材料物理性能第三章材料的電學(xué)性能

1、材料物理性能重慶科技學(xué)院.冶金與材料工程學(xué)院第二章 材料的電學(xué)性能重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院概述概述重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院本章主要學(xué)習(xí)的內(nèi)容有：本章主要學(xué)習(xí)的內(nèi)容有：v材料的導(dǎo)電性v半導(dǎo)體的電學(xué)性能v絕緣體的電學(xué)性能v超導(dǎo)電性v影響金屬導(dǎo)電性的因素v導(dǎo)電性的測量v材料的介電性v材料的壓電性v材料的鐵電性引言一、載流子電流是電荷的定向運(yùn)動(dòng)，電荷的載體稱為載流子。載流子電子、空穴正離子、負(fù)離子、空位二、遷移數(shù)表征材料導(dǎo)電載流子種類對(duì)導(dǎo)電貢獻(xiàn)的參數(shù)，用tx表示。ti+、ti-、te-、th+離子遷移數(shù)ti0.99的導(dǎo)體為離子導(dǎo)體； ti109m） SLR 1)1 (0tt ttt00 ttdtd1

2、重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院工程上：工程上：相對(duì)電導(dǎo)率相對(duì)電導(dǎo)率 （IACS%)將國際標(biāo)準(zhǔn)軟純銅（在室溫將國際標(biāo)準(zhǔn)軟純銅（在室溫20下電阻率下電阻率=0.01724m）的電導(dǎo)率作為的電導(dǎo)率作為100%，其他導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率與之相比的，其他導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率與之相比的百分?jǐn)?shù)即為該導(dǎo)體材料的相對(duì)電導(dǎo)率。百分?jǐn)?shù)即為該導(dǎo)體材料的相對(duì)電導(dǎo)率。Fe：IACS% 17%Al: IACS% 65%重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院v 不同材料具有不同的導(dǎo)電性，根據(jù)材料導(dǎo)電性的好壞，不同材料具有不同的導(dǎo)電性，根據(jù)材料導(dǎo)電性的好壞，即按即按值的大小把材料進(jìn)行分類。值的大小把材料進(jìn)行分類。v 的為導(dǎo)體材料，其中純金屬的的為導(dǎo)體材料

3、，其中純金屬的值為值為10-810-7，合金的，合金的值為值為10-710-5；v 值為值為10-3109的為半導(dǎo)體材料；的為半導(dǎo)體材料；v 的為絕緣體材料。的為絕緣體材料。超導(dǎo)體：超導(dǎo)體：10-27 m510m910m元素周期表元素周期表重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院金屬導(dǎo)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（量子理論發(fā)展前）霍耳效應(yīng)當(dāng)金屬導(dǎo)體處于與電流方向相垂直的磁場內(nèi)時(shí)，則在?？鐦悠返膬擅娈a(chǎn)生一個(gè)與電流和磁場都垂直的電場，此現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。 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(guān)?；魻栃?yīng)證明了金屬中存在自由電子，

4、理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果對(duì)典型金屬相一致。0BJERxHHneBJExH0neRH1電導(dǎo)率：2222ne 重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院經(jīng)典自由電子理論經(jīng)典自由電子理論有些現(xiàn)象無法解釋：一價(jià)金屬導(dǎo)電性比二、三價(jià)金屬好；有些現(xiàn)象無法解釋：一價(jià)金屬導(dǎo)電性比二、三價(jià)金屬好； 電阻率與電阻率與T成反比；成反比； 電子比熱理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測的相差甚遠(yuǎn)；電子比熱理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測的相差甚遠(yuǎn)； 超導(dǎo)。超導(dǎo)。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(dǎo)電與導(dǎo)熱的關(guān)系。但在說明以下問題遇到困難：v實(shí)際測量的電子自由程比經(jīng)典理論估計(jì)值大許多；v電子比熱容測量值只是經(jīng)典理論值的百分之一；v霍爾系數(shù)按經(jīng)典自由

5、電子理論只能為負(fù)，但在某些金屬中發(fā)現(xiàn)有正值；v無法解釋半導(dǎo)體，絕緣體導(dǎo)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(jī)械地搬用經(jīng)典力學(xué)去處理微觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，因而不能正確反映微觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院經(jīng)典自由電子理論經(jīng)典自由電子理論局限性：局限性：忽略了電子之間的排斥作用和正離子點(diǎn)陣周期場忽略了電子之間的排斥作用和正離子點(diǎn)陣周期場的作用，是立足于牛頓力學(xué)的宏觀運(yùn)動(dòng)，而對(duì)于微觀粒子的作用，是立足于牛頓力學(xué)的宏觀運(yùn)動(dòng)，而對(duì)于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)問題，需要利用量子力學(xué)的概念來解決。的運(yùn)動(dòng)問題，需要利用量子力學(xué)的概念來解決。2.量子自由電子理論量子自由電子理論量子理論的

6、一些法則 重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院量子自由電子理論量子自由電子理論 量子自由電子理論也同樣認(rèn)為金屬中正離子形成的電場是均勻量子自由電子理論也同樣認(rèn)為金屬中正離子形成的電場是均勻的，價(jià)電子與離子間沒有相互作用，且為整個(gè)金屬所有，可以在整的，價(jià)電子與離子間沒有相互作用，且為整個(gè)金屬所有，可以在整個(gè)金屬中自由運(yùn)動(dòng)。但這一理論認(rèn)為，金屬中每個(gè)原子的內(nèi)層電子個(gè)金屬中自由運(yùn)動(dòng)。但這一理論認(rèn)為，金屬中每個(gè)原子的內(nèi)層電子基本保持著單個(gè)原子時(shí)的能量狀態(tài)，而所有價(jià)電子按量子化規(guī)律具基本保持著單個(gè)原子時(shí)的能量狀態(tài)，而所有價(jià)電子按量子化規(guī)律具有不同的能量狀態(tài)，即具有不同的能級(jí)。有不同的能量狀態(tài)，即具有不同的能級(jí)。 量

7、子自由電子理論認(rèn)為：電子具有波粒二象性。運(yùn)動(dòng)的電子作量子自由電子理論認(rèn)為：電子具有波粒二象性。運(yùn)動(dòng)的電子作為物質(zhì)波，其頻率和波長與電子的運(yùn)動(dòng)速率或動(dòng)量之間的關(guān)系為：為物質(zhì)波，其頻率和波長與電子的運(yùn)動(dòng)速率或動(dòng)量之間的關(guān)系為：hhmvp222mvphh電子具有波、粒兩相性，運(yùn)動(dòng)著的電子作為物質(zhì)波，在一價(jià)金屬中，自由電子的動(dòng)能E等mv2/2.有電場時(shí)的E-K曲線重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院量子自由電子理論量子自由電子理論當(dāng)電子波在絕對(duì)零度下通過一個(gè)理想的晶體點(diǎn)陣（完整無缺陷）時(shí)，當(dāng)電子波在絕對(duì)零度下通過一個(gè)理想的晶體點(diǎn)陣（完整無缺陷）時(shí)，它將不會(huì)受到散射而無阻礙地傳播，這時(shí)材料是一個(gè)理想的導(dǎo)體；它將不會(huì)

8、受到散射而無阻礙地傳播，這時(shí)材料是一個(gè)理想的導(dǎo)體；而只有在由于晶體點(diǎn)陣離子的熱振動(dòng)以及晶體中的異類原子、位錯(cuò)而只有在由于晶體點(diǎn)陣離子的熱振動(dòng)以及晶體中的異類原子、位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷等使晶體點(diǎn)陣周期性遭到破壞的地方，電子波受到散射，和點(diǎn)缺陷等使晶體點(diǎn)陣周期性遭到破壞的地方，電子波受到散射，對(duì)其傳播進(jìn)行了阻礙，降低了導(dǎo)電性，這就是對(duì)其傳播進(jìn)行了阻礙，降低了導(dǎo)電性，這就是材料產(chǎn)生電阻的本質(zhì)。材料產(chǎn)生電阻的本質(zhì)。2222efefn en etmmp注意與經(jīng)典自由電子理論的區(qū)別注意與經(jīng)典自由電子理論的區(qū)別重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院量子自由電子理論量子自由電子理論 對(duì)金屬而言，溫度升高離子熱振動(dòng)的振幅大，電子在傳

9、播中就對(duì)金屬而言，溫度升高離子熱振動(dòng)的振幅大，電子在傳播中就容易受到散射，散射概率容易受到散射，散射概率p與溫度成正比，而與溫度成正比，而與溫度成反比，這是與溫度成反比，這是金屬導(dǎo)電性隨溫度升高而降低金屬導(dǎo)電性隨溫度升高而降低的原因。的原因。 另外，在量子自由電子中，電子的能級(jí)是分立不連續(xù)的，只有另外，在量子自由電子中，電子的能級(jí)是分立不連續(xù)的，只有那些處在高能級(jí)的電子才能夠跳到?jīng)]有別的電子占據(jù)的更高能級(jí)上那些處在高能級(jí)的電子才能夠跳到?jīng)]有別的電子占據(jù)的更高能級(jí)上去，那些處于低能級(jí)的電子不能跳到較高的能級(jí)上去，因?yàn)槟切┹^去，那些處于低能級(jí)的電子不能跳到較高的能級(jí)上去，因?yàn)槟切┹^高能級(jí)已經(jīng)被別的

10、電子所占據(jù)。高能級(jí)已經(jīng)被別的電子所占據(jù)。熱激發(fā)的電子的數(shù)量遠(yuǎn)低于總的價(jià)熱激發(fā)的電子的數(shù)量遠(yuǎn)低于總的價(jià)電子數(shù)電子數(shù)，因此，用量子自由電子理論推導(dǎo)出的比熱容可以解釋實(shí)驗(yàn)，因此，用量子自由電子理論推導(dǎo)出的比熱容可以解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果。 較好地解決了經(jīng)典自由電子理論所無法解決的一些問題。較好地解決了經(jīng)典自由電子理論所無法解決的一些問題。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院量子自由電子理論量子自由電子理論 局限性局限性：量子自由電子理論較好地解釋了金屬導(dǎo)電的本質(zhì)，但：量子自由電子理論較好地解釋了金屬導(dǎo)電的本質(zhì)，但它假定金屬中離子所產(chǎn)生的勢場是均勻的。它假定金屬中離子所產(chǎn)生的勢場是均勻的。仍然存在一些無法很好解釋的問

11、題仍然存在一些無法很好解釋的問題：鐵磁性、相結(jié)構(gòu)以及結(jié)合力等：鐵磁性、相結(jié)構(gòu)以及結(jié)合力等一些問題。一些問題。 為此，在量子自由電子理論的基礎(chǔ)上，考慮離子所造成的周期為此，在量子自由電子理論的基礎(chǔ)上，考慮離子所造成的周期性勢場的存在，導(dǎo)出了電子在金屬中的分布特點(diǎn)，建立了禁帶的概性勢場的存在，導(dǎo)出了電子在金屬中的分布特點(diǎn)，建立了禁帶的概念，形成了念，形成了能帶理論能帶理論。3. 能帶理論重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院能帶理論能帶理論能帶的形成：能帶的形成：當(dāng)固體中有當(dāng)固體中有N個(gè)原子，這個(gè)原子，這N個(gè)原子的個(gè)原子的2s軌道的電子會(huì)相互影響，這軌道的電子會(huì)相互影響，這時(shí)就必須有時(shí)就必須有N個(gè)不同的分立的能

12、級(jí)來安排所有這些個(gè)不同的分立的能級(jí)來安排所有這些2s軌道的電子軌道的電子（共有（共有2N個(gè)）。個(gè)）。2s軌道的軌道的N個(gè)分立的能級(jí)組合在一起，就成為個(gè)分立的能級(jí)組合在一起，就成為2s的的能帶。同樣能帶。同樣2p軌道的軌道的3N個(gè)分立的能級(jí)組合在一起，成為個(gè)分立的能級(jí)組合在一起，成為2p能帶，能帶，可容納可容納6N個(gè)電子個(gè)電子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(jí)發(fā)，自由電子的能級(jí)發(fā)生分裂，出現(xiàn)允帶和生分裂，出現(xiàn)允帶和禁帶。禁帶。周期場中電周期場中電子運(yùn)動(dòng)的子運(yùn)動(dòng)的E-K曲線及能帶曲線及能帶A族，堿金屬，外殼層價(jià)電子數(shù)為族，堿金屬，外殼層價(jià)電子數(shù)為1，其價(jià)電子在外，其價(jià)電子在外加電

13、場作用下由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電流。因此只加電場作用下由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電流。因此只有那些電子未填滿能帶的材料才有導(dǎo)電性。有那些電子未填滿能帶的材料才有導(dǎo)電性。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院能帶理論能帶理論相關(guān)概念：相關(guān)概念：滿帶滿帶價(jià)帶價(jià)帶 (valance band)：價(jià)帶可能被電子填滿，成為滿帶，也可能未：價(jià)帶可能被電子填滿，成為滿帶，也可能未被電子填滿，形成不滿帶或半滿帶。被電子填滿，形成不滿帶或半滿帶?？諑Э諑В簩?dǎo)帶導(dǎo)帶(conduction band) ：由于某種原因，一些被充滿的價(jià)帶頂部的：由于某種原因，一些被充滿的價(jià)帶頂部的電子受到激發(fā)而進(jìn)入空帶，此時(shí)，價(jià)帶和空帶均表現(xiàn)為不滿帶，

14、在電子受到激發(fā)而進(jìn)入空帶，此時(shí)，價(jià)帶和空帶均表現(xiàn)為不滿帶，在外加電場的作用下形成電流，對(duì)于這樣的固體，能帶結(jié)構(gòu)中的空帶外加電場的作用下形成電流，對(duì)于這樣的固體，能帶結(jié)構(gòu)中的空帶又稱為導(dǎo)帶。一般而言，未被填滿的能帶均是價(jià)帶，在未被激發(fā)時(shí)又稱為導(dǎo)帶。一般而言，未被填滿的能帶均是價(jià)帶，在未被激發(fā)時(shí)價(jià)電子處于價(jià)帶的底部，受到激發(fā)后電子會(huì)躍遷到價(jià)帶的頂部，在價(jià)電子處于價(jià)帶的底部，受到激發(fā)后電子會(huì)躍遷到價(jià)帶的頂部，在外加電場的作用下形成電流，對(duì)于這樣的固體，不滿的價(jià)帶頂部，外加電場的作用下形成電流，對(duì)于這樣的固體，不滿的價(jià)帶頂部，也稱為導(dǎo)帶。也稱為導(dǎo)帶。禁帶禁帶：在價(jià)帶和空帶之間存在著的一段能量間隔，在這

15、個(gè)區(qū)域內(nèi)不：在價(jià)帶和空帶之間存在著的一段能量間隔，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)不能排布電子，這個(gè)能量區(qū)域也稱為帶隙能排布電子，這個(gè)能量區(qū)域也稱為帶隙 （band gap)。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院能帶理論能帶理論重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院能帶理論能帶理論兩個(gè)相鄰能帶出現(xiàn)重疊，從而使得禁帶消失。能帶重疊的程度與原兩個(gè)相鄰能帶出現(xiàn)重疊，從而使得禁帶消失。能帶重疊的程度與原子間距有關(guān)，原子間距越小，重疊的程度越大。子間距有關(guān)，原子間距越小，重疊的程度越大。Mg 重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院能帶理論能帶理論 能帶理論除了對(duì)金屬導(dǎo)電性有很好的解釋外，還可以很好地解能帶理論除了對(duì)金屬導(dǎo)電性有很好的解釋外，還可以很好地解釋半導(dǎo)體

16、和絕緣體的導(dǎo)電性。釋半導(dǎo)體和絕緣體的導(dǎo)電性。 若價(jià)帶內(nèi)的能級(jí)未被填滿，價(jià)帶與導(dǎo)帶之間沒有禁帶，或者相若價(jià)帶內(nèi)的能級(jí)未被填滿，價(jià)帶與導(dǎo)帶之間沒有禁帶，或者相互重疊，電子很容易從一個(gè)能級(jí)躍遷到高能級(jí)上，從而在外電場作互重疊，電子很容易從一個(gè)能級(jí)躍遷到高能級(jí)上，從而在外電場作用定向移動(dòng)而產(chǎn)生電流，這就是用定向移動(dòng)而產(chǎn)生電流，這就是導(dǎo)體導(dǎo)體。 若價(jià)帶是滿帶，且滿帶上面是一個(gè)較寬的禁帶，由于滿帶中的若價(jià)帶是滿帶，且滿帶上面是一個(gè)較寬的禁帶，由于滿帶中的電子沒有移動(dòng)的空間，即便是禁帶上面的能帶是空的，由于存在較電子沒有移動(dòng)的空間，即便是禁帶上面的能帶是空的，由于存在較寬的禁帶，電子也很難躍遷到空的能帶上去

17、，這就是寬的禁帶，電子也很難躍遷到空的能帶上去，這就是絕緣體絕緣體。 半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體類似，所不同的是它的禁帶寬度比的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體類似，所不同的是它的禁帶寬度比較窄，電子穿過禁帶相對(duì)容易，當(dāng)存在外部熱激發(fā)（如熱、光輻射較窄，電子穿過禁帶相對(duì)容易，當(dāng)存在外部熱激發(fā)（如熱、光輻射等）時(shí)，價(jià)帶中的電子獲得能量后就可躍遷到空帶中去，同時(shí)在價(jià)等）時(shí)，價(jià)帶中的電子獲得能量后就可躍遷到空帶中去，同時(shí)在價(jià)帶中出現(xiàn)電子躍遷后留下的空穴，從而具有導(dǎo)電性。帶中出現(xiàn)電子躍遷后留下的空穴，從而具有導(dǎo)電性。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院晶體的能帶晶體的能帶v晶體的能帶中，物質(zhì)的導(dǎo)電性反映為：晶體的能帶中，物質(zhì)

18、的導(dǎo)電性反映為：(價(jià)帶：價(jià)帶：valence band; 導(dǎo)帶：導(dǎo)帶：conduction band; 禁帶：禁帶：band gap）重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院導(dǎo)體與非導(dǎo)體的區(qū)別導(dǎo)體與非導(dǎo)體的區(qū)別 一是；二是價(jià)帶未被價(jià)電子填滿，所以這種。這兩種情況下的價(jià)電子就是自由電子，所以金屬導(dǎo)體即使在溫度較低的情況下仍有大量的自由電子，具有很強(qiáng)的導(dǎo)電能力。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別 v半導(dǎo)體和絕緣體的能帶圖的區(qū)別僅是禁帶寬度的大小。（)v禁帶寬度的大小就影響到自由電子數(shù)量的多少，禁帶寬度小，自由電子多，反之就少。電阻率n nef ef為單位體積內(nèi)實(shí)際參與傳導(dǎo)過程的電子數(shù)

19、，稱為有效自由電子數(shù)。不同材料n nef ef 不同。一價(jià)金屬的n nef ef比二、三價(jià)金屬多，因此它們的導(dǎo)電性較好。m m* *表示電子的有效質(zhì)量， 它是考慮晶體點(diǎn)陣對(duì)電場作用的結(jié)果。 為散射系數(shù)， 1/1/l l2*envmefF當(dāng)電子波通過理想晶體點(diǎn)陣(0K)時(shí),不受散射；只有晶體在點(diǎn)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(duì)電子波引起額外散射。此時(shí)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(guān)此時(shí)，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(dāng)處于高

20、溫時(shí)，金屬電阻主要由(T)主導(dǎo)；在低溫時(shí)，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(biāo)。)(T(T)與溫度有關(guān)的電阻率與雜質(zhì)濃度、點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)有關(guān)重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院金屬的導(dǎo)電性v金屬的導(dǎo)電機(jī)制與馬基申定則金屬的導(dǎo)電機(jī)制與馬基申定則當(dāng)電子波在絕對(duì)零度下通過一個(gè)理想的晶體點(diǎn)陣時(shí)，當(dāng)電子波在絕對(duì)零度下通過一個(gè)理想的晶體點(diǎn)陣時(shí)，它將它將，這時(shí)，這時(shí)0，而，而為無窮大，即此時(shí)的材料是一個(gè)為無窮大，即此時(shí)的材料是一個(gè)理想的導(dǎo)體理想的導(dǎo)體。 只有在晶體點(diǎn)陣的完整性以及由于晶體點(diǎn)陣離子的只有在晶體點(diǎn)陣的完整性以及由于晶體點(diǎn)陣離子的熱振動(dòng)

21、，晶體中的異類原子、位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷等使晶熱振動(dòng)，晶體中的異類原子、位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷等使晶體點(diǎn)陣的周期性遭到破壞的地方，電子波才會(huì)受到體點(diǎn)陣的周期性遭到破壞的地方，電子波才會(huì)受到散射，從而產(chǎn)生了阻礙作用，降低了導(dǎo)電性，這就散射，從而產(chǎn)生了阻礙作用，降低了導(dǎo)電性，這就是是所在。所在。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院v 散射系數(shù)散射系數(shù)和電阻率和電阻率成正比。對(duì)于金屬而言，溫度升高離子成正比。對(duì)于金屬而言，溫度升高離子熱振動(dòng)的振幅愈大，電子就愈易受到散射，故可認(rèn)為熱振動(dòng)的振幅愈大，電子就愈易受到散射，故可認(rèn)為與溫與溫度成正比，則度成正比，則也就與溫度成正比，這就是也就與溫度成正比，這就是。v 實(shí)際的晶體不但有雜質(zhì)

22、，而且還存在缺陷。傳導(dǎo)電子的散射實(shí)際的晶體不但有雜質(zhì)，而且還存在缺陷。傳導(dǎo)電子的散射發(fā)生在電子聲子、電子雜質(zhì)原子以及與其他晶體點(diǎn)陣靜發(fā)生在電子聲子、電子雜質(zhì)原子以及與其他晶體點(diǎn)陣靜態(tài)缺陷相碰撞的時(shí)候。理想金屬的電阻對(duì)應(yīng)著兩種散射機(jī)制態(tài)缺陷相碰撞的時(shí)候。理想金屬的電阻對(duì)應(yīng)著兩種散射機(jī)制（），可以看成為），可以看成為基本電阻基本電阻。這個(gè)電阻。這個(gè)電阻在絕對(duì)零度時(shí)降為零。第三種機(jī)制（在絕對(duì)零度時(shí)降為零。第三種機(jī)制（）在有缺陷的晶體中，是絕對(duì)零度下金屬的）在有缺陷的晶體中，是絕對(duì)零度下金屬的殘余電阻殘余電阻。這個(gè)電阻反映了金屬的純度和完整性。這個(gè)電阻反映了金屬的純度和完整性。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院

23、三種散射機(jī)制三種散射機(jī)制v聲子散射聲子散射v電子散射電子散射v電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射馬基申定律馬基申定律v 低濃度下固溶體電阻低濃度下固溶體電阻v 溶劑電阻（晶格熱振溶劑電阻（晶格熱振動(dòng)，電子散射），與溫度動(dòng)，電子散射），與溫度有關(guān)，絕對(duì)零度時(shí)為零。有關(guān)，絕對(duì)零度時(shí)為零。v 殘余電阻（合金原子殘余電阻（合金原子，空位、間隙原子及位錯(cuò)，空位、間隙原子及位錯(cuò)等），與溫度無關(guān)。等），與溫度無關(guān)。cTT)()()(T 重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院馬基申定律（馬希森定則）馬基申定律（馬希森定則）Matthiessens rule v固溶體電阻率看成由金屬基本電阻率固溶體電阻率看成由

24、金屬基本電阻率(T)和殘余電和殘余電阻率阻率殘殘組成。不同散射機(jī)制對(duì)電阻率的貢獻(xiàn)可以加組成。不同散射機(jī)制對(duì)電阻率的貢獻(xiàn)可以加法求和。這一導(dǎo)電規(guī)律稱為法求和。這一導(dǎo)電規(guī)律稱為，即，即（：偶然存在的雜質(zhì)原子及人工加入的合金：偶然存在的雜質(zhì)原子及人工加入的合金元素的原子；元素的原子；：指空位、間隙原子、位錯(cuò)：指空位、間隙原子、位錯(cuò)以及它們的復(fù)合體。）以及它們的復(fù)合體。） 馬基申定律成立的前提：馬基申定律成立的前提：忽略了電子各種散射機(jī)制忽略了電子各種散射機(jī)制間的交互作用間的交互作用 ()iiT殘重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院v高溫時(shí)金屬的電阻率基本上取決于高溫時(shí)金屬的電阻率基本上取決于(T)，而在低，而在

25、低溫時(shí)取決于溫時(shí)取決于殘殘。v殘殘的大小就可以用來評(píng)定金屬的電學(xué)純度。常常的大小就可以用來評(píng)定金屬的電學(xué)純度。常常采用相對(duì)電阻率采用相對(duì)電阻率(300K)/(4.2K)的大小來評(píng)定金的大小來評(píng)定金屬的電學(xué)純度。（晶體越純、越完善，相對(duì)電阻屬的電學(xué)純度。（晶體越純、越完善，相對(duì)電阻率越大）率越大）金屬的導(dǎo)電理論金屬的導(dǎo)電理論v 經(jīng)典電子理論經(jīng)典電子理論v 金屬晶體為正離子電子金屬晶體為正離子電子氣氣v 外加電場時(shí)，自由電子定外加電場時(shí)，自由電子定向遷移，形成電流。自由向遷移，形成電流。自由電子與正離子機(jī)械碰撞產(chǎn)電子與正離子機(jī)械碰撞產(chǎn)生電阻生電阻EevtmEeatv tmEevv221 2222n

26、evmLvnemJE電子在自由程終點(diǎn)獲得的定向遷移速度電子在自由程終點(diǎn)獲得的定向遷移速度平均速度平均速度電流密度電流密度電阻率表達(dá)式電阻率表達(dá)式散射系數(shù)散射系數(shù)vLmEnetmEnevneJ2222L1a加速度加速度t兩次碰撞時(shí)間間隔兩次碰撞時(shí)間間隔E電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度m電子質(zhì)量電子質(zhì)量n單位體積自由電子數(shù)單位體積自由電子數(shù)在量子理論中為在量子理論中為n*，代表，代表單位體積內(nèi)實(shí)際參加導(dǎo)電單位體積內(nèi)實(shí)際參加導(dǎo)電的電子數(shù)的電子數(shù)e電子電荷電子電荷v電子速度電子速度L電子平均自由程電子平均自由程重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院影響金屬導(dǎo)電性的因素影響金屬導(dǎo)電性的因素 v溫度溫度v受力情況受力情況v冷加工冷加

27、工v晶體缺陷晶體缺陷v熱處理熱處理v幾何尺寸效應(yīng)幾何尺寸效應(yīng)v 電阻率的各向異性電阻率的各向異性重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院溫度對(duì)金屬電阻的影響溫度對(duì)金屬電阻的影響 加熱時(shí)發(fā)生點(diǎn)陣熱振動(dòng)和振幅的變化，出現(xiàn)相變、回加熱時(shí)發(fā)生點(diǎn)陣熱振動(dòng)和振幅的變化，出現(xiàn)相變、回復(fù)、空位退火、再結(jié)晶以及合金相成分和組織的變化，這復(fù)、空位退火、再結(jié)晶以及合金相成分和組織的變化，這些現(xiàn)象往往對(duì)電阻的變化顯示出重要的影響。些現(xiàn)象往往對(duì)電阻的變化顯示出重要的影響。 另一方面，測量電阻與溫度的關(guān)系可以顯示電子散射另一方面，測量電阻與溫度的關(guān)系可以顯示電子散射的不同機(jī)制，同樣也顯示超導(dǎo)現(xiàn)象和引起鐵磁性反常的特的不同機(jī)制，同樣也顯示

28、超導(dǎo)現(xiàn)象和引起鐵磁性反常的特殊性能。殊性能。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院v絕對(duì)零度下，純凈又無缺陷的金屬，其電阻率等于絕對(duì)零度下，純凈又無缺陷的金屬，其電阻率等于零。零。v隨溫度的升高金屬的電阻率也增加。隨溫度的升高金屬的電阻率也增加。v理想晶體的電阻率是溫度的單值函數(shù)。若晶體中存理想晶體的電阻率是溫度的單值函數(shù)。若晶體中存在雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，電阻與溫度的關(guān)系曲線將發(fā)生在雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，電阻與溫度的關(guān)系曲線將發(fā)生變化（變化（注意三條曲線絕對(duì)注意三條曲線絕對(duì)0度時(shí)的電阻率度時(shí)的電阻率）重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院v低溫下低溫下“電子電子電子電子”散射對(duì)電阻的貢獻(xiàn)可能是顯散射對(duì)電阻的貢獻(xiàn)可能是顯著的，但除低

29、溫以外幾乎所有溫度下大多數(shù)金屬著的，但除低溫以外幾乎所有溫度下大多數(shù)金屬的電阻都取決于的電阻都取決于“電子聲子電子聲子”散射。散射。點(diǎn)陣的熱振點(diǎn)陣的熱振動(dòng)在不同溫區(qū)存在差異動(dòng)在不同溫區(qū)存在差異。在各自的溫區(qū)有各自的。在各自的溫區(qū)有各自的電阻變化規(guī)律（在電阻變化規(guī)律（在TD和和T200103-1）。）。v 這種鐵磁金屬的電阻溫這種鐵磁金屬的電阻溫度關(guān)系反常是與自發(fā)磁化度關(guān)系反常是與自發(fā)磁化有關(guān)的。有關(guān)的。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院受力情況對(duì)金屬電阻的影響受力情況對(duì)金屬電阻的影響在彈性范圍內(nèi)單向單向拉伸或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力能提高金屬的，并有：對(duì)大多數(shù)金屬而言，在受壓力情況下電阻率降低，有：0(1) 0(1)重

30、慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院壓力影響金屬材料電阻的原因壓力影響金屬材料電阻的原因： v金屬在壓力的作用下，其原子間距縮小，內(nèi)部缺陷的形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)、費(fèi)米面和能帶結(jié)構(gòu)以及電子散射機(jī)制等都將發(fā)生變化，這必然會(huì)影響金屬的導(dǎo)電性能。 （尤其是過渡金屬）v電阻壓力系數(shù)電阻壓力系數(shù)：隨溫度的變化電阻壓力系數(shù)幾乎不變（即電阻壓力系數(shù)與溫度無關(guān)）。v根據(jù)壓力對(duì)電阻的影響，可把金屬分為兩類根據(jù)壓力對(duì)電阻的影響，可把金屬分為兩類：一類是正常金屬元素正常金屬元素，其電阻率隨壓力增大而下降（負(fù)電阻壓力系數(shù)）；另一類為反常金屬元素反常金屬元素，它們是堿金屬、堿土金屬、稀土金屬和第族的半金屬，它們有正的電阻壓力系數(shù)，但隨壓力升

31、高一定值后系數(shù)變號(hào)（這種反?，F(xiàn)象和壓力作用下相變有關(guān)）重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院冷加工對(duì)金屬電阻的影響冷加工對(duì)金屬電阻的影響 v冷加工冷加工 cold processing of metal 在金屬工藝學(xué)中，與熱加工相對(duì)應(yīng)，冷加工則指在低在金屬工藝學(xué)中，與熱加工相對(duì)應(yīng)，冷加工則指在低于于下使金屬產(chǎn)生下使金屬產(chǎn)生的加工工藝，如的加工工藝，如冷軋、冷拔、冷鍛、沖壓、冷擠壓等。冷軋、冷拔、冷鍛、沖壓、冷擠壓等。 重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院v冷加工變形可以使金屬的電阻率增加（一般規(guī)律），冷加工變形可以使金屬的電阻率增加（一般規(guī)律），但有例外。但有例外。 由于冷加工使晶體點(diǎn)陣發(fā)生畸變

32、和缺陷，從而增加了電子散射的幾率。同時(shí)冷加工也會(huì)引起金屬原子間結(jié)合鍵的變化，導(dǎo)致原子間距的改變，對(duì)電阻有一定的影響。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院v 若以T表示加工前的電阻率， 表示加工對(duì)電阻率的影響部分，則加工后金屬總的電阻率是：T重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院晶體缺陷對(duì)電阻的影響晶體缺陷對(duì)電阻的影響 ：偶然存在的雜質(zhì)原子及人工加入的合金元素的原子。：指空位、間隙原子、位錯(cuò)以及它們的復(fù)合體。v空位(vacancy)、位錯(cuò)(dislocation)、間隙原子(interstitial atom)以及它們的組合（即物理缺陷）等晶體缺陷會(huì)使金屬電阻率增加。 重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院v通常，分別用通常，分別用1

33、%原子空位濃度或原子空位濃度或1%原子間隙原原子間隙原子、單位體積中位錯(cuò)線的單位長度、單位體積中子、單位體積中位錯(cuò)線的單位長度、單位體積中晶界的單位面積所引起的電阻率變化來表征點(diǎn)缺晶界的單位面積所引起的電阻率變化來表征點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷對(duì)金屬電阻的影響。陷、線缺陷、面缺陷對(duì)金屬電阻的影響。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院熱處理熱處理(heat treatment)對(duì)金屬電阻的影響對(duì)金屬電阻的影響 v金屬冷加工形變后，若再進(jìn)行退火，則可使電阻降低，金屬冷加工形變后，若再進(jìn)行退火，則可使電阻降低，尤其當(dāng)退火溫度接近再結(jié)晶溫度時(shí)（再結(jié)晶退火），尤其當(dāng)退火溫度接近再結(jié)晶溫度時(shí)（再結(jié)晶退火），電阻可恢復(fù)到接

34、近冷加工前的水平。電阻可恢復(fù)到接近冷加工前的水平。v淬火能夠固定金屬在高溫時(shí)空位的濃度，從而產(chǎn)生殘淬火能夠固定金屬在高溫時(shí)空位的濃度，從而產(chǎn)生殘余電阻。淬火溫度愈高，則殘余電阻率就越大。余電阻。淬火溫度愈高，則殘余電阻率就越大。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院v退火退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺是將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時(shí)間，然后進(jìn)行緩慢冷卻，目的寸采用不同的保溫時(shí)間，然后進(jìn)行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)，獲得良好是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進(jìn)一步淬火作組織的工藝性能和使用性能，或者為進(jìn)一步淬火

35、作組織準(zhǔn)備。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中準(zhǔn)備。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細(xì)，常用于改善材料的切削性能，也有時(shí)用于對(duì)一細(xì)，常用于改善材料的切削性能，也有時(shí)用于對(duì)一些要求不高的零件作為最終熱處理。些要求不高的零件作為最終熱處理。 補(bǔ)充補(bǔ)充重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院補(bǔ)充補(bǔ)充v淬火淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機(jī)鹽、是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機(jī)鹽、有機(jī)水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變有機(jī)水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時(shí)變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火

36、后硬，但同時(shí)變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于的鋼件在高于室溫而低于710710的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長時(shí)間的保溫，再進(jìn)行冷卻，這種工藝稱為回火。長時(shí)間的保溫，再進(jìn)行冷卻，這種工藝稱為回火。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把四把火火”，其中的淬火與回火關(guān)系密切，常常配合使用，其中的淬火與回火關(guān)系密切，常常配合使用，缺一不可。缺一不可。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院幾何尺寸對(duì)電阻的影響幾何尺寸對(duì)電阻的影響 v導(dǎo)電性同試樣的幾何尺寸有關(guān)。導(dǎo)電性同試樣的幾何尺寸有關(guān)。從金屬的導(dǎo)電機(jī)制可知，當(dāng)導(dǎo)電電子的自由程同試樣尺寸是同一

37、數(shù)量級(jí)時(shí)，這種“尺寸效應(yīng)(size effect)”就顯得十分突出（納米材料的尺寸效應(yīng)，量子隧道效應(yīng)）。這一現(xiàn)象對(duì)研究和測試金屬薄膜和細(xì)絲材料的電阻非常重要。 重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院電阻率的各向異性電阻率的各向異性v立方晶系金屬 各項(xiàng)同性v其它：四方晶系、六方晶系、斜方晶系等 各向異性重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院按溶質(zhì)原子在晶格中的位置不同可分為置換固溶體置換固溶體和間間隙固溶體隙固溶體。1、置換固溶體置換固溶體 溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格中的結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體稱置換固溶體。補(bǔ)充補(bǔ)充重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院2、間隙固溶體間隙固溶體 溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱間隙固溶體。間隙固溶體的

38、溶劑是直徑較大的過渡族金屬，間隙固溶體的溶劑是直徑較大的過渡族金屬，而溶質(zhì)是直徑很小的碳、氫等非金屬元素。而溶質(zhì)是直徑很小的碳、氫等非金屬元素。其形成條件是溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑之比必須小于0.59。 另外，按溶質(zhì)元素在固溶體中的溶解度，可分為有有限固溶體限固溶體和無限固溶體無限固溶體。但只有置換固溶體有可能成為無限固溶體。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院合金合金(alloy)的導(dǎo)電性的導(dǎo)電性v固溶體固溶體(solid solution)的導(dǎo)電性的導(dǎo)電性1.固溶體的電阻與組元濃度的關(guān)系固溶體的電阻與組元濃度的關(guān)系 在形成固溶體時(shí)，與純組元相比，合金的導(dǎo)電性能降低了（即電阻增大），即使是在低導(dǎo)電性的金屬

39、溶劑中加入高導(dǎo)電性的金屬溶質(zhì)也是如此。 規(guī)律：電阻隨成分連續(xù)變化而無突變，故在連續(xù)固電阻隨成分連續(xù)變化而無突變，故在連續(xù)固溶體的情況下，當(dāng)組元溶體的情況下，當(dāng)組元A溶入組元溶入組元B時(shí)，電阻由時(shí)，電阻由B組元的組元的電阻值增大至極大值后再逐漸減小到電阻值增大至極大值后再逐漸減小到A組元的電阻值。組元的電阻值。 重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院銀Ag 1.60（10-6m） 金Au 2.40（10-6m） 重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院v原因：原因：純組元間原子半徑差所引起的晶體點(diǎn)陣畸變，純組元間原子半徑差所引起的晶體點(diǎn)陣畸變，增加了電子的散射，增加了電子的散射，故固溶體的電阻總是要大于各故固溶體的電阻總是要

40、大于各組元純金屬的電阻，且原子半徑差越大，固溶體的組元純金屬的電阻，且原子半徑差越大，固溶體的電阻也越大。電阻也越大。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院但是晶體點(diǎn)陣畸變不是固溶體電阻增大的唯一原因，這種合金化對(duì)電阻的影響還有如下幾方面這種合金化對(duì)電阻的影響還有如下幾方面：重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院規(guī)律規(guī)律：在連續(xù)固溶體中，合金成分距組元越遠(yuǎn)，電阻率越高。因此，在二元合金中最大電阻率通常在50濃度處，而且比組元電阻高幾倍。例外例外：鐵磁性和強(qiáng)順磁性金屬組成的固溶體，其電阻的極大值一般不在50濃度處，而在較高的濃度處。此外，貴金屬（Cu、Ag、Au）與過渡族金屬組成固溶體時(shí)，不僅極大值出現(xiàn)在較高濃度處，而且電

41、阻也異常的高。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院2固溶體電阻與溫度的關(guān)系固溶體電阻與溫度的關(guān)系根據(jù)馬基申定律（適于固溶體），低濃度固溶體的電阻率為： T重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院3.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 Cu3Au和CuAu合金在退火時(shí)晶體點(diǎn)陣中的原子進(jìn)行有序排列（稱為合金固溶體有序化合金固溶體有序化） 當(dāng)固溶體有序化后，其合金組元的化學(xué)作用加強(qiáng)，因此，其電子結(jié)合比無序態(tài)時(shí)更強(qiáng)，這就使導(dǎo)電電子數(shù)減少而殘余電阻增殘余電阻增大大。然而晶體的離子勢場在有序化后則更為對(duì)稱，這就使電子的散射幾率大大降低，因而有序合金的殘余電阻減小殘余電

42、阻減小。通常在上述兩種相反作用的因素中，第二個(gè)因素占主導(dǎo)作用，故合金有序化合金有序化時(shí)電阻總是降低。時(shí)電阻總是降低。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院4. 不均勻固溶體（不均勻固溶體（K狀態(tài)）的電阻狀態(tài)）的電阻 ：冷加工可使固溶體電阻升高，而退火則降：冷加工可使固溶體電阻升高，而退火則降低（與純金屬一樣）。低（與純金屬一樣）。 ：但對(duì)某些成分含有過渡族金屬的合金，盡：但對(duì)某些成分含有過渡族金屬的合金，盡管金相分析和管金相分析和X射線分析的結(jié)果認(rèn)為其組織仍是單相的，射線分析的結(jié)果認(rèn)為其組織仍是單相的，但在但在回火回火中發(fā)現(xiàn)合金電阻有反常升高，而在冷加工時(shí)中發(fā)現(xiàn)合金電阻有反常升高，而在冷加工時(shí)發(fā)現(xiàn)合金的電阻

43、有明顯降低，這種合金組織出現(xiàn)的反發(fā)現(xiàn)合金的電阻有明顯降低，這種合金組織出現(xiàn)的反常狀態(tài)稱為常狀態(tài)稱為K狀態(tài)狀態(tài)。 重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院 這種固溶體中原子間距的大小顯著地波動(dòng)著，其波這種固溶體中原子間距的大小顯著地波動(dòng)著，其波動(dòng)正是組元原子在晶體中不均勻分布的結(jié)果，所以也把動(dòng)正是組元原子在晶體中不均勻分布的結(jié)果，所以也把K狀態(tài)稱為狀態(tài)稱為“不均勻固溶體不均勻固溶體”，在這些固溶體中有著特殊，在這些固溶體中有著特殊的相變及特殊的結(jié)構(gòu)狀態(tài)存在著。的相變及特殊的結(jié)構(gòu)狀態(tài)存在著。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院 當(dāng)兩種金屬的原子形成化合物時(shí)，其合金的性能尤當(dāng)兩種金屬的原子形成化合物時(shí)，其合金的性能尤其是導(dǎo)電性

44、的變化最為激烈，其電阻率要比各組元的電其是導(dǎo)電性的變化最為激烈，其電阻率要比各組元的電阻率高很多阻率高很多 ：原子鍵合的方式發(fā)生了質(zhì)的變化，其中至少：原子鍵合的方式發(fā)生了質(zhì)的變化，其中至少一部分由原金屬鍵變?yōu)楣矁r(jià)鍵或離子鍵，使導(dǎo)電電子數(shù)一部分由原金屬鍵變?yōu)楣矁r(jià)鍵或離子鍵，使導(dǎo)電電子數(shù)減少。此外晶體結(jié)構(gòu)變化也有一定的作用。減少。此外晶體結(jié)構(gòu)變化也有一定的作用。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院 金屬間形成的化合物的電阻與組元間的金屬間形成的化合物的電阻與組元間的電離勢電離勢之差之差有關(guān)。有關(guān)。 當(dāng)組成化合物時(shí)，若兩組元給出價(jià)電子的能力相同，當(dāng)組成化合物時(shí)，若兩組元給出價(jià)電子的能力相同，則所形成的化合物的電

45、阻就低，因而具有金屬的性質(zhì)。則所形成的化合物的電阻就低，因而具有金屬的性質(zhì)。 若兩組元的電離勢相差較大，即一組元給出的電子若兩組元的電離勢相差較大，即一組元給出的電子被另一組元吸收，則化合物的電阻就大，接近半導(dǎo)體的被另一組元吸收，則化合物的電阻就大，接近半導(dǎo)體的性質(zhì)。性質(zhì)。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院電離勢電離勢 元素呈氣態(tài)時(shí)，從它的一個(gè)原子或陽離子中將一個(gè)元素呈氣態(tài)時(shí)，從它的一個(gè)原子或陽離子中將一個(gè)電子移至無窮遠(yuǎn)處時(shí)所需做的功，稱為電子移至無窮遠(yuǎn)處時(shí)所需做的功，稱為該元素的電離勢該元素的電離勢，單位為電子伏特單位為電子伏特(ev)。 當(dāng)原子失去第一個(gè)電子成為一價(jià)陽離子時(shí)，所需的當(dāng)原子失去第一個(gè)電

46、子成為一價(jià)陽離子時(shí)，所需的能量為元素的能量為元素的第一電離勢第一電離勢；當(dāng)一價(jià)陽離子再失去一個(gè)電；當(dāng)一價(jià)陽離子再失去一個(gè)電子成為二價(jià)陽離子時(shí)所需的能量為子成為二價(jià)陽離子時(shí)所需的能量為第二電離勢第二電離勢，其余類，其余類推。第二電離勢高于第一電離勢，第三電離勢又高于第推。第二電離勢高于第一電離勢，第三電離勢又高于第二電離勢，如此等等。二電離勢，如此等等。通常所稱的電離勢一般都是指第通常所稱的電離勢一般都是指第一電離勢。一電離勢。 電離勢愈小，表示愈易失去電子。電離勢愈小，表示愈易失去電子。金屬元素的電離金屬元素的電離勢比非金屬元素電離勢小。勢比非金屬元素電離勢小。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院v化合物

47、在許多金屬系統(tǒng)中往往是在原始組元的一化合物在許多金屬系統(tǒng)中往往是在原始組元的一定濃度區(qū)形成，其晶體結(jié)構(gòu)不同于組元及其固溶定濃度區(qū)形成，其晶體結(jié)構(gòu)不同于組元及其固溶體的結(jié)構(gòu)。體的結(jié)構(gòu)。v中間相中間相：分為道爾頓體道爾頓體、別爾多利體別爾多利體。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院兩者區(qū)別兩者區(qū)別：道爾頓體存在奇異點(diǎn)，別爾多利體沒有奇異點(diǎn)，兩者的結(jié)構(gòu)不同，在道爾頓體中兩組元的原子排列到達(dá)了最大的遠(yuǎn)程有序最大的遠(yuǎn)程有序，而在別爾多利體中則無這種最大有序的點(diǎn)，其晶體內(nèi)原子的有序排列僅是局部的。顯然，奇異點(diǎn)的存在與否表示金屬相能否形顯然，奇異點(diǎn)的存在與否表示金屬相能否形成有序結(jié)構(gòu)。成有序結(jié)構(gòu)。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)

48、院 金屬化合物的電學(xué)性能可以在很寬的范圍內(nèi)變化，從低溫下的超導(dǎo)電性到常溫的半導(dǎo)體，存在部分共價(jià)鍵和離子鍵的金屬化合物具有高電阻率。與離子型和共價(jià)與離子型和共價(jià)型化合物不同，金屬化合物是以異類原子間的金屬鍵占型化合物不同，金屬化合物是以異類原子間的金屬鍵占優(yōu)勢為特征，因而具有光澤、導(dǎo)電性和正電阻溫度系數(shù)優(yōu)勢為特征，因而具有光澤、導(dǎo)電性和正電阻溫度系數(shù)等金屬性能。等金屬性能。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院v多相合金的導(dǎo)電性多相合金的導(dǎo)電性 多相合金多相合金：由兩個(gè)以上的相組成的合金。 單相合金？單相合金？多相合金的導(dǎo)電性由組成相的導(dǎo)電性來決定。導(dǎo)電性具有組織敏感性組織敏感性。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院 多

49、相合金的電阻的影響因素多相合金的電阻的影響因素：單相區(qū)中晶粒的大小點(diǎn)陣的畸變晶粒內(nèi)部異類原子的偏聚組成相的界面第二相的形狀、大小及分布狀況。例子例子若晶體不屬于立方晶系，則試樣的織構(gòu)對(duì)合金電阻也有一定影響。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院尤其當(dāng)一種相（如夾雜物）的晶粒大小或尤其當(dāng)一種相（如夾雜物）的晶粒大小或GP區(qū)區(qū)（原子偏聚區(qū)）與電子波長屬同一數(shù)量級(jí)時(shí)，由（原子偏聚區(qū)）與電子波長屬同一數(shù)量級(jí)時(shí)，由于電子在這些夾雜物上要發(fā)生附加散射，故這種于電子在這些夾雜物上要發(fā)生附加散射，故這種彌散度的影響就很大。發(fā)生最大散射并由此而引彌散度的影響就很大。發(fā)生最大散射并由此而引起電阻最大升高的情況是與夾雜物的大小相

50、對(duì)應(yīng)起電阻最大升高的情況是與夾雜物的大小相對(duì)應(yīng)的的。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院織構(gòu)v織構(gòu)定義織構(gòu)定義 單晶體在不同的晶體學(xué)方向上，其力學(xué)、電磁、單晶體在不同的晶體學(xué)方向上，其力學(xué)、電磁、光學(xué)、耐腐蝕、磁學(xué)甚至核物理等方面的性能會(huì)表光學(xué)、耐腐蝕、磁學(xué)甚至核物理等方面的性能會(huì)表現(xiàn)出顯著差異，這種現(xiàn)象稱為各向異性。現(xiàn)出顯著差異，這種現(xiàn)象稱為各向異性。 多晶體是許多單晶體的集合，如果晶粒數(shù)目大多晶體是許多單晶體的集合，如果晶粒數(shù)目大且各晶粒的排列是完全無規(guī)則的統(tǒng)計(jì)均勻分布，即且各晶粒的排列是完全無規(guī)則的統(tǒng)計(jì)均勻分布，即在不同方向上取向幾率相同，則這多晶集合體在不在不同方向上取向幾率相同，則這多晶集合體在

51、不同方向上就會(huì)宏觀地表現(xiàn)出各種性能相同的現(xiàn)象，同方向上就會(huì)宏觀地表現(xiàn)出各種性能相同的現(xiàn)象，這叫各向同性。這叫各向同性。 重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院 然而多晶體在其形成過程中，由于受到外界的力、然而多晶體在其形成過程中，由于受到外界的力、熱、電、磁等各種不同條件的影響，或在形成后受到熱、電、磁等各種不同條件的影響，或在形成后受到不同的加工工藝的影響，多晶集合體中的各晶粒就會(huì)不同的加工工藝的影響，多晶集合體中的各晶粒就會(huì)沿著某些方向排列，呈現(xiàn)出或多或少的統(tǒng)計(jì)不均勻分沿著某些方向排列，呈現(xiàn)出或多或少的統(tǒng)計(jì)不均勻分布，即出現(xiàn)在某些方向上聚集排列，因而在這些方向布，即出現(xiàn)在某些方向上聚集排列，因而在這些方

52、向上取向幾率增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫做擇優(yōu)取向。上取向幾率增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫做擇優(yōu)取向。 這種組織結(jié)構(gòu)及規(guī)則聚集排列狀態(tài)類似于天然纖這種組織結(jié)構(gòu)及規(guī)則聚集排列狀態(tài)類似于天然纖維或織物的結(jié)構(gòu)和紋理，故稱之為維或織物的結(jié)構(gòu)和紋理，故稱之為織構(gòu)織構(gòu)。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院 若晶體不屬于立方晶系，則試樣的織構(gòu)對(duì)合金電若晶體不屬于立方晶系，則試樣的織構(gòu)對(duì)合金電阻也有一定的影響。但若合金晶粒為彌散度不大的退阻也有一定的影響。但若合金晶粒為彌散度不大的退火等軸晶且不存在織構(gòu)現(xiàn)象，則上述影響可忽略。此火等軸晶且不存在織構(gòu)現(xiàn)象，則上述影響可忽略。此時(shí)多相合金的電阻就可以看做為各相電阻的算術(shù)和。時(shí)多相合金的電

53、阻就可以看做為各相電阻的算術(shù)和。這只是在各組成相的導(dǎo)電性相近時(shí)才可能。這只是在各組成相的導(dǎo)電性相近時(shí)才可能。這種情況下，電導(dǎo)率與組元的體積濃度呈線性關(guān)這種情況下，電導(dǎo)率與組元的體積濃度呈線性關(guān)系，其表達(dá)式為：系，其表達(dá)式為：重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院 任意多相合金電阻率的值總是處于組元電阻任意多相合金電阻率的值總是處于組元電阻率之間。率之間。 若已知每各相的體積含量、形狀及晶體的相互分布，則按組成合金各個(gè)相的電導(dǎo)率計(jì)算合金電導(dǎo)率在原則上是可能的。 局限局限：但細(xì)小的夾雜物以及沿晶界的點(diǎn)陣畸變所引起的電子附加散射未能計(jì)入。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院導(dǎo)電性的測量導(dǎo)電性的測量 材

54、料的導(dǎo)電性的測量實(shí)際上就是對(duì)試樣電阻的測量，因?yàn)楦鶕?jù)試樣的電阻值和它的幾何尺寸就可以由算出電阻率。跟蹤測量試樣在變溫或變壓裝置中的電阻，就可以建立電阻與溫度或電阻與壓力的關(guān)系，從而得到電阻溫度系數(shù)或電阻壓力系數(shù)。SRL重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院 電阻的測量方法很多，一般都是根據(jù)測量的需要和具體的測試條件來選擇不同的測試方法。 通常都是按通常都是按測量的范圍測量的范圍或或測量的準(zhǔn)確度測量的準(zhǔn)確度要求來分類：要求來分類： 一般對(duì)106以上較大的電阻（俗稱高阻高阻），如材料的絕緣電阻的測量，要求不嚴(yán)格的測量（粗測）時(shí)，可選用兆歐表兆歐表（俗稱搖表）；要求精測時(shí)，可選用沖擊檢流計(jì)沖擊檢流計(jì)測量。重慶科技

55、學(xué)院重慶科技學(xué)院 對(duì)102106的中值電阻粗測時(shí)，可選用萬用表檔、數(shù)字式歐姆表或伏安法測量，精測時(shí)可選用單電橋測量。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院 對(duì)10-6102的電阻的測量，如金屬及其合金電阻的測量，必須采用較準(zhǔn)確的測量，可選用雙電橋法或直流電位差計(jì)法測量。 對(duì)半導(dǎo)體材料電阻的測量一般用直流四探針法。（重對(duì)半導(dǎo)體材料電阻的測量一般用直流四探針法。（重點(diǎn)介紹）點(diǎn)介紹）重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院 半導(dǎo)體材料的電阻常用四探針法來測量。這種方法測量時(shí)使用相距約1mm的四根金屬探針同時(shí)與樣品表面接觸，通過恒流源給其中兩根探針通以小電流使樣品內(nèi)部產(chǎn)生壓降，并以高輸入阻抗的直流電位差計(jì)或數(shù)字電壓表來測量其他的兩

56、根探針的電壓，然后計(jì)算材料的電阻率1，4為電流探針，2，3為電壓探針23UCI重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院測量原理：測量原理： 設(shè)有一均勻的半導(dǎo)體試樣，其尺寸與探針間距相比可視為無限大，探針引入點(diǎn)電流源的電流強(qiáng)度為I。因均勻?qū)w內(nèi)恒定電場的等位面為球面，故在半徑為r處等位面的面積為2r2，則電流密度為j=I/2r2。電場強(qiáng)度E=j/=j=I/2r2,因此，距點(diǎn)電荷r處的電位為V=I/2r。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院 半導(dǎo)體內(nèi)各點(diǎn)的電位應(yīng)為電流探針分別在該點(diǎn)形成電位的矢量和。 四探針法測量電阻率的普遍公式為：若四探針處于同一平面的同一直線上，其間距分別為S1、S2、S3，則上式又可寫成：1231224

57、133411112 ()UrrrrI12312123311112 ()USSSSSSI重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院當(dāng)S1=S2=S3=S時(shí)，又可簡化為：這就是常用的直流等間距四探針法測電阻率的公式。若令I(lǐng)=C=2S，即流過探針1，4的電流數(shù)值上等于探針系數(shù)，則即從探針2，3上測得的電壓在數(shù)值上就等于試樣的電阻率。232USI23U重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院 為減小測量區(qū)域以觀察電阻率的不均勻性，四探針不一定都排成一直線，也可排成正方形或矩形，但采用這些排法與直線四探針法并無原則差別，只需改變公式中的系數(shù)。如正方形四探針法：問題：正方形四探針法公式如何推導(dǎo)出來的？問題：正方形四探針法公式如何推導(dǎo)出來的

58、？23222USI重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院 探針與半導(dǎo)體樣品之間不要求制備合金結(jié)電極，這給測量帶來了方便，且可測量樣品沿徑向分布的斷面電阻率，從而可以觀察電阻率的不均勻情況?？裳杆佟⒎奖?、無破壞地測量任意形狀的樣品，且精度較高。 測量精度略遜于二探針法，受到針距的限制，很難發(fā)現(xiàn)0.5 mm 兩點(diǎn)電阻的變化。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院四探針測試儀：四探針測試儀： 常用來測試薄膜的方塊電阻（方阻）。方塊電阻（方阻）。方阻指一個(gè)正方形的薄膜導(dǎo)電材料邊到邊“之”間的電阻，方塊電阻有一方塊電阻有一個(gè)特性，即任意大小的正方形邊到邊的電阻都是一樣的，個(gè)特性，即任意大小的正方形邊到邊的電阻都是一樣的，不管邊長是

59、不管邊長是1米還是米還是0.1米，它們的方阻都是一樣，這樣方米，它們的方阻都是一樣，這樣方阻僅與導(dǎo)電膜的厚度等因素有關(guān)。阻僅與導(dǎo)電膜的厚度等因素有關(guān)。 重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院電阻分析的應(yīng)用電阻分析的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：用電阻分析法來研究材料的成分、結(jié)構(gòu)和組用電阻分析法來研究材料的成分、結(jié)構(gòu)和組織變化的靈敏度很高，它能極敏感地反映出材料內(nèi)部的微織變化的靈敏度很高，它能極敏感地反映出材料內(nèi)部的微弱變化。弱變化。不足不足：由于影響電阻的因素較多，測量結(jié)果不易分析。電阻分析法可研究的問題電阻分析法可研究的問題：l 研究與脫溶回溶有關(guān)的問題，l 測定固溶體的溶解度曲線，l 研究合金的時(shí)效過程，l 研究合金的

60、不均勻固溶體的形成，有序無序轉(zhuǎn)變， 以及研究擴(kuò)散和馬氏體轉(zhuǎn)變等。重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院v研究合金的時(shí)效研究合金的時(shí)效 研究合金時(shí)效的基礎(chǔ)研究合金時(shí)效的基礎(chǔ)：合金的時(shí)效（長時(shí)間的低溫回火）往往伴隨著脫溶(降溫時(shí)從一個(gè)單相過飽和固溶體轉(zhuǎn)變降溫時(shí)從一個(gè)單相過飽和固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)閮上嗷旌衔锏姆纸膺^程為兩相混合物的分解過程)過程，從而使電阻發(fā)生顯著的變化，所以電阻分析法是研究合金時(shí)效的最有效方法之一。例子：鋁銅合金低溫時(shí)效、高溫時(shí)效下電阻的變化。（二度晶核或稱G-P區(qū)的基本概念：極細(xì)小的彌散小區(qū)域）合金時(shí)效的回歸現(xiàn)象：合金時(shí)效的回歸現(xiàn)象：低溫下產(chǎn)生的晶核是不穩(wěn)定的，當(dāng)再加熱到高溫時(shí)，這些不穩(wěn)定的晶核又溶回