)E，沿電場(chǎng)方向位壘降低Fb/2，向右的跨越幾率為 2 1 exp 2 1 kT FbV h kT P b V 第1頁/共13頁 2 1 exp 2 1 kT FbV h kT P 沿電場(chǎng)反方向位壘增高Fb/2，向左的跨越幾率為 結(jié)果，向右的

2、遷移多于向左的的遷移，載流子向右的平均飄移速度 ) 2 exp() 2 exp( 2 1 )( kT Fb kT Fb bPPPbv exp kT V h kT P 由于 2 exp 2 1 kT Fb PP 2 exp 2 1 kT Fb PP zeEbFb 2 1 2 1 離子帶電量為z 第2頁/共13頁 在電場(chǎng)強(qiáng)度不是很大的情況下 kTFb 2 1 kT PFb kT Fb kT Fb bPPPbv 2 2 ) 2 () 2 ( 2 1 )( 一般情況下，電場(chǎng)不會(huì)很大 若電場(chǎng)很大，第一項(xiàng)為主 ) 2 (exp kT Fb v 常數(shù)常數(shù) 電流密度 vnzej n為離子密度，電量qze kT

3、 PEbenz kT PFnzeb vnzej 22 2222 令 0 N G V dc 為直流條件下自由能的變化 （可測(cè)） dc G 第3頁/共13頁 exp 2 222 RT G h Ebezn j dc kNR 0 又，則 因此，電阻率 RT G exp bezn h j E dc 222 2 RT G ben h lnln dc 222 2 這是理論值，與玻璃的經(jīng)驗(yàn)電阻公式吻合，表明該理論比較正確的描述了離子電導(dǎo) T B Alog 第4頁/共13頁 由熱力學(xué)第二定律（把一些不可以直接測(cè)量的物理量，通過數(shù)學(xué)描述表示為可以直接測(cè)量的物理量，由此檢驗(yàn)理論的正確性） dcdcdc STHG R

4、T H ) RT S ( h Ebezn lnln dcdc 2 222 得到 若存在多種載流子（類似馬西森定律） i i i T B A)exp( 材料的電導(dǎo)率將是多種載流子遷移的總體表現(xiàn) 第5頁/共13頁 2.3.2 離子電導(dǎo)擴(kuò)散 離子跨越位壘遷移，從另一個(gè)角度可以看作離子在電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散現(xiàn)象。表征這一現(xiàn)象的就是能斯特愛因斯坦（Nernst Einstein）方程 離子電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散系數(shù)兩個(gè)物理量之間必然存在某種物理聯(lián)系，用數(shù)學(xué)形式描述如下 由于離子濃度梯度形成的電流密度 x n Dqj 1 負(fù)號(hào)表示二者方向相反 存在電場(chǎng)時(shí)，其產(chǎn)生的電流密度 x V Ej 2 第6頁/共13頁 在兩者

5、相反的時(shí)候，總電流密度 x V x n Dqji 由波爾茲曼分布 )/exp( 0 kTqVnn 因此 x V kT qn x n 熱平衡的時(shí)候，兩個(gè)電流密度方向相反，達(dá)到平衡 x V x V kT nDq ji 2 0 kT nq D 2 離子電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系為 第7頁/共13頁 由電導(dǎo)率 nq 為離子遷移率 BkTkT q D 說明離子的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度上升而增大 2.3.3 離子導(dǎo)電的影響因素 1、溫度 高溫區(qū)為本征導(dǎo)電，低溫區(qū)為雜質(zhì)導(dǎo)電，出現(xiàn)拐點(diǎn) 2、離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu) （1） 熔點(diǎn)高，結(jié)合力大，導(dǎo)電激活能高，則電 導(dǎo)較低（如NaF、 NaCl 、NaI，激活能逐漸降低 第

6、8頁/共13頁 （3） 晶體結(jié)構(gòu)間隙大，則激活能低，電導(dǎo)高 （2） 低價(jià)離子尺寸小，激活能較低，電導(dǎo)高 3、點(diǎn)缺陷 肖特基缺陷：空位 弗倫克爾缺陷：空位和間隙原子 有的缺陷是個(gè)空位，可以吸引離子來填充，可以增大離子遷移率，而有的缺陷是個(gè)陷阱，離子填充之后很難再遷移，降低離子遷移率。 第9頁/共13頁 2.3.4 快離子導(dǎo)體 1、快離子導(dǎo)體的一般特征 具有離子導(dǎo)電的固體物質(zhì)稱為固體電解質(zhì) 電導(dǎo)率較正常的離子化合物高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，成為快離子導(dǎo)體（Fast-ionconductor） （1）銀和銅的鹵族和硫族化合物 （2）具有 氧化鋁結(jié)構(gòu) （3）具有氟化鈣結(jié)構(gòu)的高濃度缺陷（利于離子擴(kuò)散） 31 Bi

7、OBaPb x 3 LaNiO 超導(dǎo)薄膜燃料電池電極 單質(zhì)材料的性能必然比較單一，今后的材料領(lǐng)域的研究方向大多都是多元復(fù)合材料 第10頁/共13頁 氧化鋯晶體結(jié)構(gòu)和存在溫度： 單斜：1170 C 四方： 1170 C2370 C 立方：2370 C2680 C 2、較成熟的材料：立方穩(wěn)定氧化鋯 應(yīng)用：檢測(cè)氣體中或熔融金屬中的氧含量 P1 P2 U A 應(yīng)用離子電導(dǎo)測(cè)量空氣中氧含量簡(jiǎn)圖 參考代測(cè) 應(yīng)用條件： 穩(wěn)定到室溫：加入Ca2+ 較高電導(dǎo)：加入Ir 第11頁/共13頁 離子導(dǎo)體兩邊加上固定電壓，氧離子在離子導(dǎo)體中遷移，左邊代測(cè)氣體中的氧含量越高，則遷移的載流子濃度越高，電流也越大。因此，代測(cè)氣體的氧含量和電流建立起聯(lián)系，電流的大小對(duì)應(yīng)氧含量。 離子導(dǎo)體把氧氣濃度的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這也是一種重要的傳感器 由此制成的工具氧敏元件，用于監(jiān)控