材料物理性能2(120)

1、第一章 材料的電學性能主講：胡木林2016年09月材料物理性能材料的電學性能n材料的導電性n半導體的電學性能n絕緣體的電學性能n超導電性n導電性的測量引言一、載流子電流是電荷的定向運動，電荷的載體稱為載流子。載流子電子、空穴正離子、負離子、空位二、遷移數(shù)表征材料導電載流子種類對導電貢獻的參數(shù)，用tx表示。ti+、ti-、te-、th+離子遷移數(shù)ti0.99的導體為離子導體； ti0.99的導體為混合導體。Txxt某種載流子輸運電荷的電導率各載流子輸運電荷的總電導率某一種載流子輸運電荷占全部電導率的分數(shù)第一節(jié) 材料的導電性一、電阻率和電導率歐姆定律：U=RIR表示導體的電阻，不僅與導體材料本身的

2、性質(zhì)有關，而且還與其長度l及截面積S有關，其值Rl/S，式中 稱為電阻率或比電阻。電阻率只與材料特性有關，而與導體的幾何尺寸無關，因此評定材料導電性的基本參數(shù)是電阻率或電導率，電阻率的單 位為m, cm, cm。當施加的電場產(chǎn)生電流時，電流密度J正比于電場強度E，其比例常數(shù)即為電導率：電阻率的倒數(shù)即為電導率，即=1/，電導率的單位為S/m或-1m-1。工程上用相對電導率IACS%= / Cu%表征導體材料的導電性能。EJ國際標準軟純銅電導率導體： 108 cm；半導體： 值介于10-3108 cm之間。二、金屬導電理論二、金屬導電理論經(jīng)典自由電子論1900年特魯?shù)?洛倫茲 1.經(jīng)典自由電子理論

3、（量子理論發(fā)展前）霍耳效應當金屬導體處于與電流方向相垂直的磁場內(nèi)時，則在?？鐦悠返膬擅娈a(chǎn)生一個與電流和磁場都垂直的電場，此現(xiàn)象稱為霍耳效應。 表征霍耳場的物理參數(shù)：霍耳系數(shù) 又因可得由式可見，霍爾系數(shù)只與金屬中的自由電子密度有關?；魻栃C明了金屬中存在自由電子，理論計算與實驗測定結(jié)果對典型金屬相一致。0BJERxHHneBJExH0neRH1電導率：tmnevmlne22經(jīng)典電子論的局限性經(jīng)典電子論模型成功地說明了歐姆定律，導電與導熱的關系。但在說明以下問題遇到困難：n實際測量的電子自由程比經(jīng)典理論估計值大許多；n電子比熱容測量值只是經(jīng)典理論值的百分之一；n霍爾系數(shù)按經(jīng)典自由電子理論只能為負

4、，但在某些金屬中發(fā)現(xiàn)有正值；n無法解釋半導體，絕緣體導電性與金屬的巨大差異。這些都表明經(jīng)典電子論的不完善，其主要原因在于它機械地搬用經(jīng)典力學去處理微觀質(zhì)點的運動，因而不能正確反映微觀質(zhì)點的運動規(guī)律。2.量子自由電子理論量子理論的一些法則 電子具有波、粒兩相性，運動著的電子作為物質(zhì)波，在一價金屬中，自由電子的動能E等mv2/2.有電場時的E-K曲線量子自由電子理論的電阻率表達式tmnevmlne22FFmvlne2lF為費米面附近電子平均自由程；vF為費米面附近電子平均運動速度。3. 能帶理論由于周期勢場的存在，由于周期勢場的存在，自由電子的能級發(fā)生自由電子的能級發(fā)生分裂，出現(xiàn)允帶和禁分裂，出現(xiàn)

5、允帶和禁帶。帶。周期場中電周期場中電子運動的子運動的E-K曲線及能帶曲線及能帶電阻率n nef ef為單位體積內(nèi)實際參與傳導過程的電子數(shù)，稱為有效自由電子數(shù)。不同材料n nef ef 不同。一價金屬的n nef ef比二、三價金屬多，因此它們的導電性較好。m m* *表示電子的有效質(zhì)量， 它是考慮晶體點陣對電場作用的結(jié)果。 為散射系數(shù)， 1/1/l l2*envmefF當電子波通過理想晶體點陣(0K)時,不受散射；只有晶體在點陣完整性遭到破壞的地方，電子波受到散射，這就是金屬產(chǎn)生電阻的根本原因。金屬產(chǎn)生電阻的根本原因。若金屬中含有少量雜質(zhì)，雜質(zhì)原子使金屬正常的結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，對電子波引起額外散射

6、。此時散射系數(shù)T與溫度成正比與雜質(zhì)濃度成正比與溫度無關此時，總電阻包括金屬的基本電阻和溶質(zhì)濃度引起的電阻。電阻率遵循馬西森定律：當處于高溫時，金屬電阻主要由(T)主導；在低溫時，是主要的。在極低溫度下（4.2K)測得的金屬電阻率稱為金屬剩余電阻金屬剩余電阻率率，可作為衡量金屬純度的重要指標。)(T(T)與溫度有關的電阻率與雜質(zhì)濃度、點缺陷、位錯有關電子類載流子導電金屬導電性 主要以電子、空穴作為載流子導電的材料，可以是金屬或半導體。q導電機制 由經(jīng)典自由電子理論得到： 由能帶理論得到： 為考慮晶體點陣對電場作用后電子的有效質(zhì)量 為Fermi面附近電子的平均自由程材料物理性能材料的電學性能2ne

7、 lmv2*efFFn e lm v*mFl 當電子波通過完整晶體點陣時 (0K)，將不受散射，電阻為0； 為無窮大；在晶體點陣完整性遭到破壞的地方，電子才受到散射，形成金屬的電阻。 可定義為散射系數(shù)，記為 因此電阻率為 與溫度成正比； 雜質(zhì)原子使晶體點陣的周期性破壞，增加散射系數(shù)的值；材料物理性能材料的電學性能Fl2*efFFn e lm v1/Fl*2Fefm vn e 散射系數(shù)可分成兩部分：因此，電阻率記為此即為Matthiessen定律。 基本電阻； 金屬剩余電阻。 根據(jù)Matthiessen定律可以測定金屬晶體的純度電學純度。指標為：材料物理性能材料的電學性能T*22FFTTefef

8、m vm vnene T3004.2/KKq電阻率與溫度的關系 理想金屬在0K時電阻為0，當溫度升高時，電阻隨溫度單調(diào)增加；當有雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷時，電阻與溫度的關系曲線發(fā)生變化。 金屬的電阻率隨溫度升高而增大。在不同溫度區(qū)間，電子散射的機制不同，因此電阻與溫度的關系不同。在低溫下，“電子電子”散射對電阻的貢獻較為顯著；所有溫度條件下，大多數(shù)金屬的電阻都取決于“電子聲子”散射。材料物理性能材料的電學性能 原子熱振動在兩個溫度區(qū)域（以德拜溫度 為臨界點）存在本質(zhì)差別。其電阻與溫度變化規(guī)律如下：根據(jù)數(shù)學知識，溫度T時的電阻率可以展開為：對于普通的非過渡族金屬，德拜溫度一般不超過500K，當 時，線性關

9、系足夠正確： 5/,/DDDDDTTTTT 當時，當時2301TTTT23DT 01TTD材料物理性能材料的電學性能式中，為電阻溫度系數(shù)真電阻溫度系數(shù)則為：金屬熔化時電阻發(fā)生顯著變化：01TT00TT01TddT材料物理性能材料的電學性能發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變時，電阻率也表現(xiàn)顯著變化：材料物理性能材料的電學性能q電阻率與壓力的關系 在流體靜壓力壓縮時，金屬原子間距縮小，內(nèi)部缺陷形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)、費密能和能帶結(jié)構(gòu)都將發(fā)生變化，因而影響金屬的導電性能。 在流體靜壓下，金屬的電阻率計算：按壓力對金屬導電性的影響，金屬分為：正常金屬：隨壓力增大，電阻率下降；反常金屬：隨壓力增大，電阻率上升；大多為堿金屬和稀土金屬

10、01pp材料物理性能材料的電學性能高的可以使很多物質(zhì)由半導體、絕緣體變?yōu)榻饘伲翰牧衔锢硇阅懿牧系碾妼W性能q冷加工和缺陷對電阻率的影響 冷加工引起晶格畸變，增加電子散射幾率，導致金屬電阻率增加。 冷加工金屬的電阻率可由Matthisessen定律表達：冷加工金屬退火后，電阻率可恢復M材料物理性能材料的電學性能q冷加工和缺陷對電阻率的影響 冷加工引起晶格畸變，增加電子散射幾率，導致金屬電阻率增加。 冷加工金屬的電阻率可由Matthisessen定律表達：冷加工金屬退火后，電阻率可恢復M材料物理性能材料的電學性能q電阻率的尺寸效應 導體的導電機制， 為Fermi面附近電子的平均自由程2*efFFn

11、e lm vFl材料物理性能材料的電學性能q電阻率的各向異性對稱性高的金屬的電阻表現(xiàn)為各向同性；對稱性差的晶體，其導電性表現(xiàn)為各向異性。材料物理性能材料的電學性能q固溶體的電阻率 一般來說，固溶體形成時，晶格勢場的周期性被破壞，合金的導電性能降低。在連續(xù)固溶體中合金成分距組元越遠，電阻率越高。鐵磁性及強順磁性金屬固溶體的電阻率變化有異常。低濃度固溶體電阻率也可由Matthiessen定律表示為：0C 材料物理性能材料的電學性能q化合物、中間相、多相合金的電阻率材料物理性能材料的電學性能有序轉(zhuǎn)變時，電阻率也發(fā)生變化：材料物理性能材料的電學性能三、無機非金屬材料的導電機理離子電導是帶電荷的離子載流

12、子在電場作用下的定向運動。電荷載流子一定是材料中最易移動的離子。 離子型晶體可分為兩類：材料物理性能材料的電學性能離子型晶體的導電機理第一類離子電導第一類離子電導源于晶體點陣中基本離子基本離子的運動，稱為離子固有電導或本征電導。本征電導在高溫高溫下為導電主要表現(xiàn)。這種離子隨著熱振動的加劇而離開晶格陣點，形成熱缺陷。這種熱缺陷無論是離子或者空位均帶電，可作為載流子，參加導電。第二類離子電導第二類離子電導是結(jié)合力比較弱的離子運動造成的，這些離子主要是雜質(zhì)離子雜質(zhì)離子，因而稱為雜質(zhì)電導。在低溫低溫下，離子晶體的電導主要由雜質(zhì)載流子濃度決定。由雜質(zhì)引起的電導率可以用下式表示，即當材料中存在多種載流子時

13、，材料的總電導率是各種電導率的總和，可表示為：)/exp(TBAA、B為材料常數(shù))/exp(TBAiiiq離子電導理論離子導電性可以認為是離子電荷載流子在電場作用下，通過材料的長距離的遷移。因此，電荷載流子一定是材料中最易移動的離子?？紤]離子在一維平行于x方向上移動，那么越過能壘V的幾率P為：為與不可逆跳躍相關的適應系數(shù) 為離子在勢阱中振動頻率。當加上電場后，沿電場方向位壘降低，而反電場方向位壘將提高。expkTVhkTP/kT h材料物理性能材料的電學性能如果勢阱之間距離為b，那么，向右的勢能降低：F是作用在離子價為z的離子上的電場力。因此，向右運動的幾率為：向左運動的幾率為：正的遷移次數(shù)多

14、于負的，因此，在電場方向上存在一平均漂移速度：1122UFbzeEb1212expVFbkThkTP122expFbkTPP122expFbkTPP1222expexpFbFbkTkTvb PPbP材料物理性能材料的電學性能只要電場強度足夠低 ，那么在足夠強大的電場作用下，電流密度j為：代入P, 并令2sinhFbkTvbP12FbkT22b PFvkT2expFbkTvAjnzev222222nzeb PFnz e b PEjkTkT222exp2dcGn z e b EjhRT0dcGVN材料物理性能材料的電學性能電阻率為，經(jīng)驗公式則為，2222expdcGEhjn z e bRT2222

15、lnlndcGhn z e bRT222lnln2dcGn z e bhRTlnBATlnBAT材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能由熱力學第二定律得根據(jù)此式，可由實驗測定直流電導率得到的自由能變化研究過程的焓變和熵變。dcdcdcGHT S 222222lnln2lnexp2dcdcdcGn z e bhRTSHn z e bhRRT材料物理性能材料的電學性能離子電導與擴散 離子的尺寸和質(zhì)量都比電子大很多，其運動方式是從一個平衡位置跳躍到另一平衡位置，因此，離子導電可以看成是離子在電場作用下的擴散現(xiàn)象。載流子離子濃度梯度所形成的電流密度為：當存在電場E作用時，其產(chǎn)生的電流密度

16、可用歐姆定律的微分形式表示為：總電流密度則為：1nJDqx 2VJExinVJDqxx 材料物理性能材料的電學性能根據(jù)波爾茲曼分布，在存在電場時則濃度表示為因此，濃度梯度為，在熱平衡下，可以認為，因此，可得到， 此式即為能斯特愛因斯坦方程，建立了離子電導率和離子擴散系數(shù)D之間的關系。0exp/nnqV kT0exp(/)nqVqnVnqV kTxkTxkTx 0iJ 2inVJDqxxnDqVVkTxx 2nqDkT材料物理性能材料的電學性能能斯脫愛因斯坦方程：其中，D為擴散系數(shù)；n為載流子單位體積濃度；q為離子電荷電量。離子導電是離子在電場作用下的擴散現(xiàn)象，其擴散路徑暢通，離子擴散系數(shù)就高，

17、導電率也就高。根據(jù)nq可得為離子遷移率；B為離子絕對遷移率，B/qkTnqD2離子電導率和離子擴散系數(shù)間建立聯(lián)系BkTkTqDq離子導電的影響因素n溫度的影響溫度以指數(shù)形式影響其電導率。隨著溫度從低溫向高溫增加，其電阻率的對數(shù)的斜率出現(xiàn)拐點，將整個區(qū)間分為高溫區(qū)的本征導電，低溫區(qū)的雜質(zhì)導電。材料物理性能材料的電學性能n離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)的影響 離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)對離子導電的影響是通過改變導電激活能實現(xiàn)的。熔點高的晶體，結(jié)合力大，相應的導電激活能也高，電導率就低； 晶體結(jié)構(gòu)的影響是提供利于離子移動的通路。材料物理性能材料的電學性能n點缺陷的影響 由于熱激活，在晶體中產(chǎn)生Shottky缺陷或Fre

18、nkel缺陷，影響晶體中的擴散系數(shù)，以至影響到固體電解質(zhì)的電導率。此外，環(huán)境氣氛變化，使離子型晶體的正負離子化學計量比發(fā)生變化，而生成晶格缺陷。如ZrO2中，氧的脫離形成氧空位。材料物理性能材料的電學性能q快離子導體(FIC)具有離子導電的固體物質(zhì)稱為固體電解質(zhì)?？祀x子導體電導率比正常離子化合物的電導率高出幾個數(shù)量級的固體電解質(zhì)。常見的快離子導體分為三組：銀和銅的鹵族和硫族化合物金屬原子在這些化合物中鍵合位置相對隨意；具有-氧化鋁結(jié)構(gòu)的高遷移率的單價陽離子氧化物；具有氟化鈣結(jié)構(gòu)的高濃度缺陷氧化物；材料物理性能材料的電學性能快離子導體的電導率：材料物理性能材料的電學性能快離子導體的結(jié)構(gòu)特征：n晶

19、體結(jié)構(gòu)的主體是由一類占有特定位置的離子構(gòu)成；n具有大量的空位，這些空位數(shù)量遠膏腴可移動的離子數(shù)；n亞晶格點陣之間具有近乎相等的能量和相對低的激活能；n在點陣間總是存在通路，以至于沿著有利的路徑可以平移。材料物理性能材料的電學性能（二）玻璃的導電機理第二節(jié) 半導體的電學性能 一.本征半導體在絕對零度和無外界影響的條件下，半導體的空帶中無運動的 電子。但當溫度升高或受光照射時，也就是半導體受到熱激發(fā)熱激發(fā)時，共價鍵中的價電子由于從外界獲得了能量，其中部分獲得了足夠大能量的價電子就可以掙脫束縛，離開原子而成為自由電子。本征半導體就是指純凈的無結(jié)構(gòu)缺陷的半導體單晶。半導體硅The basic bond

20、 representation of intrinsic silicon. A broken bond at Position A, resulting in a conduction electron and a hole. （一）本征載流子濃度（二）本征半導體載流子遷移率在漂移過程中，載流子不斷地互相碰撞，使得大量載流子定向漂移運動的平均速度為一個恒定值，并與電場強度E E成正比。自由電子和空穴的定向平均漂移速度分別為遷移率 （三）本征半導體的電阻率/電導率本征半導體在電場E作用下，空穴載流子將沿E方向作定向漂移運動，產(chǎn)生空穴電流ip；自由電子將逆電場方向作定向漂移運動，產(chǎn)生電子電流 in

21、 ?？傠娏髅芏菾為：EenEenvepvenJJJpinipinipn本征半導體的電阻率：本征電導率：)(pniien)(1pnipiniienEenEenEJE1) 1)本征激發(fā)成對產(chǎn)生自由電子和空穴，自由電子濃度與空穴濃度相等；2) 2)禁帶寬度Eg Eg 越大，載流子濃度n ni i 越小；3) 3)溫度升高時載流子濃度n ni i 增大。4) 4)載流子濃度n ni i 與原子密度相比是極小的，所以本征半導 體的導電能力很微弱。本征半導體的電學特性二.雜質(zhì)半導體（一）n型半導體 雜質(zhì)原子電子成為導電電子所需能量10-2ev硅原子電子成為導電電子所需能量常溫下，每個摻入的五價元素原子的多

22、余價電子都可以進入導帶成為自由電子，因而導帶中的自由電子數(shù)比本征半導體顯著地增多。n型半導體的電流密度：nDnnoneNen11EenjJnnon（二）p型半導體摻入三價雜質(zhì)元素（硼，鋁，鎵，銦）后，三價元素原子只有三個價電子，當其取代點陣中的硅原子并與周圍的硅原子形成共價鍵時，必然缺少一個價電子，形成一個空位置。雜質(zhì)原子接受的電子能量高于價帶頂部能量，但十分接近價帶。Ea是電子從價帶跳到雜質(zhì)原子能級所需能量，稱為受主能級；三價元素原子為受主雜質(zhì)。在常溫下，處于價帶中的價電子都可以進入受主 能級。所以每一個 三價雜質(zhì)元素的原子都能接受一個價電子，而在價帶中產(chǎn) 生一個空穴。pAppopeNep1

23、1EepjJppopP P型半導體的電阻率為：型半導體的電阻率為：式中，式中，N NA A為受主雜質(zhì)濃度為受主雜質(zhì)濃度 雜質(zhì)半導體特性1) 1)摻雜濃度與原子密度相比雖很微小，但是卻能使載流子濃度極大地提高，因而導電能力也顯著地增強。摻雜濃度愈大，其導電能力也愈強。2) 2)摻雜只是使一種載流子的濃度增加，因此雜質(zhì)半導體主要靠多子導電。當摻入五價元素( (施主雜質(zhì)) )時，主要靠自由電子導電；當摻入三價元素( (受主雜質(zhì)) )時，主要靠空穴導電。q半導體材料及應用材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能q少數(shù)載流子的行為 在熱平衡條件下，給定半導體中的電子和空穴共存，其數(shù)量達到穩(wěn)定

24、狀態(tài)。 當受到能量大于帶隙的光子的輻照時，價帶的電子吸收光子能量躍遷至導帶，而在價帶產(chǎn)生空穴，其數(shù)量均超過熱平衡，出現(xiàn)過剩載流子。 當外界條件消除后。導帶中過剩載流子逐漸回到價帶中，即發(fā)生復合。 一般來說，過剩載流子的濃度按指數(shù)規(guī)律衰減：10nne 材料物理性能材料的電學性能復合幾率P為：過剩少子的復合方式：直接復合：間接復合：經(jīng)過復合中心實現(xiàn)； 由雜質(zhì)和缺陷充當復合中心。雜質(zhì)和缺陷還能起陷阱作用， 延長過剩載流子壽命。1P材料物理性能材料的電學性能q半導體接觸金屬半導體結(jié)材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能P-N結(jié) p型半導體與n半導體接觸，載流子發(fā)生擴散。材料物理性能材料的

25、電學性能 載流子發(fā)生擴散，建立起一電場V0，使得擴散過程達到平衡。 接觸的pn結(jié)平衡的條件是：費米能級達到一致。 V0的大小取決于帶隙的寬度、兩種半導體材料的濃度及材料的溫度。材料物理性能材料的電學性能材料的超導性材料的超導性超導特性超導特性1. 1. 完全抗磁性完全抗磁性當超導體冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)楫敵瑢w冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)后，只要周圍的外加磁場沒有強超導態(tài)后，只要周圍的外加磁場沒有強到破壞超導性的程度，到破壞超導性的程度，超導體就會把穿超導體就會把穿透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在在超導體內(nèi)永遠保持磁感應強度為零超導體內(nèi)永遠保持磁感應強度

26、為零。超。超導體的這種特殊性質(zhì)被稱為導體的這種特殊性質(zhì)被稱為“邁斯納效邁斯納效應應”。邁斯納效應與零電阻現(xiàn)象是超導體的邁斯納效應與零電阻現(xiàn)象是超導體的兩個基本特性，兩個基本特性，它們既互相獨立，又密它們既互相獨立，又密切聯(lián)系。切聯(lián)系。 超導特性超導特性2 2. . 超導態(tài)的臨界參數(shù)超導態(tài)的臨界參數(shù) 溫度（溫度（T TC C）超導體必須冷卻至某超導體必須冷卻至某一臨界溫度以下才能保持其超導性。一臨界溫度以下才能保持其超導性。臨界電流密度（臨界電流密度（J JC C）通過超導體通過超導體的電流密度必須小于某一臨界電流密度的電流密度必須小于某一臨界電流密度才能保持超導體的超導性。才能保持超導體的超導

27、性。臨界磁場（臨界磁場（H HC C）施加給超導體的施加給超導體的磁場必須小于某一臨界磁場才能保持超磁場必須小于某一臨界磁場才能保持超導體的超導性。導體的超導性。以上三個參數(shù)彼此關聯(lián)，其相互關系如以上三個參數(shù)彼此關聯(lián)，其相互關系如右圖所示。右圖所示。 超導體分類超導體分類目前已查明在常壓下具目前已查明在常壓下具有超導電性的元素金屬有超導電性的元素金屬有有3232種（如右圖元素周種（如右圖元素周期表中期表中青色方框青色方框所示），所示），而在高壓下或制成薄膜而在高壓下或制成薄膜狀時具有超導電性的元狀時具有超導電性的元素金屬有素金屬有1414種（如右圖種（如右圖元素周期表中元素周期表中綠色方框綠色

28、方框所示所示）。）。 第第I I類超導體類超導體第第I I類超導體類超導體主要包括一些在常溫下具有良好導電性的純金屬，如鋁、鋅、主要包括一些在常溫下具有良好導電性的純金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦等，該類超導體的溶點較低、質(zhì)地較軟，亦被稱作鎵、鎘、錫、銦等，該類超導體的溶點較低、質(zhì)地較軟，亦被稱作“軟超導軟超導體體”。其特征是由正常態(tài)過渡到超導態(tài)時沒有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。其特征是由正常態(tài)過渡到超導態(tài)時沒有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。第第I I類超導體由于其臨界電流密度和臨界磁場較低，因而沒有很好的實用價類超導體由于其臨界電流密度和臨界磁場較低，因而沒有很好的實用價值值。 超導體分類超導

29、體分類超導體分類超導體分類第第IIII類超導體類超導體除金屬元素釩、锝和鈮外，第除金屬元素釩、锝和鈮外，第IIII類超導體主要包括金屬化合物及其合金。類超導體主要包括金屬化合物及其合金。第第IIII類超導體和第類超導體和第I I類超導體的區(qū)別主要在于類超導體的區(qū)別主要在于： 第第IIII類超導體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)時有一個中間態(tài)（混合態(tài)）類超導體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)時有一個中間態(tài)（混合態(tài)） 第第IIII類超導體的混合態(tài)中有磁通線存在，而第類超導體的混合態(tài)中有磁通線存在，而第I I類超導體沒有；類超導體沒有； 第第IIII類超導體比第類超導體比第I I類超導體有更類超導體有更好的實用價值好的實用

30、價值第第IIII類超導體根據(jù)其是否具有類超導體根據(jù)其是否具有磁通釘扎中心磁通釘扎中心而分為理想第而分為理想第IIII類超導體和非類超導體和非理想第理想第IIII類超導體類超導體。理想第理想第IIII類超導體的類超導體的晶體結(jié)構(gòu)比較完整晶體結(jié)構(gòu)比較完整，不存在磁通釘扎中心，并且當磁，不存在磁通釘扎中心，并且當磁通線均勻排列時，在磁通線周圍的渦旋電流將彼此抵消，其體內(nèi)無電流通通線均勻排列時，在磁通線周圍的渦旋電流將彼此抵消，其體內(nèi)無電流通過，從而不具有高臨界電流密度。過，從而不具有高臨界電流密度。非理想第非理想第IIII類超導體的類超導體的晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷，晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷，并且存在磁通釘扎中心，

31、其體并且存在磁通釘扎中心，其體內(nèi)的磁通線排列不均勻，體內(nèi)各處的渦旋電流不能完全抵消，出現(xiàn)體內(nèi)電內(nèi)的磁通線排列不均勻，體內(nèi)各處的渦旋電流不能完全抵消，出現(xiàn)體內(nèi)電流，從而具有高臨界電流密度。在實際上，真正適合于流，從而具有高臨界電流密度。在實際上，真正適合于實際應用的超導材實際應用的超導材料是非理想第料是非理想第IIII類超導體。類超導體。 超導體分類超導體分類超導體超導體大多數(shù)高純金屬冷至接近大多數(shù)高純金屬冷至接近0 K時，其電阻時，其電阻漸漸降低而趨于一個較小的極限值。但有漸漸降低而趨于一個較小的極限值。但有少數(shù)材料降至一個很低的溫度時其電阻突少數(shù)材料降至一個很低的溫度時其電阻突降并趨近于零，

32、這種材料就叫做超導體，降并趨近于零，這種材料就叫做超導體，此溫度就稱為臨界溫度此溫度就稱為臨界溫度Tc。約瑟夫遜器件 約瑟夫遜器件的I/V特性依照超導體對磁場的反應，可將其分為兩種類型。依照超導體對磁場的反應，可將其分為兩種類型。類超導體在超導狀態(tài)下是抗磁性的，即不被外界磁場類超導體在超導狀態(tài)下是抗磁性的，即不被外界磁場磁化。但是在低于臨界溫度磁化。但是在低于臨界溫度Tc時外磁場大于臨界磁場強時外磁場大于臨界磁場強度度Hc后，材料由超導狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌顟B(tài)，磁力線也由后，材料由超導狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌顟B(tài)，磁力線也由繞過物體到穿過物體。繞過物體到穿過物體。類超導體則在磁場大于類超導體則在磁場大于HC1

33、后開始能被磁力線穿越，后開始能被磁力線穿越，到到HC2后則處于常到狀態(tài)，能完全被磁力先穿越。這類后則處于常到狀態(tài)，能完全被磁力先穿越。這類超導材料由于有較高的超導材料由于有較高的Tc，故更有實用意義一些。目前，故更有實用意義一些。目前，以以Nb合金為主，特別是合金為主，特別是Nb3Sn。 近年來，研究工作者發(fā)現(xiàn)，原來是絕緣體的某幾種陶瓷材近年來，研究工作者發(fā)現(xiàn)，原來是絕緣體的某幾種陶瓷材料在較低的溫度下竟然成了導體，而且它們的臨界溫度料在較低的溫度下竟然成了導體，而且它們的臨界溫度Tc還高于普通的超導體，這類陶瓷就被稱為高溫超導體。如還高于普通的超導體，這類陶瓷就被稱為高溫超導體。如Yba2C

34、u3O7的的Tc在在90 K左右。高溫超導體的發(fā)現(xiàn)極大地左右。高溫超導體的發(fā)現(xiàn)極大地鼓舞了超導體的應用研究，可以期望不久的將來高溫超導鼓舞了超導體的應用研究，可以期望不久的將來高溫超導的實際應用會愈加廣泛。下表中也列出了主要的高溫超導的實際應用會愈加廣泛。下表中也列出了主要的高溫超導材料的參數(shù)。材料的參數(shù)。 幾種常見超導體的臨界溫度和臨界磁感應強度幾種常見超導體的臨界溫度和臨界磁感應強度材料材料臨界溫度臨界溫度TC (K)臨界磁感應強度臨界磁感應強度 BC （特斯拉）特斯拉）Sn3.720.0305Pb7.190.0803Nb-Zr合金合金10.811Nb-Ti合金合金10.212Nb3Sn1

35、8.322Yba2Cu3O792Bi2Sr2Ca2Cu3O10110對于一種超導材料，當它處于一個低于臨界溫度對于一種超導材料，當它處于一個低于臨界溫度Tc的溫度的溫度T時，其臨界磁場強度時，其臨界磁場強度Hc(T)與溫度有關，具體關系如下：與溫度有關，具體關系如下：Hc(0)是是0K時的臨界磁場強度。時的臨界磁場強度。目前，超導材料已開始用于一些儀器設備上，作為低功耗目前，超導材料已開始用于一些儀器設備上，作為低功耗的強磁體器件，如醫(yī)療用磁共振圖象儀等。的強磁體器件，如醫(yī)療用磁共振圖象儀等。此外，利用超導材料可在超導體電機、磁懸浮列車等方面此外，利用超導材料可在超導體電機、磁懸浮列車等方面應

36、用。應用。 n1、 超導特性超導特性:1. 完全抗磁性在超導體內(nèi)永遠保持磁感應完全抗磁性在超導體內(nèi)永遠保持磁感應強度為零邁斯納效應與零電阻現(xiàn)象是超導體的兩個基本強度為零邁斯納效應與零電阻現(xiàn)象是超導體的兩個基本特性特性2. 超導態(tài)的臨界參數(shù)溫度（超導態(tài)的臨界參數(shù)溫度（TC），臨界電流密度（），臨界電流密度（JC）,臨臨界磁場（界磁場（HC）.3、超導體分類、超導體分類:第第I類超導體主要包括一些在常溫下具有良類超導體主要包括一些在常溫下具有良好導電性的純金屬好導電性的純金屬,亦被稱作亦被稱作“軟超導體軟超導體”第第I類超導體由類超導體由于其臨界電流密度和臨界磁場較低，因而沒有很好的實于其臨界電流

37、密度和臨界磁場較低，因而沒有很好的實用價值用價值。第。第II類超導體根據(jù)其是否具有類超導體根據(jù)其是否具有磁通釘扎中心磁通釘扎中心而分而分為理想第為理想第II類超導體和非理想第類超導體和非理想第II類超導體類超導體,理想第理想第II類超類超導體的晶體結(jié)構(gòu)比較完整導體的晶體結(jié)構(gòu)比較完整,非理想第非理想第II類超導體的晶體結(jié)構(gòu)類超導體的晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷，存在缺陷，實際應用的超導材料是非理想第實際應用的超導材料是非理想第II類超導體。類超導體。 4、高溫超導體。如高溫超導體。如Yba2Cu3O7的的Tc在在90 K左右。左右。第三節(jié) 絕緣體的電學性能絕緣體是指不善于傳導電流的物質(zhì)，又稱為電介質(zhì)。它們的電阻率極高。 評價絕緣材料的主要電學性能指標：評價絕緣材料的主要電學性能指標：(1)(1)介電常數(shù)，(2)(2)耐電強度，(3)(3)損耗因數(shù)，(4)(4)體電阻率和表面電阻率，其中前三項屬介電性，后者屬于導電性。材料電性能測量及應用q材料電性能測量 電阻的測量方法很多，一般都是根據(jù)測量的需要利具體的測試條件來選擇不同的測試方法。按測量的范圍或測量的準確度要求來分類：對107以上較大的電阻(俗稱高阻)，如材料的絕緣電阻的測量，粗測時，可選用兆歐表(俗稱搖表)；要求精測時，可選用沖擊檢流計測量。102 106 的中值電阻測量時，可