金屬材料的導電性課件

1、金屬材料的導電性1第二章 材料的電學性能金屬材料的導電性2金屬材料的導電性3在許多情況下，材料的導電性能比力學性能和熱學還重要。 導電材料、電阻材料、電熱材料、半導體材料、超導材料和絕緣材料等都是以材料的導電性能為基礎的。 金屬材料的導電性4n 長距離傳輸電力的金屬導線應該具有很高的導電性，以減少由于電線發(fā)熱造成的電力損失。 舉例： n 陶瓷和高分子的絕緣材料必須具有不導電性，以防止產(chǎn)生短路或電弧。 n 作為太陽能電池的半導體對其導電性能的要求更高，以追求盡可能高的太陽能利用效率。 金屬材料的導電性5本章內(nèi)容 金屬的導電性 合金的導電性 半導體的導電性 材料的介電性 材料的超導電性金屬材料的導

2、電性6什么是材料的導電性？ejslrlsr1導電導電電阻電阻電阻率電阻率電導率電導率能夠攜帶電荷的粒子稱為載流子u 金屬、半導體和絕緣體中載流子電子 u 離子化合物中的載流子離子 微觀機理：材料中帶有電荷的粒子響應電場作用發(fā)生 定向移動的結果。歐姆定律歐姆定律金屬材料的導電性7一些材料在室溫下的電阻率金屬材料的導電性8材料按電性能分類:導體、半導體、絕緣體金屬材料的導電性9導導 體體 純金屬的電阻率在108 107 m 金屬合金的電阻率為107 105 m半導體半導體 電阻率為103 10+5 m絕緣體絕緣體 電阻率為10+9 10+17 m電阻率的大小取決于材料的結構。金屬材料的導電性10第

3、一節(jié) 金屬的導電性 晶體的能帶理論 金屬的導電機制 馬基申定則 影響因素 金屬材料的導電性111. 晶體的能帶理論 晶體的能帶理論是在量子力學研究金屬導電理論的基礎上發(fā)展起來的，它的成功之處是在于定性地闡明了晶體中電子運動的規(guī)律。特征：不連續(xù)能量分布的價電子在周期性勢場中的運動。原子核電子內(nèi)層電子外層電子離子實價電子構成等效勢場金屬材料的導電性12能帶理論的出發(fā)點是固體中的電子不再束縛于個別的原子，而是在整個固體內(nèi)運動，稱為共有化電子。在討論共有化電子的運動狀態(tài)時，假定原子實處在平衡位置，而把原子實偏離平衡位置的影響看成微擾。能帶理論的基本思想金屬材料的導電性13晶體的能帶價電子的共有化使單個

4、原子的價電子能級分裂，形成了能帶。金屬材料的導電性14能量能量能帶能帶能帶能帶禁帶禁帶平衡間距平衡間距原子間距原子間距能級能級能級能級孤立原子孤立原子的能級的能級金屬材料的導電性15電子的填充規(guī)則n電子填充在一系列準連續(xù)分布的能級上，服從泡利不相容原理，即依次從低向上填充，每一個能級上最多可填充2個電子；n電子的分布服從費米-狄拉克分布：n電子占據(jù)幾率為1/2的能級位置稱為費米能級，它反映了電子的填充水平。1exp1bfiitkeef電子的某一能級上的分布幾率：金屬材料的導電性16費米分布函數(shù)0k 時為一折線，在能量高于費米能量的區(qū)域幾率為零溫度的升高將使得少量能量較高的電子躍遷到高能級。費米

5、能級金屬材料的導電性17金屬材料的導電性18金屬、半導體及絕緣體的比較導帶和價帶重疊絕緣體的禁帶一般大于 5 ev半導體的禁帶一般小于 3 ev金屬材料的導電性19金屬絕緣體半導體特征：最高占有帶僅部分充滿，即除了滿帶外，存在不滿帶。特征：電子恰好填滿了最低的一系列能帶，能量更高的 能帶都是空的，而且禁帶很寬（大于5 ev）。特征：禁帶寬度較窄（低于2.0 ev）。金屬材料的導電性20常用術語 導帶：最低的不滿帶 價帶：最高的滿帶 禁帶：價帶最高能級與導帶最低能級之間的 能量間隙 滿帶：所有能級全被2n個電子所充滿的能帶 空帶：無電子填充的能帶 允帶：允許電子能量存在的范圍 金屬材料的導電性2

6、1為什么金屬能夠?qū)щ姡繜o外電場時滿帶不滿帶e(k)v(k)kke(k)kv(k)k在無外電場作用時，無論是滿帶還是非滿帶電子對電流的貢獻均為零，故晶體中無宏觀電流。金屬材料的導電性22e(k)v(k)kk有外電場時滿帶不滿帶e(k)kv(k)k在外電場作用下：滿帶電子沒有導電作用；而在非滿帶中的電子運動可以產(chǎn)生電流。為什么金屬能夠?qū)щ姡拷饘俨牧系膶щ娦?3第一節(jié) 金屬的導電性 晶體的能帶理論 金屬的導電機制 馬基申定則 影響因素 金屬材料的導電性242. 金屬的導電機制金屬純金屬、合金晶態(tài)、非晶態(tài)純金屬：易于從理論上探討其物性的共同規(guī)律。合金或金屬間化合物：可從工程上突出其使用性能。金屬電學性

7、能的研究對象金屬材料的導電性25mg 金屬電子能帶金屬電子能帶3s3pna 金屬電子能帶金屬電子能帶3s3pal 金屬電子能帶金屬電子能帶3p3s622221pss13s滿滿電電子子能能帶帶半半滿滿帶帶622221pss23s03p滿滿電電子子能能帶帶空空帶帶存在導帶存在導帶滿帶和空帶重疊滿帶和空帶重疊622221pss1233ps滿滿電電子子能能帶帶允允帶帶滿帶和允帶重疊滿帶和允帶重疊幾種典型金屬的能帶金屬材料的導電性26實際晶體總會有雜質(zhì)，存在缺陷。傳導電子在輸運過程中的散射：電子電子(電子散射)電子聲子(聲子散射)電子與雜質(zhì)原子電子與晶體點陣靜態(tài)缺陷的相互作用金屬中的電阻基本電阻基本電阻

8、0 k下為零理想金屬的電阻只與電子散射和聲子散射兩種機制有關。殘余電阻殘余電阻金屬材料的導電性27istrained region by impurity exerts ascattering forcef= d(pe)/dxtwo different types of scattering processes involving scattering fromimpurities alone and thermal vibrations alone.電子-聲子與t 成正比電子-缺陷與t 無關金屬材料的導電性28第一節(jié) 金屬的導電性 晶體的能帶理論 金屬的導電機制 馬基申定則 影響因素 金屬材

9、料的導電性293. 馬基申定則 i殘ti t殘為金屬的基本電阻率，與溫度有關；為化學缺陷和物理缺陷引起的殘余電阻率，與溫度無關。聲子散射和電子散射雜質(zhì)和缺陷上的散射反映了金屬的純度和完整性金屬材料的導電性30常常采用相對電阻率晶體越純，越完善，相對電阻率越大，許多完整的金屬單晶可得到高達2l04的相對電阻率。u 對理想的金屬（沒有缺陷和雜質(zhì)），其電阻率在絕對 零度時為零；u 金屬的電阻率隨溫度升高而增大；u 高溫時金屬的電阻率取決于 ，低溫時取決于 。 t殘kk2 . 4300/金屬材料的導電性31金屬中的電導與熱導ltlvmen*2*2魏德曼 - 弗蘭茲定律 傳導方式： 自由電子運動 熱阻或

10、電阻的起因：電子 電子之間的碰撞 低溫下的電阻或熱阻：都與電子 聲子之間的碰撞有關jjjjlc31電導率電導率熱導率熱導率金屬材料的導電性32第一節(jié) 金屬的導電性 晶體的能帶理論 金屬的導電機制 馬基申定則 影響因素 金屬材料的導電性334. 影響導電性的因素 溫度的影響 受力情況的影響 冷加工的影響 晶體缺陷的影響 熱處理的影響 幾何尺寸效應的影響金屬材料的導電性34溫度對金屬電阻的影響 一般規(guī)律 過渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變 鐵磁金屬的電阻-溫度關系的反常金屬材料的導電性35 一般規(guī)律1理想金屬晶體2含有雜質(zhì)的金屬3含有晶體缺陷的金屬 殘t金屬材料的導電性36在室溫和更高溫度在室溫和更高溫度下，

11、非過渡金屬的下，非過渡金屬的電阻率：電阻率：非過渡族金屬的電阻溫度曲線電子-聲子散射電子-電子散射tt10電阻溫度系數(shù)電阻溫度關系在低溫條件下較復雜，室溫以上則較簡單。金屬材料的導電性37電阻溫度系數(shù)dtdtt1tt000 t 溫區(qū)的平均溫度系數(shù)在溫度t 時的真電阻溫度系數(shù)為純金屬：純金屬： 4103過渡族金屬，特別是鐵磁性金屬過渡族金屬，特別是鐵磁性金屬較高較高fe：6103co ：6.6103 ni ：6.2103 金屬材料的導電性38過渡族金屬n 過渡族金屬的電阻可以認為是由一系列具有不同 溫度關系的成分疊加而成。n 過渡族金屬 的反常往往是由兩類載體的不同 電阻與溫度關系決定的。)(t

12、金屬材料的導電性39多晶型轉(zhuǎn)變多晶型金屬電阻率與溫度的關系線性關系只保持到350 850 900出現(xiàn)了多晶型轉(zhuǎn)變?？昭▽щ娍昭▽щ娋€性關系破壞線性關系破壞金屬材料的導電性40鐵磁金屬的電阻 - 溫度關系反常n 鐵磁金屬在居里點 附近電阻率溫度系數(shù)存在 著極大值。n 原因：與自發(fā)磁化有關2sm金屬材料的導電性41d/ni和pd的 與溫度的關系金屬材料的導電性42溫度對具有磁性轉(zhuǎn)變金屬比電阻和電阻溫度系數(shù)的影響金屬材料的導電性43受力情況的影響10p10應力系數(shù)n 拉力的影響n 壓力的影響在彈性范圍內(nèi)單向拉伸或扭轉(zhuǎn)應力能提高金屬的。對大多數(shù)金屬來說，在受壓力情況下電阻率降低。壓力系數(shù)原因：金屬在壓

13、力作用下，其原子間距縮小，內(nèi)部缺陷形態(tài)、電子結構、費米面和能帶結構以及電子散射機制等都將發(fā)生變化。為負為正金屬材料的導電性44n 正常金屬元素n 反常金屬元素電阻率隨壓力升高而下降，如fe、co、ni、rh、pd、cu、ag等。電阻率隨壓力升高到一定值后下降，即電阻率有極大值，如堿金屬、堿土金屬、稀土金屬和第族的半金屬等。與壓力作用下的相變有關金屬材料的導電性45r/r0r/r0p10-8 pap10-8 pa正常元素反常元素金屬材料的導電性46冷加工對金屬電阻的影響n 冷加工變形使純金屬電阻率增加n 冷加工變形使一般固溶體電阻增加10-20 %，使 有序固溶體增加100 %甚至更高n 對ni

14、-cu，ni-cu-zn，fe-cr-al等合金，冷加工 變形則使電阻降低t低溫時用電阻法研究金屬的冷加工更為有效金屬材料的導電性47晶體缺陷對電阻的影響n 晶體缺陷（空位、位錯、間隙原子等）會使金屬 電阻率增加n 點缺陷引起的殘余電阻率變化遠比線缺陷的影響大n 對多數(shù)金屬，當形變量不大時，位錯引起的電阻率 變化與位錯密度變化之間呈線性關系金屬材料的導電性48空位、位錯對一些金屬電阻率的影響金屬材料的導電性49熱處理對金屬電阻的變化一般，淬火使晶格畸變，電阻增加，退火使畸變回復電阻降低。當退火溫度接近再結晶溫度時，電阻可恢復到接近冷加工前的水平；但當退火溫度高過再結晶溫度時，電阻反又增大，原因是再結晶后新晶粒的晶界阻礙了電子運動。淬火能夠固定金屬在高溫時空位的濃度，從而產(chǎn)生殘余電阻。淬火溫度愈高空位濃度愈高，則殘余電阻率就越大。金屬材料的導電性50冷加工變形fe的電阻在退火時的變化退火溫度退火溫度/%/1rr1形變量99.8 %2形變量97.8 %3形變量93.5 %4形變量80 %5形變量44 %金屬材料的導電性51幾何尺寸的影響kkrr2 . 4273/隨著鉬、鎢單晶體厚度變薄，4.2 k時晶體的電阻增大dld/1薄膜試樣