武漢理工材料物理學(xué)7

1、5.2材料的導(dǎo)電性能 5.4半導(dǎo)體物理 5.3金屬電導(dǎo) 5.5 超導(dǎo)物理 2個(gè)學(xué)時(shí)4個(gè)學(xué)時(shí)4個(gè)學(xué)時(shí)2個(gè)學(xué)時(shí)10個(gè)學(xué)時(shí)5.3金屬電導(dǎo)II 5.3.3壓力對(duì)材料電阻的影響壓力對(duì)材料電阻的影響5.3.4固溶體的導(dǎo)電性固溶體的導(dǎo)電性5.3.5金屬間化合物金屬間化合物壓力對(duì)材料的性能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的影響。由于壓力壓力對(duì)材料的性能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的影響。由于壓力改變著系統(tǒng)的熱力學(xué)平衡條件，因而也就能夠使改變著系統(tǒng)的熱力學(xué)平衡條件，因而也就能夠使金屬出現(xiàn)新的變體。金屬出現(xiàn)新的變體。一般認(rèn)為在幾百千巴一般認(rèn)為在幾百千巴(1巴巴=1.02大氣壓大氣壓=105帕帕斯卡斯卡(Pa)壓力下不發(fā)生某種相變的物質(zhì)幾乎是壓力下不發(fā)生

2、某種相變的物質(zhì)幾乎是沒(méi)有的。沒(méi)有的。5.3.3壓力對(duì)材料電阻的影響壓力對(duì)材料電阻的影響在壓力的作用下，由于傳導(dǎo)電子和聲子之間相在壓力的作用下，由于傳導(dǎo)電子和聲子之間相互作用的變化，電子結(jié)構(gòu)以及電子間相互作用互作用的變化，電子結(jié)構(gòu)以及電子間相互作用發(fā)生改變，金屬的費(fèi)米面和能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；發(fā)生改變，金屬的費(fèi)米面和能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；在壓力的作用下，金屬的聲子譜照樣也要變化在壓力的作用下，金屬的聲子譜照樣也要變化.這些因素都導(dǎo)致了出現(xiàn)具有新性能的元素變體，這些因素都導(dǎo)致了出現(xiàn)具有新性能的元素變體，而這些性能是常壓下所沒(méi)有的。而這些性能是常壓下所沒(méi)有的。5.3.3壓力對(duì)材料電阻的影響壓力對(duì)材料電阻的影

3、響壓力對(duì)過(guò)渡族金屬的影響最顯著，這些金屬壓力對(duì)過(guò)渡族金屬的影響最顯著，這些金屬的特點(diǎn)是存在著具有能量差別不大的未填滿的特點(diǎn)是存在著具有能量差別不大的未填滿電子的殼層。因此在壓力作用下，過(guò)渡族金電子的殼層。因此在壓力作用下，過(guò)渡族金屬電子結(jié)構(gòu)的變化可能容易導(dǎo)致填充程度的屬電子結(jié)構(gòu)的變化可能容易導(dǎo)致填充程度的其他序列，有可能位外殼層電子轉(zhuǎn)移到未填其他序列，有可能位外殼層電子轉(zhuǎn)移到未填滿的內(nèi)殼層。這就要表現(xiàn)出性能的變化，即滿的內(nèi)殼層。這就要表現(xiàn)出性能的變化，即存在類似于溫度影響下很容易發(fā)生的多晶形存在類似于溫度影響下很容易發(fā)生的多晶形現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 在不同溫度下，幾乎對(duì)所有純?cè)囟佳芯吭诓煌瑴囟认?，?/p>

4、乎對(duì)所有純?cè)囟佳芯窟^(guò)壓力對(duì)電阻的影響，并確定了電阻的壓力過(guò)壓力對(duì)電阻的影響，并確定了電阻的壓力系數(shù)系數(shù)(定義為定義為 )。dpd1實(shí)驗(yàn)表明，隨著溫度的變化電阻壓力系數(shù)實(shí)驗(yàn)表明，隨著溫度的變化電阻壓力系數(shù)幾乎不變，這也說(shuō)明了電阻溫度系數(shù)與壓幾乎不變，這也說(shuō)明了電阻溫度系數(shù)與壓力無(wú)關(guān)。力無(wú)關(guān)。根據(jù)壓力對(duì)電阻的影響可以把元素分為正常根據(jù)壓力對(duì)電阻的影響可以把元素分為正常元素和反常元素。屬于前者的有元素和反常元素。屬于前者的有Fe，Co，Ni，Rh，Pd，Ir，Pt，Cu，Ag，Au，Zr，Hf，Th，Nb，Ta，M，W，U等。對(duì)于它等。對(duì)于它們可以觀察到隨壓力增高電阻單調(diào)降低；們可以觀察到隨壓力增

5、高電阻單調(diào)降低；屬于后者的有堿金屬、堿土金屬、稀土金屬屬于后者的有堿金屬、堿土金屬、稀土金屬和第和第v族的半金屬，它們有正的電阻壓力系族的半金屬，它們有正的電阻壓力系數(shù)且隨壓力升高系數(shù)變號(hào)，即在數(shù)且隨壓力升高系數(shù)變號(hào)，即在 曲線上存在極大值，這一現(xiàn)象和壓力作用下曲線上存在極大值，這一現(xiàn)象和壓力作用下的相變有關(guān)。的相變有關(guān)。)(Pf圖圖5.3-7 壓力對(duì)金屬電阻的影響壓力對(duì)金屬電阻的影響(a)和和(b)正正常元素；常元素；(c)反常元素反常元素 有趣的是，高的壓力往往導(dǎo)致物質(zhì)的金屬化，有趣的是，高的壓力往往導(dǎo)致物質(zhì)的金屬化，引起導(dǎo)電類型的變化，而且有助于從絕緣體引起導(dǎo)電類型的變化，而且有助于從絕

6、緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體金屬金屬超導(dǎo)體的某種轉(zhuǎn)變。超導(dǎo)體的某種轉(zhuǎn)變。表表51 某些半導(dǎo)體和電介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘倌承┌雽?dǎo)體和電介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)所要的臨界壓力態(tài)所要的臨界壓力 眾所周知，許多金屬在高壓下都能觀察到眾所周知，許多金屬在高壓下都能觀察到多晶形現(xiàn)象。比較一下溫度和壓力的影響多晶形現(xiàn)象。比較一下溫度和壓力的影響可以看到，壓力對(duì)于相變來(lái)說(shuō)是更為有利可以看到，壓力對(duì)于相變來(lái)說(shuō)是更為有利的。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)溫度變化時(shí)大約的。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)溫度變化時(shí)大約30種金種金屬有多晶形轉(zhuǎn)變；然而，在壓力影響下卻屬有多晶形轉(zhuǎn)變；然而，在壓力影響下卻有有40種金屬發(fā)現(xiàn)了多晶形現(xiàn)象。對(duì)于種金屬發(fā)現(xiàn)了多晶形現(xiàn)象。對(duì)于Bi，Sb，Cd

7、，Li，Cs，Rb，He，Ba，Ga，Zn等等，壓力將導(dǎo)致出現(xiàn)新的多晶形變體，等等，壓力將導(dǎo)致出現(xiàn)新的多晶形變體，而它們?cè)诔合聞t是單晶形的。而它們?cè)诔合聞t是單晶形的。必須指出，壓力照例使較為致密的金屬相趨必須指出，壓力照例使較為致密的金屬相趨于穩(wěn)定。例如鐵在壓力作用下于穩(wěn)定。例如鐵在壓力作用下 的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)變被遏制，而變被遏制，而 轉(zhuǎn)變被加速。轉(zhuǎn)變被加速。壓力作用下的多晶形轉(zhuǎn)變導(dǎo)致出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)壓力作用下的多晶形轉(zhuǎn)變導(dǎo)致出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)變體的電學(xué)性能。變體的電學(xué)性能。5.3.4.1電阻與組元濃度的關(guān)系電阻與組元濃度的關(guān)系 與純組元相比，金屬固溶體的形成總是伴與純組元相比，金屬固溶體的形成總是伴隨著電

8、阻的增大和電阻溫度系數(shù)的減小，隨著電阻的增大和電阻溫度系數(shù)的減小，即使是在低導(dǎo)電性溶劑中加人高導(dǎo)電性溶即使是在低導(dǎo)電性溶劑中加人高導(dǎo)電性溶質(zhì)也是如此，但電阻隨成分平穩(wěn)地連續(xù)變質(zhì)也是如此，但電阻隨成分平穩(wěn)地連續(xù)變化而不發(fā)生突變。在連續(xù)固溶體的情況下，化而不發(fā)生突變。在連續(xù)固溶體的情況下，當(dāng)組元當(dāng)組元A添加于組元添加于組元B時(shí)電阻逐漸增大，通時(shí)電阻逐漸增大，通過(guò)一個(gè)慢坡的極大值后減小到過(guò)一個(gè)慢坡的極大值后減小到B組元的電組元的電阻值。阻值。5.3.4固溶體的導(dǎo)電性固溶體的導(dǎo)電性圖圖58 Ag-Cu合金電阻率與成分的關(guān)系合金電阻率與成分的關(guān)系考慮到純組元原子半徑差所引起的晶體點(diǎn)考慮到純組元原子半徑差

9、所引起的晶體點(diǎn)陣畸變?cè)黾又娮拥纳⑸?，固溶體電阻總陣畸變?cè)黾又娮拥纳⑸洌倘荏w電阻總是大于純金屬電阻這一事實(shí)是理所當(dāng)然的，是大于純金屬電阻這一事實(shí)是理所當(dāng)然的，且原子半徑差越大，固溶體電阻也越大。且原子半徑差越大，固溶體電阻也越大。但是，點(diǎn)畸陣變不是固溶體電阻增大的唯但是，點(diǎn)畸陣變不是固溶體電阻增大的唯一原因。一原因。第三，合金化常常影響彈性常數(shù)，因而點(diǎn)第三，合金化常常影響彈性常數(shù)，因而點(diǎn)陣振動(dòng)的聲子譜也要改變，這些因素都要陣振動(dòng)的聲子譜也要改變，這些因素都要反映到電阻上來(lái)。反映到電阻上來(lái)。合金化對(duì)電阻的影響：合金化對(duì)電阻的影響：首先，雜質(zhì)是對(duì)除聲子擾動(dòng)外所有其他方首先，雜質(zhì)是對(duì)除聲子擾動(dòng)外

10、所有其他方面部完善的理想晶體局部的破壞；面部完善的理想晶體局部的破壞；其次，合金化對(duì)能帶結(jié)構(gòu)起作用，移動(dòng)費(fèi)其次，合金化對(duì)能帶結(jié)構(gòu)起作用，移動(dòng)費(fèi)米面并且改變電子能態(tài)的密度和導(dǎo)電電子米面并且改變電子能態(tài)的密度和導(dǎo)電電子的有效數(shù)，其影響往往是金屬電阻的參數(shù)；的有效數(shù)，其影響往往是金屬電阻的參數(shù)； 簡(jiǎn)單金屬固溶體電阻的極大值通常位于二簡(jiǎn)單金屬固溶體電阻的極大值通常位于二元系的元系的50(at)濃度處，但鐵磁金屬和強(qiáng)濃度處，但鐵磁金屬和強(qiáng)順磁金屬固溶體的最大電阻可能不在順磁金屬固溶體的最大電阻可能不在50(at)濃度處。濃度處。貴金屬貴金屬(Cu，Ag，Au)與過(guò)渡族金屬組成固溶與過(guò)渡族金屬組成固溶體時(shí)

11、電阻非常的高。這是因?yàn)閮r(jià)電子轉(zhuǎn)移到體時(shí)電阻非常的高。這是因?yàn)閮r(jià)電子轉(zhuǎn)移到過(guò)渡族金屬內(nèi)較深而末填滿的過(guò)渡族金屬內(nèi)較深而末填滿的d-或或f-殼層中，殼層中，造成導(dǎo)電電子數(shù)目減少的緣故。電子的這種造成導(dǎo)電電子數(shù)目減少的緣故。電子的這種轉(zhuǎn)移應(yīng)看成固溶體組元化學(xué)作用的加強(qiáng)，固轉(zhuǎn)移應(yīng)看成固溶體組元化學(xué)作用的加強(qiáng)，固溶體電阻隨成分急劇增大可以作為溶體電阻隨成分急劇增大可以作為個(gè)證明。個(gè)證明。圖圖59 CuPd、AgPd和和AuPd合合金電組率與成分的關(guān)系金電組率與成分的關(guān)系1914年年Hc庫(kù)爾納科夫等人研究在高庫(kù)爾納科夫等人研究在高溫形成連續(xù)固溶體的溫形成連續(xù)固溶體的CuAu合金時(shí)注意合金時(shí)注意到成分相當(dāng)于

12、到成分相當(dāng)于Cu3Au和和Cu Au的合金經(jīng)的合金經(jīng)高溫淬火及退火處理電阻變化很大退高溫淬火及退火處理電阻變化很大退火后的電阻只有原來(lái)淬火態(tài)的火后的電阻只有原來(lái)淬火態(tài)的12或或13。當(dāng)時(shí)無(wú)法確定合金中這種轉(zhuǎn)變的性。當(dāng)時(shí)無(wú)法確定合金中這種轉(zhuǎn)變的性質(zhì)質(zhì). 5.3.4.2有序固溶體有序固溶體(超結(jié)構(gòu)超結(jié)構(gòu))固固5.3-10 Cu-Ag合金的電合金的電阻阻 a淬火態(tài)；淬火態(tài)；b退火態(tài)退火態(tài)X射線結(jié)構(gòu)分析指出，對(duì)于退火的射線結(jié)構(gòu)分析指出，對(duì)于退火的Cu3Au和和CuAu合金，除了代表具有面心立方點(diǎn)合金，除了代表具有面心立方點(diǎn)陣無(wú)序固溶體的陣無(wú)序固溶體的X射線譜外，還出現(xiàn)另外射線譜外，還出現(xiàn)另外一些線譜，

13、稱為超結(jié)構(gòu)線諾。假設(shè)成分為一些線譜，稱為超結(jié)構(gòu)線諾。假設(shè)成分為Cu3Au和和CuAu的合金在退火時(shí)晶體點(diǎn)陣的合金在退火時(shí)晶體點(diǎn)陣中的原子進(jìn)行了有序排列就可以解釋超結(jié)中的原子進(jìn)行了有序排列就可以解釋超結(jié)構(gòu)線譜。構(gòu)線譜。圖圖5.3-11 由四個(gè)簡(jiǎn)單點(diǎn)陣組成的面心立方點(diǎn)陣。由四個(gè)簡(jiǎn)單點(diǎn)陣組成的面心立方點(diǎn)陣。面心點(diǎn)陣可以認(rèn)為是由四個(gè)互相交錯(cuò)的簡(jiǎn)面心點(diǎn)陣可以認(rèn)為是由四個(gè)互相交錯(cuò)的簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣組成的。單立方點(diǎn)陣組成的。在成分相當(dāng)于分子式在成分相當(dāng)于分子式Cu3Au的無(wú)序固溶體的無(wú)序固溶體中，中，Au原子平均地分配給四個(gè)簡(jiǎn)單點(diǎn)陣，原子平均地分配給四個(gè)簡(jiǎn)單點(diǎn)陣，使每個(gè)簡(jiǎn)單點(diǎn)陣合有使每個(gè)簡(jiǎn)單點(diǎn)陣合有25金原子。

14、在理想金原子。在理想有序狀態(tài)四個(gè)簡(jiǎn)單點(diǎn)陣中有一個(gè)有序狀態(tài)四個(gè)簡(jiǎn)單點(diǎn)陣中有一個(gè)(例如點(diǎn)例如點(diǎn)陣陣1)全部由全部由Au原子組成，其他三個(gè)簡(jiǎn)單原子組成，其他三個(gè)簡(jiǎn)單點(diǎn)陣由點(diǎn)陣由Cu原子組成。原子組成。當(dāng)成分為當(dāng)成分為CuAu的合金呈有序狀態(tài)時(shí)，的合金呈有序狀態(tài)時(shí)，Au原子占有點(diǎn)陣原子占有點(diǎn)陣1、2，而，而Cu原子形成點(diǎn)陣原子形成點(diǎn)陣3、4，使整個(gè)點(diǎn)陣具有層狀結(jié)構(gòu)。，使整個(gè)點(diǎn)陣具有層狀結(jié)構(gòu)。 固溶體的有序化必須看作組元化學(xué)作用的固溶體的有序化必須看作組元化學(xué)作用的加強(qiáng)，因此所有電子結(jié)合要比在統(tǒng)計(jì)性的加強(qiáng)，因此所有電子結(jié)合要比在統(tǒng)計(jì)性的無(wú)序固溶體中強(qiáng)，這應(yīng)該使傳導(dǎo)電子數(shù)目無(wú)序固溶體中強(qiáng)，這應(yīng)該使傳導(dǎo)電子

15、數(shù)目減少而殘余電阻增加。然而晶體的離子電減少而殘余電阻增加。然而晶體的離子電場(chǎng)在有序化時(shí)變得更對(duì)稱，這就使殘余電場(chǎng)在有序化時(shí)變得更對(duì)稱，這就使殘余電阻減小阻減小.通常由于上述兩種相反的因素中第通常由于上述兩種相反的因素中第二個(gè)因素的影響占優(yōu)勢(shì)，故有序化時(shí)電阻二個(gè)因素的影響占優(yōu)勢(shì)，故有序化時(shí)電阻總是降低?？偸墙档汀．?dāng)元素形成金屬間化合物時(shí)。合分性能當(dāng)元素形成金屬間化合物時(shí)。合分性能(包括包括電學(xué)性能電學(xué)性能)變化最為激烈，這是由于存在金屬變化最為激烈，這是由于存在金屬鍵的同時(shí)還存在部分離子鍵和共價(jià)鍵，使結(jié)合鍵的同時(shí)還存在部分離子鍵和共價(jià)鍵，使結(jié)合性質(zhì)激烈變化。此外，晶體結(jié)構(gòu)的變化也起著性質(zhì)激烈變

16、化。此外，晶體結(jié)構(gòu)的變化也起著重要的作用。重要的作用。已知的金屬只有幾十種，而它們形成了幾千種已知的金屬只有幾十種，而它們形成了幾千種二元、三元以及更復(fù)雜的金屬化合物，且新發(fā)二元、三元以及更復(fù)雜的金屬化合物，且新發(fā)現(xiàn)化合物的數(shù)量還在不斷增加。由于金屬間化現(xiàn)化合物的數(shù)量還在不斷增加。由于金屬間化合物可以看成是一種新的物質(zhì)，研究各種因素合物可以看成是一種新的物質(zhì)，研究各種因素對(duì)其比電阻的影響引起了頗大的興趣。對(duì)其比電阻的影響引起了頗大的興趣。5.3.5金屬間化合物金屬間化合物化合物在許多金屬系統(tǒng)中往往在原始組元化合物在許多金屬系統(tǒng)中往往在原始組元的一定濃度區(qū)形成?；衔锏木w結(jié)構(gòu)不的一定濃度區(qū)形成

17、。化合物的晶體結(jié)構(gòu)不同于組元及其固溶體的結(jié)構(gòu)同于組元及其固溶體的結(jié)構(gòu).在二元系中常在二元系中常遇到遇到 一系列中間相，它們有的在相圖的液一系列中間相，它們有的在相圖的液相線和固相線上有顯露的極大值，有的則相線和固相線上有顯露的極大值，有的則按包晶反應(yīng)形成按包晶反應(yīng)形成. HC庫(kù)爾納科夫比較了單相區(qū)內(nèi)不同金庫(kù)爾納科夫比較了單相區(qū)內(nèi)不同金屬相的屬相的“成分成分性能性能”曲線發(fā)現(xiàn)，在曲線上曲線發(fā)現(xiàn)，在曲線上有的相出現(xiàn)了特殊的點(diǎn)，庫(kù)爾納科夫稱之有的相出現(xiàn)了特殊的點(diǎn)，庫(kù)爾納科夫稱之為奇異點(diǎn)，而有的相物理性能卻隨成分均為奇異點(diǎn)，而有的相物理性能卻隨成分均勻地改變。為此他把中間相劃分為道爾頓勻地改變。為此他

18、把中間相劃分為道爾頓體和別爾多利體兩大類，前者以體和別爾多利體兩大類，前者以“成分成分性性能能”圖上存在奇異點(diǎn)為特征；后者則不存圖上存在奇異點(diǎn)為特征；后者則不存在奇異點(diǎn)。道爾頓體與別爾多利體物理性在奇異點(diǎn)。道爾頓體與別爾多利體物理性能上的不同是由于它們結(jié)構(gòu)不同的這一假能上的不同是由于它們結(jié)構(gòu)不同的這一假設(shè)在設(shè)在1925年以后已為年以后已為x射線的研究完全證射線的研究完全證實(shí)了。實(shí)了。圖圖5.3-12 (a)NiSb相和相和(b)FeSb相電阻隨成分相電阻隨成分的變化特征的變化特征與某一定分子式成分相當(dāng)而性能圖上存在奇異點(diǎn)與某一定分子式成分相當(dāng)而性能圖上存在奇異點(diǎn)的道爾頓體中，的道爾頓體中，兩個(gè)組元的原子排列達(dá)到了最大兩個(gè)組元的原子排列達(dá)到了最大的長(zhǎng)程有序的長(zhǎng)程有序。在別爾多利體中沒(méi)有這種最大有序。在別爾多利體中沒(méi)有這種最大有序的點(diǎn)，它雖然