材料電性能PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 材料電性能材料電性能PPT課件課件 第1頁(yè)/共55頁(yè) 2-1 2-1 概述概述 電導(dǎo)的宏觀(guān)參數(shù)電導(dǎo)的宏觀(guān)參數(shù) AreaArea LengthLength i i 對(duì)一截均勻?qū)щ婓w，存對(duì)一截均勻?qū)щ婓w，存 在如下關(guān)系：在如下關(guān)系： 第2頁(yè)/共55頁(yè) 工程上工程上：相對(duì)電導(dǎo)率表征導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能，即相對(duì)電導(dǎo)率表征導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能，即 IACS % = IACS % = / / Cu Cu % % 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軟純銅（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軟純銅（ 20 20 時(shí)時(shí) = 0.01724 = 0.01724 mmmm2 2/m )/m )電導(dǎo)率作電導(dǎo)率作 為為100%100%，其它導(dǎo)體材料電導(dǎo)率與之相比的百分

2、數(shù)，其它導(dǎo)體材料電導(dǎo)率與之相比的百分?jǐn)?shù) 相對(duì)電導(dǎo)率相對(duì)電導(dǎo)率 例：例：Fe IACS % Fe IACS % 17%17%； Al IACS% Al IACS% 65%65% 根據(jù)材料導(dǎo)電性好壞，也即按根據(jù)材料導(dǎo)電性好壞，也即按 值大小對(duì)材料分類(lèi)值大小對(duì)材料分類(lèi) 導(dǎo)體材料導(dǎo)體材料 10 10 109 9 m m 金剛石金剛石 第3頁(yè)/共55頁(yè) 第4頁(yè)/共55頁(yè) 二、載流子二、載流子 電流是電荷在空間的定向運(yùn)動(dòng)。電流是電荷在空間的定向運(yùn)動(dòng)。 任何一種物質(zhì)，存在帶電荷的自由粒子，在電場(chǎng)下產(chǎn)生導(dǎo)電電流。任何一種物質(zhì)，存在帶電荷的自由粒子，在電場(chǎng)下產(chǎn)生導(dǎo)電電流。 電荷的載體電荷的載體：載流子載流子 載

3、流子載流子：電子、空穴、正離子、負(fù)離子電子、空穴、正離子、負(fù)離子 遷移數(shù)遷移數(shù)：表征材料導(dǎo)電載流子種類(lèi)對(duì)導(dǎo)電貢獻(xiàn)的參數(shù)，也稱(chēng)表征材料導(dǎo)電載流子種類(lèi)對(duì)導(dǎo)電貢獻(xiàn)的參數(shù)，也稱(chēng) 輸運(yùn)數(shù)（輸運(yùn)數(shù)（transference number)transference number)，即即 t t x x = x x / / T T 式中：式中： x x 某種某種載流子輸運(yùn)電荷形成的載流子輸運(yùn)電荷形成的電導(dǎo)率；電導(dǎo)率； T T 各種各種載流子輸運(yùn)電荷形成的總載流子輸運(yùn)電荷形成的總電導(dǎo)率電導(dǎo)率 第5頁(yè)/共55頁(yè) t ti i+ + 表示 表示正離子的遷移數(shù)正離子的遷移數(shù) t ti i- - 表示表示負(fù)離子的遷移數(shù)

4、負(fù)離子的遷移數(shù) t te e- - 表示表示電子的遷移數(shù)電子的遷移數(shù) t th h+ + 表示表示空穴的遷移數(shù)空穴的遷移數(shù) 當(dāng)當(dāng) t i 0.99 離子（電）導(dǎo)體離子（電）導(dǎo)體 t i T （2/32/3） D D ， ， T T T T 電子電子- -聲子散射是電阻產(chǎn)生主要機(jī)制聲子散射是電阻產(chǎn)生主要機(jī)制 T T D D ， ， T T5 5 電子 電子- -聲子散射是電阻產(chǎn)生主要機(jī)制聲子散射是電阻產(chǎn)生主要機(jī)制 T T 2K 2K ， T T2 2 電子 電子- -電子散射是電阻產(chǎn)生主要機(jī)電子散射是電阻產(chǎn)生主要機(jī) 制制 D D 德拜溫度或特征溫度 德拜溫度或特征溫度 第15頁(yè)/共55頁(yè) 注：注

5、： 金屬熔化時(shí)電阻增加金屬熔化時(shí)電阻增加 1.5-2 1.5-2 倍倍，熔化時(shí)金屬原子規(guī)則排，熔化時(shí)金屬原子規(guī)則排 列遭到破壞，增強(qiáng)對(duì)電子散射。列遭到破壞，增強(qiáng)對(duì)電子散射。 反常：銻隨溫度增加，電阻增加，融化時(shí)下降，共價(jià)結(jié)合反常：銻隨溫度增加，電阻增加，融化時(shí)下降，共價(jià)結(jié)合 金屬鍵合金屬鍵合 具有鐵磁性的金屬發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變時(shí)，電阻率出現(xiàn)反常。具有鐵磁性的金屬發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變時(shí)，電阻率出現(xiàn)反常。 第16頁(yè)/共55頁(yè) 2. 2. 電阻率與壓力的關(guān)系電阻率與壓力的關(guān)系 流體靜壓壓縮流體靜壓壓縮：對(duì)多數(shù)金屬，在壓力下：對(duì)多數(shù)金屬，在壓力下 降低降低 = = 0 0（1 + 1 + p p ） 0 0 - -

6、 真空下電阻率；真空下電阻率； - - 壓力系數(shù)（壓力系數(shù)（1010-5 -5 -10 -10-6 -6）； ）；p - p - 壓力壓力 原子間距縮小，內(nèi)部缺陷形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)、費(fèi)米能和能帶結(jié)構(gòu)變化。原子間距縮小，內(nèi)部缺陷形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)、費(fèi)米能和能帶結(jié)構(gòu)變化。 按壓力對(duì)金屬導(dǎo)電性的影響特性，把金屬分為：按壓力對(duì)金屬導(dǎo)電性的影響特性，把金屬分為： 正常金屬正常金屬：壓力增大，壓力增大， 下降；下降； 例：例：FeFe、CoCo、NiNi、PdPd、IrIr、PtPt、CuCu、AgAg、ZrZr、Hf Hf 等等 反常金屬反常金屬：壓力增大，壓力增大， 增大；增大； 例：堿金屬、堿土金屬、稀土金

7、屬等。例：堿金屬、堿土金屬、稀土金屬等。 第17頁(yè)/共55頁(yè) 3. 3. 冷加工對(duì)金屬電阻的影響冷加工對(duì)金屬電阻的影響 純金屬冷加工變形：純金屬冷加工變形： FeFe、CuCu、AgAg、Al Al 增加增加 2% - 6% 2% - 6% W W 增加增加 30% - 50% 30% - 50% Mo Mo 增加增加 15% - 20% 15% - 20% Sn Sn 增加增加 90% 90% 單相固溶體單相固溶體冷加工變形冷加工變形： 增加增加 10% - 20% 10% - 20% 有序固溶體有序固溶體冷加工變形冷加工變形： 增加增加 100% 100% 甚至更高甚至更高 原因原因：冷加

8、工使晶體點(diǎn)陣發(fā)生畸變和缺陷，增加電子散射幾率，冷加工使晶體點(diǎn)陣發(fā)生畸變和缺陷，增加電子散射幾率， 也引起金屬晶體原子間結(jié)合鍵變化，導(dǎo)致原子間距改變。也引起金屬晶體原子間結(jié)合鍵變化，導(dǎo)致原子間距改變。 相反情況：相反情況：Ni-CrNi-Cr、Ni-Cu-ZnNi-Cu-Zn、Fe-Cr-AlFe-Cr-Al等合金中形成等合金中形成 K K 狀態(tài)，狀態(tài)， 冷加工變形使冷加工變形使 降低。降低。 第18頁(yè)/共55頁(yè) 4. 4. 晶體缺陷對(duì)電阻的影響晶體缺陷對(duì)電阻的影響 空位、間隙原子及它們組合、位錯(cuò)等晶體缺陷使金屬電阻率增加?？瘴?、間隙原子及它們組合、位錯(cuò)等晶體缺陷使金屬電阻率增加。 根據(jù)根據(jù)馬西

9、森定律，極低溫度下，純金屬電阻率主要由內(nèi)部缺陷決馬西森定律，極低溫度下，純金屬電阻率主要由內(nèi)部缺陷決 定，即剩余電阻率定，即剩余電阻率 決定。決定。 晶體缺陷類(lèi)型對(duì)電阻率影響程度晶體缺陷類(lèi)型對(duì)電阻率影響程度：通常：通常 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷：用：用 1% 1% 原子空位濃度或原子空位濃度或 1% 1% 原子間隙原子引起電阻率原子間隙原子引起電阻率 變化表征變化表征 線(xiàn)缺陷線(xiàn)缺陷：?jiǎn)挝惑w積中位錯(cuò)線(xiàn)單位長(zhǎng)度引起的電阻率變化來(lái)表征：?jiǎn)挝惑w積中位錯(cuò)線(xiàn)單位長(zhǎng)度引起的電阻率變化來(lái)表征； 面缺陷面缺陷：?jiǎn)挝惑w積中晶界單位面積引起的電阻率變化來(lái)表征：?jiǎn)挝惑w積中晶界單位面積引起的電阻率變化來(lái)表征 第19頁(yè)/共55頁(yè) 5

10、. 5. 熱處理對(duì)金屬電阻的影響熱處理對(duì)金屬電阻的影響 金屬經(jīng)冷加工變形后，再進(jìn)行退火，可使電阻降低。金屬經(jīng)冷加工變形后，再進(jìn)行退火，可使電阻降低。 6. 6. 幾何尺寸效應(yīng)對(duì)電阻的影響幾何尺寸效應(yīng)對(duì)電阻的影響 當(dāng)導(dǎo)電電子自由程與試樣尺寸是同一數(shù)量級(jí)，導(dǎo)電性與試當(dāng)導(dǎo)電電子自由程與試樣尺寸是同一數(shù)量級(jí)，導(dǎo)電性與試 樣尺寸有關(guān)。樣尺寸有關(guān)。 研究和測(cè)試金屬研究和測(cè)試金屬薄摸和細(xì)絲材料薄摸和細(xì)絲材料（厚度（厚度 1-10 1-10nmnm）的電阻非的電阻非 常重要。常重要。 第20頁(yè)/共55頁(yè) 三、合金的導(dǎo)電性三、合金的導(dǎo)電性 1. 1. 固溶體的電阻固溶體的電阻 結(jié)論結(jié)論：固溶體電阻總是大于各組元

11、純金屬電阻，且原子半徑差固溶體電阻總是大于各組元純金屬電阻，且原子半徑差 越大，固溶體電阻越大。越大，固溶體電阻越大。 原因原因：純組元間原子半徑差引起點(diǎn)陣畸變，增加電子散射，但純組元間原子半徑差引起點(diǎn)陣畸變，增加電子散射，但 不是惟一因素。不是惟一因素。 固溶體加熱時(shí)電阻通常要增大，但電阻溫度系數(shù)比純金屬低。固溶體加熱時(shí)電阻通常要增大，但電阻溫度系數(shù)比純金屬低。 2 .2 .有序固溶體（超結(jié)構(gòu)）的電阻有序固溶體（超結(jié)構(gòu)）的電阻 有序化有序化：電阻率受兩種相反作用影響：電阻率受兩種相反作用影響 合金組元化學(xué)作用加強(qiáng)，電子結(jié)合比無(wú)序合金組元化學(xué)作用加強(qiáng)，電子結(jié)合比無(wú)序 狀態(tài)更強(qiáng)，導(dǎo)電電子數(shù)減少，

12、電阻率增加；狀態(tài)更強(qiáng)，導(dǎo)電電子數(shù)減少，電阻率增加； 第21頁(yè)/共55頁(yè) 晶體離子勢(shì)場(chǎng)更為對(duì)稱(chēng)，電子散射概率降低，剩余電阻率減晶體離子勢(shì)場(chǎng)更為對(duì)稱(chēng)，電子散射概率降低，剩余電阻率減 小小 3. 3. 不均勻固溶體（不均勻固溶體（K K 狀態(tài)）的電阻狀態(tài)）的電阻 X X 射線(xiàn)和電鏡分析：射線(xiàn)和電鏡分析：合金元素中含過(guò)渡族金屬，如合金元素中含過(guò)渡族金屬，如 Ni-Cr、 Ni-Cu-Zn、Fe-Cr-Al 等合金等合金 單相單相 回火過(guò)程中回火過(guò)程中： 電阻增加電阻增加 反常反常 冷加工時(shí)冷加工時(shí)： 電阻率明顯降低電阻率明顯降低 這種組織狀態(tài)這種組織狀態(tài) K K 狀態(tài)狀態(tài) X X 射線(xiàn)分析：固溶體中原

13、子間距大小波動(dòng)顯著，是組元原子射線(xiàn)分析：固溶體中原子間距大小波動(dòng)顯著，是組元原子 在晶體中不均勻分布結(jié)果在晶體中不均勻分布結(jié)果 K K 狀態(tài)狀態(tài)( (也稱(chēng)不均勻固溶體）也稱(chēng)不均勻固溶體） 4. 4. 金屬化合物的導(dǎo)電性（自學(xué)金屬化合物的導(dǎo)電性（自學(xué)) ) 第22頁(yè)/共55頁(yè) 2-3 2-3 離子類(lèi)載流子導(dǎo)電離子類(lèi)載流子導(dǎo)電 離子導(dǎo)電是帶電荷的離子載流子在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)。離子導(dǎo)電是帶電荷的離子載流子在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)。 離子導(dǎo)電主要發(fā)生在離子固體中。離子導(dǎo)電主要發(fā)生在離子固體中。 一、一、 離子電導(dǎo)理論離子電導(dǎo)理論 離子導(dǎo)電分為兩類(lèi)：離子導(dǎo)電分為兩類(lèi)： 1 1 離子導(dǎo)電源于晶體點(diǎn)陣基本離子

14、運(yùn)動(dòng)離子導(dǎo)電源于晶體點(diǎn)陣基本離子運(yùn)動(dòng) 固有離子電導(dǎo)或固有離子電導(dǎo)或 本征電導(dǎo)本征電導(dǎo) 離子自身隨熱振動(dòng)離開(kāi)晶格形成熱缺陷（肖、弗缺陷）。這離子自身隨熱振動(dòng)離開(kāi)晶格形成熱缺陷（肖、弗缺陷）。這 種熱缺陷無(wú)論是離子或者空位都是帶電的，電場(chǎng)作用下成為導(dǎo)電載種熱缺陷無(wú)論是離子或者空位都是帶電的，電場(chǎng)作用下成為導(dǎo)電載 流子，參與導(dǎo)電。流子，參與導(dǎo)電。 第23頁(yè)/共55頁(yè) 2 2 離子導(dǎo)電源于雜質(zhì)離子運(yùn)動(dòng)離子導(dǎo)電源于雜質(zhì)離子運(yùn)動(dòng) 雜質(zhì)電導(dǎo)雜質(zhì)電導(dǎo) 雜質(zhì)離子與晶格聯(lián)系弱，在較低溫度下，雜質(zhì)電導(dǎo)顯著。雜質(zhì)離子與晶格聯(lián)系弱，在較低溫度下，雜質(zhì)電導(dǎo)顯著。 晶體中缺陷既提供較正常躍遷更為容易的高能態(tài)離子，又提供晶體

15、中缺陷既提供較正常躍遷更為容易的高能態(tài)離子，又提供 更多可為遷移離子占據(jù)的空位。更多可為遷移離子占據(jù)的空位。 某些離子晶體能夠?qū)щ娭饕怯捎陔x子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)引起。離子擴(kuò)某些離子晶體能夠?qū)щ娭饕怯捎陔x子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)引起。離子擴(kuò) 散主要有空位擴(kuò)散、間隙擴(kuò)散等。散主要有空位擴(kuò)散、間隙擴(kuò)散等。 無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，缺陷作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生宏觀(guān)電流；無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，缺陷作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生宏觀(guān)電流； 有外電場(chǎng)存在，外電場(chǎng)對(duì)它們所帶的電荷作用，有外電場(chǎng)存在，外電場(chǎng)對(duì)它們所帶的電荷作用，離子取代空位離子取代空位 沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)概率大增，產(chǎn)生沿電場(chǎng)方向宏觀(guān)離子電流。沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)概率大增，產(chǎn)生沿電場(chǎng)方向宏觀(guān)離子電流。 第24頁(yè)

16、/共55頁(yè) 3. 3. 離子電導(dǎo)率一般表達(dá)式離子電導(dǎo)率一般表達(dá)式 若本征電導(dǎo)主要由若本征電導(dǎo)主要由 schottky schottky 缺陷引起，本征電導(dǎo)率為缺陷引起，本征電導(dǎo)率為 = A exp = A exp （- W / kT- W / kT） 式中式中 W W：本征電導(dǎo)活化能，包括缺陷形成能和遷移能：本征電導(dǎo)活化能，包括缺陷形成能和遷移能 一般表達(dá)式一般表達(dá)式： = A = A1 1 exp exp （- B- B1 1/ T/ T） （1 1） 式中式中 A A1 1（ n n1 1）：系數(shù)）：系數(shù) B B1 1 = W / k = W / k 第25頁(yè)/共55頁(yè) 若存在雜質(zhì)離子，使

17、晶格中可能存在間隙質(zhì)點(diǎn)或空位，若存在雜質(zhì)離子，使晶格中可能存在間隙質(zhì)點(diǎn)或空位， 同理得雜質(zhì)電導(dǎo)率同理得雜質(zhì)電導(dǎo)率一般表達(dá)式：一般表達(dá)式： = A= A2 2 exp exp （- B- B2 2 / T / T） （2 2） 式中式中 A A2 2（ n n2 2）：系數(shù)）：系數(shù) B B2 2 = W / k = W / k W W：雜質(zhì)電導(dǎo)活化能，只包括缺陷遷移能：雜質(zhì)電導(dǎo)活化能，只包括缺陷遷移能 第26頁(yè)/共55頁(yè) 比較（比較（1 1）和（）和（2 2）式）式 一般一般 n n2 2 n n1 1，但，但 B B2 2 B exp exp（-B-B1 1/ T/ T） 因而雜質(zhì)電導(dǎo)率比本征

18、電導(dǎo)率大得多，離子晶體電導(dǎo)主要為因而雜質(zhì)電導(dǎo)率比本征電導(dǎo)率大得多，離子晶體電導(dǎo)主要為 雜質(zhì)電導(dǎo)，高溫時(shí)才顯示本征電導(dǎo)雜質(zhì)電導(dǎo)，高溫時(shí)才顯示本征電導(dǎo) 若僅有一種載流子，電導(dǎo)率用單項(xiàng)式表示為若僅有一種載流子，電導(dǎo)率用單項(xiàng)式表示為 = =0 0 exp exp （- B / T- B / T） （3 3） （3 3）式兩邊取對(duì)數(shù)得）式兩邊取對(duì)數(shù)得： ln = A ln = A B / T B / T 對(duì)某一種離子，當(dāng)活化能為定值時(shí)，電導(dǎo)率對(duì)數(shù)對(duì)某一種離子，當(dāng)活化能為定值時(shí)，電導(dǎo)率對(duì)數(shù)(ln)(ln)與溫與溫 度倒數(shù)度倒數(shù)(1/T) (1/T) 之間之間 線(xiàn)性關(guān)系線(xiàn)性關(guān)系 活化能值活化能值可由直線(xiàn)斜率

19、得到，即可由直線(xiàn)斜率得到，即 W = W = B B k k 第27頁(yè)/共55頁(yè) 二、離子電導(dǎo)與擴(kuò)散二、離子電導(dǎo)與擴(kuò)散 離子導(dǎo)電是離子在電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散現(xiàn)象。離子導(dǎo)電是離子在電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散現(xiàn)象。 能斯特能斯特- -愛(ài)因斯坦（愛(ài)因斯坦（ Nernst-EinsteinNernst-Einstein）方程：電導(dǎo)率方程：電導(dǎo)率與擴(kuò)與擴(kuò) 散系數(shù)間散系數(shù)間 D D 的關(guān)系：的關(guān)系： = n= ni iq qi i2 2 D Di i / kT / kT （1 1） 式中：式中： 電導(dǎo)率；電導(dǎo)率； n ni i 單位體積離子數(shù)目； 單位體積離子數(shù)目； q qi i 離子所帶電荷；離子所帶電荷； k k

20、玻爾茲曼常數(shù)；玻爾茲曼常數(shù)； T T 絕對(duì)溫度；絕對(duì)溫度； D Di i 擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)。 可見(jiàn)，離子導(dǎo)電受晶格性質(zhì)影響。可見(jiàn)，離子導(dǎo)電受晶格性質(zhì)影響。 第28頁(yè)/共55頁(yè) 三、影響離子電導(dǎo)率的因素三、影響離子電導(dǎo)率的因素 1.1.溫度溫度 電導(dǎo)率隨溫度升高按指數(shù)規(guī)律增加。電導(dǎo)率隨溫度升高按指數(shù)規(guī)律增加。 由于雜質(zhì)活化能比晶格點(diǎn)陣離子活化能小，在低溫下雜質(zhì)電由于雜質(zhì)活化能比晶格點(diǎn)陣離子活化能小，在低溫下雜質(zhì)電 導(dǎo)占主要地位，高溫下本征電導(dǎo)起主要作用。導(dǎo)占主要地位，高溫下本征電導(dǎo)起主要作用。 兩種不同導(dǎo)電機(jī)制，使兩種不同導(dǎo)電機(jī)制，使 ln -Tln -T-1 -1 曲線(xiàn)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 曲線(xiàn)出現(xiàn)

21、轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 注：轉(zhuǎn)折點(diǎn)不一定由兩種不同離子導(dǎo)電機(jī)制變化引起，注：轉(zhuǎn)折點(diǎn)不一定由兩種不同離子導(dǎo)電機(jī)制變化引起，也可能是也可能是 導(dǎo)電載流子種類(lèi)發(fā)生變化。導(dǎo)電載流子種類(lèi)發(fā)生變化。 T T-1 -1 第29頁(yè)/共55頁(yè) 2. 2. 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 熔點(diǎn)高晶體熔點(diǎn)高晶體：結(jié)合力大，活化能高，電導(dǎo)率低；：結(jié)合力大，活化能高，電導(dǎo)率低； 離子電荷高低對(duì)活化能有影響離子電荷高低對(duì)活化能有影響： 一價(jià)正離子，電荷少，活化能低，電導(dǎo)率高；一價(jià)正離子，電荷少，活化能低，電導(dǎo)率高； 高價(jià)正離子，價(jià)鍵強(qiáng)，活化能高，電導(dǎo)率低；高價(jià)正離子，價(jià)鍵強(qiáng)，活化能高，電導(dǎo)率低； 結(jié)構(gòu)緊密離子晶體結(jié)構(gòu)緊密離子晶體：可供離子移動(dòng)的間隙

22、小，間隙離子遷：可供離子移動(dòng)的間隙小，間隙離子遷 移困難，即活化能高，電導(dǎo)率低；移困難，即活化能高，電導(dǎo)率低； 3. 3. 晶格缺陷晶格缺陷 熱激勵(lì)、不等價(jià)固溶摻雜、氣氛變化等熱激勵(lì)、不等價(jià)固溶摻雜、氣氛變化等 晶格缺陷晶格缺陷 離子性晶格缺陷的生成及濃度是決定離子電導(dǎo)的關(guān)鍵。離子性晶格缺陷的生成及濃度是決定離子電導(dǎo)的關(guān)鍵。 第30頁(yè)/共55頁(yè) 四、快離子導(dǎo)體四、快離子導(dǎo)體 固體電解質(zhì)：具有離子導(dǎo)電的固體物質(zhì)固體電解質(zhì)：具有離子導(dǎo)電的固體物質(zhì) 。 快離子導(dǎo)體（快離子導(dǎo)體（FIC = fast ionic conductor FIC = fast ionic conductor ）：）： 具有與

23、熔融強(qiáng)電解質(zhì)或強(qiáng)電解質(zhì)水溶液相比擬的離子電導(dǎo)率具有與熔融強(qiáng)電解質(zhì)或強(qiáng)電解質(zhì)水溶液相比擬的離子電導(dǎo)率 的固體電解質(zhì)的固體電解質(zhì)。 遷移離子遷移離子 陽(yáng)離子或陽(yáng)離子集團(tuán)：陽(yáng)離子或陽(yáng)離子集團(tuán)： H H+ +、H H3 3O O+ +、NHNH4 4+ +、LiLi+ +、NaNa+ +、K K+ +、RbRb+ +、CuCu+ +、AgAg+ +、GaGa+ + 等 等 ， 遷移離子遷移離子 陰離子：陰離子： O O2- 2-、 、F F- - 等。 等。 第31頁(yè)/共55頁(yè) 五、快離子導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)及離子導(dǎo)電機(jī)理五、快離子導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)及離子導(dǎo)電機(jī)理 離子遷移變成快離子導(dǎo)體一般具有下列條件：離子遷移變

24、成快離子導(dǎo)體一般具有下列條件： 1 1固體結(jié)構(gòu)中存在固體結(jié)構(gòu)中存在大量晶格缺陷大量晶格缺陷 2 2遷移離子附近應(yīng)存在可能被占據(jù)的遷移離子附近應(yīng)存在可能被占據(jù)的空位空位，空位數(shù)目應(yīng)較遷移空位數(shù)目應(yīng)較遷移 離子本身數(shù)目為多，遷移離子具有在其空位上統(tǒng)計(jì)分布的結(jié)構(gòu)。離子本身數(shù)目為多，遷移離子具有在其空位上統(tǒng)計(jì)分布的結(jié)構(gòu)。 3 3固體有固體有層狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)層狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 應(yīng)存在提供離子遷移所需通道。在單晶或多晶體中，離子遷應(yīng)存在提供離子遷移所需通道。在單晶或多晶體中，離子遷 移有特殊通道。移有特殊通道。 通道類(lèi)型可分為通道類(lèi)型可分為 一維傳導(dǎo)；一維傳導(dǎo)； 二維傳導(dǎo)；二維傳導(dǎo)； 三維傳導(dǎo)三維傳導(dǎo)： 第32

25、頁(yè)/共55頁(yè) 離子導(dǎo)電機(jī)理離子導(dǎo)電機(jī)理：根據(jù)一種模型假設(shè)來(lái)討論根據(jù)一種模型假設(shè)來(lái)討論 該模型認(rèn)為該模型認(rèn)為：快離子導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)一般由兩種晶格組成，快離子導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)一般由兩種晶格組成， 一種由不運(yùn)動(dòng)骨架離子構(gòu)成剛性晶格，為遷移離子運(yùn)動(dòng)提供一種由不運(yùn)動(dòng)骨架離子構(gòu)成剛性晶格，為遷移離子運(yùn)動(dòng)提供 通道；通道； 另一種由遷移離子構(gòu)成亞晶格。另一種由遷移離子構(gòu)成亞晶格。 在遷移離子亞晶格中，缺陷濃度可高達(dá)在遷移離子亞晶格中，缺陷濃度可高達(dá) 10 1023 23/ /cm cm3 3，遷移離子遷移離子 亞晶格具有液體結(jié)構(gòu)特征。這種無(wú)序狀態(tài)使所有離子都能遷移，亞晶格具有液體結(jié)構(gòu)特征。這種無(wú)序狀態(tài)使所有離子都

26、能遷移， 增加載流子濃度。增加載流子濃度。 注：上述模型假設(shè)不能對(duì)已發(fā)現(xiàn)快離子導(dǎo)體傳導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行圓滿(mǎn)解注：上述模型假設(shè)不能對(duì)已發(fā)現(xiàn)快離子導(dǎo)體傳導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行圓滿(mǎn)解 釋?zhuān)€需進(jìn)一步地深入研究。釋?zhuān)€需進(jìn)一步地深入研究。 第33頁(yè)/共55頁(yè) 六、典型離子導(dǎo)電陶瓷六、典型離子導(dǎo)電陶瓷 氧離子導(dǎo)體：以氧離子（氧離子導(dǎo)體：以氧離子（O O2- 2-） ）為主要載流子的快離子導(dǎo)體為主要載流子的快離子導(dǎo)體 分類(lèi)分類(lèi)：熒石型氧離子導(dǎo)體、熒石型氧離子導(dǎo)體、 鈣鈦礦型氧離子導(dǎo)體鈣鈦礦型氧離子導(dǎo)體 1. 1. 熒石型氧離子導(dǎo)體熒石型氧離子導(dǎo)體 純純 ZrOZrO2 2：有有 3 3 種同素異形體結(jié)構(gòu)種同素異形體結(jié)構(gòu) m

27、- ZrOm - ZrO2 2 t - ZrO t - ZrO2 2 c - ZrO c - ZrO2 2 m m 相相 t t 相相 c c 相相 結(jié)構(gòu)：?jiǎn)涡苯Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：?jiǎn)涡苯Y(jié)構(gòu) 四方結(jié)構(gòu)四方結(jié)構(gòu) 立方結(jié)構(gòu)立方結(jié)構(gòu) （具有熒石結(jié)構(gòu)）（具有熒石結(jié)構(gòu)） 密度：密度：5.655.65g/cmg/cm3 3 6.10g/cm 6.10g/cm3 3 6.27g/cm 6.27g/cm3 3 注：注： 單斜結(jié)構(gòu)單斜結(jié)構(gòu) a b ca b c， = = 90 = = 900 0， 90 900 0； 四方結(jié)構(gòu)四方結(jié)構(gòu) a = b ca = b c， = = = 90 = = = 900 0； 第34頁(yè)/共

28、55頁(yè) C - ZrOC - ZrO2 2 中： 中： 陽(yáng)離子（陽(yáng)離子（ZrZr2+ 2+） ） FCC FCC 陰離子（陰離子（O O2- 2-） ） 位于位于 Zr Zr 四面體間隙（四面體間隙（ 8 8個(gè)）中心位置，自身構(gòu)個(gè)）中心位置，自身構(gòu) 成簡(jiǎn)單立方。成簡(jiǎn)單立方。 第35頁(yè)/共55頁(yè) c - ZrOc - ZrO2 2 t - ZrO t - ZrO2 2，c c 軸拉長(zhǎng)（軸拉長(zhǎng)（ a = b c a = b 1500 1500）爐子）爐子 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電行為主要是電阻（焦耳熱）：電行為主要是電阻（焦耳熱） 陶瓷電熱元件易于加工成管狀或棒；陶瓷電熱元件易于加工成管狀或棒； 可在空氣中使

29、用，成本低于貴重金屬?？稍诳諝庵惺褂?，成本低于貴重金屬。 陶瓷電熱材料：陶瓷電熱材料： SiCSiC（ 16501650）；）； MoSi MoSi2 2（ 1800 1800 ）；）； LaCrOLaCrO3 3 第44頁(yè)/共55頁(yè) 三、電觸點(diǎn)材料三、電觸點(diǎn)材料 主要為鉑系材料，接觸電阻穩(wěn)定，價(jià)格太高，應(yīng)用受限主要為鉑系材料，接觸電阻穩(wěn)定，價(jià)格太高，應(yīng)用受限 Pt Pt：熔點(diǎn)：熔點(diǎn) 1764 1764 Pt Pt Ir Ir 合金合金：熔點(diǎn)、硬度提高，抗氧化增加：熔點(diǎn)、硬度提高，抗氧化增加 高級(jí)觸點(diǎn)材料高級(jí)觸點(diǎn)材料 Ir Ir Os Os 合金合金：無(wú)熔化現(xiàn)象，性能更優(yōu)：無(wú)熔化現(xiàn)象，性能更優(yōu)

30、 自流回路陽(yáng)極一側(cè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)材料自流回路陽(yáng)極一側(cè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)材料 W W：熔點(diǎn)：熔點(diǎn) 3382 3382，硬度高，無(wú)擴(kuò)散現(xiàn)象，硬度高，無(wú)擴(kuò)散現(xiàn)象 空氣中易氧化，加工困難空氣中易氧化，加工困難 W-Ag W-Ag 合金合金：加工容易些：加工容易些 大電流繼電開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)上大電流繼電開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)上 W-Cu W-Cu 合金合金：加工容易些：加工容易些 油浸斷路開(kāi)關(guān)油浸斷路開(kāi)關(guān) AgAg：熔點(diǎn)低（熔點(diǎn)低（960960），易熔化粘結(jié)；），易熔化粘結(jié)；AgAg（99.8%99.8%），小繼電器觸點(diǎn)材料），小繼電器觸點(diǎn)材料 6%Pt-69%Cu-25%Ag6%Pt-69%Cu-25%Ag合金合金：替代：替代 PtPt，

31、作通訊電路中觸點(diǎn)材料，作通訊電路中觸點(diǎn)材料 第45頁(yè)/共55頁(yè) 2-4 2-4 電性能測(cè)量及其應(yīng)用電性能測(cè)量及其應(yīng)用 一、電阻的測(cè)量方法一、電阻的測(cè)量方法 材料導(dǎo)電性能測(cè)量實(shí)際上是對(duì)試樣電阻測(cè)量。材料導(dǎo)電性能測(cè)量實(shí)際上是對(duì)試樣電阻測(cè)量。 電阻測(cè)量方法有很多，一般根據(jù)測(cè)量需要和具體測(cè)試條電阻測(cè)量方法有很多，一般根據(jù)測(cè)量需要和具體測(cè)試條 件來(lái)選擇不同測(cè)試方法。件來(lái)選擇不同測(cè)試方法。 通?？紤]測(cè)量范圍或測(cè)量精度。通?？紤]測(cè)量范圍或測(cè)量精度。 歸納總結(jié)：歸納總結(jié)： 第46頁(yè)/共55頁(yè) （一）導(dǎo)體電阻測(cè)量（一）導(dǎo)體電阻測(cè)量 1. 1. 單電橋法單電橋法 2. 2. 雙電橋法雙電橋法 3. 3. 電位差計(jì)

32、法電位差計(jì)法 單電橋法單電橋法：測(cè)量范圍：測(cè)量范圍10-1010-106 6，引線(xiàn)電阻和接觸電阻，引線(xiàn)電阻和接觸電阻 無(wú)法消除，測(cè)低電阻時(shí)影響靈敏度；無(wú)法消除，測(cè)低電阻時(shí)影響靈敏度； 雙電橋法雙電橋法：測(cè)量范圍可達(dá)：測(cè)量范圍可達(dá)1010-1 -1-10 -10-6 -6 ，應(yīng)用廣泛，應(yīng)用廣泛 電位差計(jì)法：電位差計(jì)法： 優(yōu)點(diǎn)在于導(dǎo)線(xiàn)或引線(xiàn)電阻不影響電位差計(jì)電勢(shì)優(yōu)點(diǎn)在于導(dǎo)線(xiàn)或引線(xiàn)電阻不影響電位差計(jì)電勢(shì) Vx Vx 和和 Vn Vn 測(cè)量。測(cè)量。 雙電橋法和電位差計(jì)法比較：樣品電阻隨溫度發(fā)生變化時(shí)，雙電橋法和電位差計(jì)法比較：樣品電阻隨溫度發(fā)生變化時(shí)， 用電位差計(jì)法比雙電橋法精度高。雙電橋法在高溫和低溫電阻用電位差計(jì)法比雙電橋法精度高。雙電橋法在高溫和低溫電阻 時(shí)，較長(zhǎng)引線(xiàn)和接觸電阻很難消除。時(shí)，較長(zhǎng)引線(xiàn)和接觸電阻很難消除。 （二）絕緣體電阻測(cè)量（二）絕緣體電阻測(cè)量 沖擊檢流計(jì)法沖擊檢流計(jì)法 第47頁(yè)/共55頁(yè) （三）半導(dǎo)體電阻測(cè)量（三）半導(dǎo)體電阻測(cè)量 1 1）直流四探針?lè)ǎ┲绷魉奶结樂(lè)ǎ?室溫下測(cè)量的簡(jiǎn)單方法室溫下測(cè)量的簡(jiǎn)單方法 四根探針直線(xiàn)排列，四根探針直線(xiàn)排列， 以一定荷載壓附于試樣表面。以一定荷載壓附于試樣表面。 若流經(jīng)若流經(jīng) 1 1，4 4 探針間電流為探針間電流為 I I， 探針探針 2 2，3 3 間測(cè)量電壓為間測(cè)量電壓為 V V， 探針間距離分別為探針間距離分別為 l