納米材料的電學特性

1、納米材料的電學特性納米材料的電學特性材料的電學性能 導電電荷載流子：電子和陰離子，陽離子，以及電子空穴。 介電絕緣體（電介質(zhì)），在外電場作用下內(nèi)部電場不為零，正負電荷分布的中心分離，產(chǎn)生電偶極矩，即發(fā)生電極化。載流子的物理特征載流子的物理特征(1) 霍爾效應霍爾效應 電子電導的特征是具有霍爾效應。沿試樣電子電導的特征是具有霍爾效應。沿試樣x軸方向通軸方向通入電流入電流i（電流效應（電流效應jx），），z軸方向加一磁場軸方向加一磁場hz，那，那么在么在y軸方向?qū)a(chǎn)生一電場軸方向?qū)a(chǎn)生一電場ey，這一現(xiàn)象稱為霍爾效，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應。應。利用霍爾效應可檢查材料是否存在電子電導。利用霍爾效應可檢

2、查材料是否存在電子電導。 (2) 電解效應電解效應 離子電導的特征是存在電解效應。離子的遷移伴隨著離子電導的特征是存在電解效應。離子的遷移伴隨著一定的質(zhì)量變化，離子在電極附近發(fā)生電子得失，一定的質(zhì)量變化，離子在電極附近發(fā)生電子得失，產(chǎn)生新的物質(zhì)，這就是電解現(xiàn)象。產(chǎn)生新的物質(zhì)，這就是電解現(xiàn)象。 可以檢驗陶瓷材料是否存在離子電導，并且可以判可以檢驗陶瓷材料是否存在離子電導，并且可以判定載流子是正離子還是負離子。定載流子是正離子還是負離子。 遷移率和導電率的一般表達式遷移率和導電率的一般表達式 電流密度電流密度(j) :單位時間（單位時間（1s）通過單位截面）通過單位截面s的電荷量的電荷量. j=n

3、qv或或 j=i/s 由由 r =v/i r=h/ s e= v/ h 歐姆定律最一般的形式歐姆定律最一般的形式電導率（電導率（）與遷移率（）與遷移率（）：）：j/enqv/e=nq j=e/=ej：電流密度：電流密度：e：電場強度；：電場強度； ：載流子的遷移率；：載流子的遷移率；q：一個載流子的電荷：一個載流子的電荷n：載流子的濃度：載流子的濃度.iiiiiqn載流子的遷移率的物理意義為：載流子在單位載流子的遷移率的物理意義為：載流子在單位電場中的遷移速度。電導率的一般表達式為電場中的遷移速度。電導率的一般表達式為 該式反映電導率的微觀本質(zhì)，即宏觀電導率該式反映電導率的微觀本質(zhì)，即宏觀電導

4、率與微觀載流子的濃度與微觀載流子的濃度n，每一種載流子的電荷量，每一種載流子的電荷量q以及每種載流子的遷移率的關(guān)系。以及每種載流子的遷移率的關(guān)系。 將主要依據(jù)此式來討論電導的性能。將主要依據(jù)此式來討論電導的性能。離子導電離子導電材料：固體電介質(zhì)。 陽離子導體：銀離子、銅離子、鈉離子、鋰離子、氫離子等； 陰離子導體：氟離子、氧離子。 快離子相的概念快離子相的概念固體從非傳導態(tài)進入傳導態(tài)有三種情況：固體從非傳導態(tài)進入傳導態(tài)有三種情況：（1）正常熔化態(tài)。）正常熔化態(tài)。 （2）非傳導態(tài)經(jīng)過一級相變進入導電態(tài)。相變前后均保）非傳導態(tài)經(jīng)過一級相變進入導電態(tài)。相變前后均保持固態(tài)特性，僅結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。稱這一特

5、殊導電相為持固態(tài)特性，僅結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。稱這一特殊導電相為快離子相。其結(jié)構(gòu)從有序向無序轉(zhuǎn)變或亞晶格熔融?？祀x子相。其結(jié)構(gòu)從有序向無序轉(zhuǎn)變或亞晶格熔融。如：銀離子、銅離子導體。如：銀離子、銅離子導體。（3）法拉第轉(zhuǎn)變態(tài)，）法拉第轉(zhuǎn)變態(tài)， 沒有確切的相變溫度，沒有確切的相變溫度， 是一個溫度范圍，是一個溫度范圍， 在此溫度范圍電導率在此溫度范圍電導率 緩慢上升。例如緩慢上升。例如na2s.1/tlg （1）（2）（3） 以ag+為例， （2）的物理圖象為： 低溫時，晶格由陰陽離子共同組成； 當溫度升上到相變溫度時，所構(gòu)成的陽離子亞晶格發(fā)生熔化； 陰離子亞晶格由于陽離子亞晶格的無序而重新排列構(gòu)成新相的

6、骨架； 陽離子在這些骨架的間隙上隨機分布，可動陽離子在這一新相中的間隙位置間很容易運動。體心立方晶格導電通道體心立方晶格導電通道面心立方晶格導電通道面心立方晶格導電通道晶格導電通道概貌晶格導電通道概貌固體電解質(zhì)的離子傳導機理固體電解質(zhì)的離子傳導機理六方密堆積的晶格導電通道六方密堆積的晶格導電通道離子導電的種類離子導電的種類本征導電本征導電-晶格點陣上的離子定向運動（熱缺晶格點陣上的離子定向運動（熱缺陷的運動）。陷的運動）。 弗侖克爾缺陷為填隙離子弗侖克爾缺陷為填隙離子-空位對?？瘴粚Α?肖特基缺陷為陽離子空位肖特基缺陷為陽離子空位-陰離子空位對。陰離子空位對。溶質(zhì)導電溶質(zhì)導電-溶質(zhì)離子的定向運

7、動。溶質(zhì)離子的定向運動。 填隙離子或置換離子。填隙離子或置換離子。納米材料對離子電導的影響納米材料對離子電導的影響熱缺陷的運動；間隙離子的電導率： =asexp-(e2 +es/2)/ kbt= asexp-ws/kbt擴散： =dnq2/kt電子導電 按導電性能分為：導體（包括超導體），半導體和絕緣體金屬的導電性質(zhì)的理論解釋：電流隨電壓成正比增加（歐姆定律）；純金屬室溫電導率為10-5cm量級；高溫（德拜溫度以上），電阻隨溫度成正比上升，低溫時大致和t5成正比；含雜質(zhì)和缺陷的金屬的電阻是純金屬電阻加上和溫度有關(guān)的一個電阻值。金屬導電的理論的發(fā)展 經(jīng)典自由電子理論 量子自由電子理論 能帶理論

8、kxkykzo狀態(tài)代表點在狀態(tài)代表點在k空間中的分布空間中的分布f(e)e的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線 能帶理論 上世紀30年代初布洛赫和布里淵等人研究了周期場中運動的電子性質(zhì)，為固體電子的能帶理論奠定了基礎(chǔ)。 能帶論是以單電子在周期性場中運動的特征來表述晶體中電子的特征，是一個近似理論，但對固體中電子的狀態(tài)作出了較為正確的物理描述。 兩種近似方法近自由電子近似和緊束縛近似。近自由電子近似理論近自由電子近似理論 零級近似時，用勢場平均值代替弱周期場v(x)； 所謂弱周期場是指比較小的周期起伏做為微擾處理。r()vr單電子的周期性勢場單電子的周期性勢場近自由電子近似能帶圖示近自由電子近似能帶圖示 一維能

9、帶結(jié)構(gòu)簡約區(qū)圖示一維能帶結(jié)構(gòu)簡約區(qū)圖示 重復區(qū)重復區(qū)擴展區(qū)擴展區(qū) -3 /a - /a 0 /a 3 /a ke e與與k的關(guān)系的關(guān)系 能帶能帶 簡約布里淵區(qū)簡約布里淵區(qū)允帶允帶允帶允帶允帶允帶允帶允帶禁帶禁帶晶體中電子的能帶晶體中電子的能帶緊束縛近似理論緊束縛近似理論 原子結(jié)合為晶體時，電子的狀態(tài)發(fā)生了根本性的變化，電子從孤立原子的束縛態(tài)變?yōu)榫w中的共有化狀態(tài)。電子狀態(tài)變化的大小取決于電子在某原子附近所受該原子勢場的作用與其它諸原子勢場作用的相對大小。 若原子所處原子勢場的作用較之其它原子勢場的作用要大得多，例如對于原子中內(nèi)層電子，或晶體間距較大時，上面討論的近自由電子近似就不適用，這時共有

10、化運動狀態(tài)與束縛態(tài)之間有直接聯(lián)系，即緊束縛近似理論。 緊束縛理論的實質(zhì)是把原子間相互作用影響看成微擾的簡并微擾方法，微擾后的狀態(tài)是n個簡并態(tài)的線性組合。 +原子結(jié)合成晶體時晶體中電子的共有化運動原子結(jié)合成晶體時晶體中電子的共有化運動e原子能級分裂為能帶原子能級分裂為能帶 原子能級與能帶之間的原子能級與能帶之間的對應對應j012j1散射：電子與晶體中的聲子、雜質(zhì)離子、缺陷等發(fā)生散射：電子與晶體中的聲子、雜質(zhì)離子、缺陷等發(fā)生碰撞的過程。碰撞的過程。 散射的原因：周期性勢場被破壞。散射的原因：周期性勢場被破壞。周期性勢場被破壞的原因：半導體內(nèi)存在附加勢場，周期性勢場被破壞的原因：半導體內(nèi)存在附加勢場

11、，這一勢場使周期性勢場發(fā)生變化。這一勢場使周期性勢場發(fā)生變化。附加勢場的作用：使能帶中的電子在不同附加勢場的作用：使能帶中的電子在不同k狀態(tài)間躍狀態(tài)間躍遷，也即原來沿某一個方向以遷，也即原來沿某一個方向以v(k)運動的電子，附加運動的電子，附加勢場可以使它散射到其它各個方向，以速度勢場可以使它散射到其它各個方向，以速度v(k)運動運動。載流子的散射機構(gòu)載流子的散射機構(gòu)在外電場在外電場e的作用下，的作用下，金屬中的自由電子的加速度：金屬中的自由電子的加速度：a=ee/m e電子每兩次碰撞之間的平均時間電子每兩次碰撞之間的平均時間2 ；松弛時間松弛時間 ，與晶格缺陷和溫度有關(guān)，溫度越高，與晶格缺陷

12、和溫度有關(guān)，溫度越高，晶體缺陷越多電子散射幾率越大，晶體缺陷越多電子散射幾率越大， 越??；越??；單位時間平均散射次數(shù)單位時間平均散射次數(shù)1/2 ；電子質(zhì)量；電子質(zhì)量m e；自由電子的平均速度：自由電子的平均速度：v= ee/m e ；自由電子的遷移率：自由電子的遷移率： e=v/e= e/m e ；晶格場中電子的遷移率：晶格場中電子的遷移率： e=v/e= e/m*（有效電子）（有效電子）1. 電離雜質(zhì)的散射電離雜質(zhì)的散射+2. 晶格振動的散射晶格振動的散射 半導體的主要散射（附加勢場）機構(gòu)有：半導體的主要散射（附加勢場）機構(gòu)有：晶格中的原子在其平衡位置作微振動，引起周期性晶格中的原子在其平衡

13、位置作微振動，引起周期性勢場的破壞，原子振動的具體表現(xiàn)形式為聲子，晶勢場的破壞，原子振動的具體表現(xiàn)形式為聲子，晶格振動的散射可以看作聲子與電子的碰撞。格振動的散射可以看作聲子與電子的碰撞。3. 其它因素引起的散射其它因素引起的散射（3）載流子之間的散射）載流子之間的散射低溫下沒有充分電離的雜質(zhì)散射中性雜質(zhì)通過對周低溫下沒有充分電離的雜質(zhì)散射中性雜質(zhì)通過對周期性勢場的微擾作用引起散射。一般在低溫情況下期性勢場的微擾作用引起散射。一般在低溫情況下起作用。起作用。在刃型位錯處，刃口上的原子共價鍵不飽和，易于俘在刃型位錯處，刃口上的原子共價鍵不飽和，易于俘獲電子成為受主中心，在位錯線成為一串負電中心，

14、獲電子成為受主中心，在位錯線成為一串負電中心，在其周圍由電離了的施主雜質(zhì)形成一個圓拄體的正空在其周圍由電離了的施主雜質(zhì)形成一個圓拄體的正空間電荷區(qū)。間電荷區(qū)。（2）位錯散射）位錯散射（1）中性雜質(zhì)的散射）中性雜質(zhì)的散射+影響金屬導電性的因素 溫度 應力 冷加工變形 合金元素及相結(jié)構(gòu)納米材料對于電子電導的影響 能帶 載流子散射納米材料的電學特性 同一種材料，當顆粒達到納米級時，它的電阻、電阻溫度同一種材料，當顆粒達到納米級時，它的電阻、電阻溫度系數(shù)都會發(fā)生變化。如銀是良導體，但是系數(shù)都會發(fā)生變化。如銀是良導體，但是10-15nm10-15nm大小的銀大小的銀顆粒的電阻會突然升高，失去金屬的特征；

15、對于典型的絕顆粒的電阻會突然升高，失去金屬的特征；對于典型的絕緣體氮化硅、二氧化硅等，當其顆粒尺寸小到緣體氮化硅、二氧化硅等，當其顆粒尺寸小到15-20nm 15-20nm 時，時，電阻卻大大下降使它們具有導電性能。電阻卻大大下降使它們具有導電性能。 納米電子器件的基本現(xiàn)象納米電子器件的基本現(xiàn)象 電導量子化 庫倫阻塞效應 普適電導漲落 量子相干效應材料的介電性能 電介質(zhì)：絕緣體，半導體。 介電常數(shù) 介電損耗納米材料的介電限域效應介電限域效應 如果量子點材料和基體材料的介電性質(zhì)不同如果量子點材料和基體材料的介電性質(zhì)不同,當半導體材當半導體材料從體相減小到可以產(chǎn)生量子尺寸效應以后料從體相減小到可以

16、產(chǎn)生量子尺寸效應以后,量子點中量子點中的電子、空穴和激子等載流子受到由于量子點材料和基的電子、空穴和激子等載流子受到由于量子點材料和基體材料的介電性質(zhì)不同引起量子點電子結(jié)構(gòu)的變化的影體材料的介電性質(zhì)不同引起量子點電子結(jié)構(gòu)的變化的影響響,這種效應稱為介電受限效應。這種效應稱為介電受限效應。 當納米材料與介質(zhì)的介電常數(shù)值相差較大時，便產(chǎn)生明顯的介電限域效應，此時，帶電粒子間的庫侖作用力增強，結(jié)果增強了電子-空穴對之間的結(jié)合能和振子強度，減弱了產(chǎn)生量子尺寸效應的主要因素電子-空穴對之間的空間限域能，即此時表面效應引起的能量變化大于空間效應所引起的能量變化，從而使能帶間隙減小，反映在光學性質(zhì)上就是吸收光譜表現(xiàn)出明顯的紅移現(xiàn)象。納米材料的介電性 使用納米材料將大大降低電容器的尺寸。并且納米電容材料使用納米材料將大