第八章 材料的電學(xué)表征技術(shù)

1、1第八章第八章 材料電學(xué)表征方法材料電學(xué)表征方法2本章講授的內(nèi)容本章講授的內(nèi)容v1. 導(dǎo)電性能分析導(dǎo)電性能分析v2. 熱電勢分析熱電勢分析v3.介電性能分析介電性能分析v4. 壓電性能分析壓電性能分析38.1 8.1 電阻與導(dǎo)電的基本概念電阻與導(dǎo)電的基本概念v8.1.1 8.1.1 電阻率電阻率v8.1.2 8.1.2 電導(dǎo)率電導(dǎo)率電阻率和電導(dǎo)率都與材料的尺寸無關(guān)，而只決定于它電阻率和電導(dǎo)率都與材料的尺寸無關(guān)，而只決定于它們的性質(zhì)，因此是物質(zhì)的本征參數(shù)，可用來作為表征們的性質(zhì)，因此是物質(zhì)的本征參數(shù)，可用來作為表征材料導(dǎo)電性的尺度。材料導(dǎo)電性的尺度。48.1.3 根據(jù)材料導(dǎo)電性能好壞，可把材料分

2、為：根據(jù)材料導(dǎo)電性能好壞，可把材料分為：v導(dǎo)體導(dǎo)體v半導(dǎo)體半導(dǎo)體v絕緣體絕緣體: : 1010-2-2m m : 10 : 10-2-2m m 10101010m m: : 10101010m mv不同材料的導(dǎo)電能力相差很大，這是由它們的結(jié)不同材料的導(dǎo)電能力相差很大，這是由它們的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電本質(zhì)所決定的。構(gòu)與導(dǎo)電本質(zhì)所決定的。523VCI優(yōu)點：消除接觸電阻r=8.1.4 四探針法測量半導(dǎo)體電阻四探針法測量半導(dǎo)體電阻6為什么要用四根探針呢？因為金屬與半導(dǎo)體接觸時往往要形成阻擋層，造成很大的接因為金屬與半導(dǎo)體接觸時往往要形成阻擋層，造成很大的接觸電阻，當(dāng)有電流通過接觸處時就會產(chǎn)生很大的電壓降。同觸電

3、阻，當(dāng)有電流通過接觸處時就會產(chǎn)生很大的電壓降。同時，在金屬與半導(dǎo)體接觸處，當(dāng)有點電流通過時，也可能發(fā)時，在金屬與半導(dǎo)體接觸處，當(dāng)有點電流通過時，也可能發(fā)生少子注入現(xiàn)象，使得接觸處附近的半導(dǎo)體電阻有所變化。生少子注入現(xiàn)象，使得接觸處附近的半導(dǎo)體電阻有所變化。因此，如果僅用兩根探針，既做電流探針，又做電壓探針，因此，如果僅用兩根探針，既做電流探針，又做電壓探針，則測得的電壓就不是真正半導(dǎo)體的電壓，二是包含接觸電阻則測得的電壓就不是真正半導(dǎo)體的電壓，二是包含接觸電阻和注入效應(yīng)的電壓。但是在電流探針之間再加上兩根探針，和注入效應(yīng)的電壓。但是在電流探針之間再加上兩根探針，專做測量半導(dǎo)體的電壓用，則在很大

4、程度上可消除接觸電阻專做測量半導(dǎo)體的電壓用，則在很大程度上可消除接觸電阻的影響。此外，為了進(jìn)一步消除電壓探針本身的接觸電阻和的影響。此外，為了進(jìn)一步消除電壓探針本身的接觸電阻和注入效應(yīng)，往往還采用補(bǔ)償法來測量電壓，使電流不必通過注入效應(yīng)，往往還采用補(bǔ)償法來測量電壓，使電流不必通過電壓探針。這樣采用四根探針后，測量的半導(dǎo)體電阻較為準(zhǔn)電壓探針。這樣采用四根探針后，測量的半導(dǎo)體電阻較為準(zhǔn)確確。7接觸電阻的定義接觸電阻的定義u 何為接觸電阻？何為接觸電阻？接觸電阻就是電流流過閉合的接觸點對時的電阻接觸電阻就是電流流過閉合的接觸點對時的電阻.適用產(chǎn)品適用產(chǎn)品: 連接器、繼電器線束、開關(guān)等元件連接器、繼電

5、器線束、開關(guān)等元件. 物體電阻的產(chǎn)生物體電阻的產(chǎn)生: 在電場作用下，物體內(nèi)部電子的振動與原子內(nèi)其他在電場作用下，物體內(nèi)部電子的振動與原子內(nèi)其他物質(zhì)的振動相互碰撞引起的物質(zhì)的振動相互碰撞引起的,而接觸點由于是兩種物質(zhì)的接觸，自然會而接觸點由于是兩種物質(zhì)的接觸，自然會有更多的雜質(zhì)和其他物質(zhì)，這樣接觸電阻就會產(chǎn)生有更多的雜質(zhì)和其他物質(zhì)，這樣接觸電阻就會產(chǎn)生.u 接觸電阻的產(chǎn)生？接觸電阻的產(chǎn)生？8 在顯微鏡下觀察連接器接觸件的表面，盡管鍍金層十分光滑，則仍能觀察到5-10微米的凸起部分。會看到插合的一對接觸件的接觸，并不整個接觸面的接觸，而是散布在接觸面上一些點的接觸。實際接觸面必然小于理論接觸面。根

6、據(jù)表面光滑程度及接觸壓力大小，兩者差距有的可達(dá)幾千倍。實際接觸面可分為兩部分： 一.真正金屬與金屬直接接觸部分。即金屬間無過渡電阻的接觸微點，亦稱接觸斑點，它是由接觸壓力或熱作用破壞界面膜后形成的。此部分約占實際接觸面積的5-10%。 二.通過接觸界面污染薄膜后相互接觸的部分。因為任何金屬都有返回 原氧化物狀態(tài) 的傾向。接觸電阻形成原理接觸電阻形成原理銅只要銅只要2-3分鐘，鎳約分鐘，鎳約30分鐘，鋁僅需分鐘，鋁僅需2-3秒鐘，其表面便可形成厚度約秒鐘，其表面便可形成厚度約2um的氧化膜層的氧化膜層9接觸電阻一般由收縮電阻、表面膜電阻和導(dǎo)體電阻組成接觸電阻一般由收縮電阻、表面膜電阻和導(dǎo)體電阻組

7、成.收縮電阻收縮電阻 是電流在流經(jīng)電接觸區(qū)域時，從原來截面較大的導(dǎo)體 突然轉(zhuǎn)入截面很小的接觸點，電流發(fā)生劇烈收縮現(xiàn)象（或集中現(xiàn)象），此現(xiàn)象所呈現(xiàn)的附加電阻稱為收縮電或集中電阻。表面膜電阻表面膜電阻:由于接觸表面氧化膜層及其他污染物所構(gòu)成的電阻稱為膜層電阻或界面電阻。接觸電阻的組成接觸電阻的組成導(dǎo)體電阻導(dǎo)體電阻: 實際測量電連接器接觸件的接觸電阻時，都是在接點引出端進(jìn)行的，故實際測得的接觸電阻還包含接觸表面以外接觸件和引出導(dǎo)線本身的導(dǎo)體電阻。導(dǎo)體電阻主要取決于金屬材料本身的導(dǎo)電性能，它與周圍環(huán)境溫度的關(guān)系可用溫度系數(shù)來表征。 為便于區(qū)分，將收縮電阻加上表面膜電阻稱為真實接觸電阻真實接觸電阻。而將

8、實際測得包含有導(dǎo)體電阻的稱為總接觸電阻總接觸電阻。R= Rs+ Rf + Rp,式中：式中：Rs收縮電阻；收縮電阻；Rf膜層電阻；膜層電阻；Rp導(dǎo)體電阻。導(dǎo)體電阻。1011128.1.5 直流電位差計法直流電位差計法13優(yōu)點：直接消除連線和接觸電阻，適合測高，低溫電阻14v影響電阻的因素1.環(huán)境因素的影響溫度的影響應(yīng)力的影響2.組織結(jié)構(gòu)的影響塑性形變的影響熱處理的影響3.合金元素及相結(jié)構(gòu)的影響固溶體的電阻不均勻固溶體的電阻金屬化合物的電阻多相合金的電阻15 （1）塞貝克效應(yīng)（1821） 當(dāng)兩種不同金屬或合金A,B組成閉合回路時， 若兩接觸點處溫度不同，回路中將產(chǎn)生電流 ，相應(yīng)的電動勢稱作熱電勢

9、。 在熱端，電流從低電勢流向高電現(xiàn)象：規(guī)定：勢。 8.2 8.2 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)16熱電勢由溫差電勢和接觸電勢組成。 溫差電勢：同一導(dǎo)體兩端由于溫度不同，電子 由高溫端向低溫端擴(kuò)散產(chǎn)生的電勢。 接觸電勢：由于不同導(dǎo)體電子濃度/能量不同， 在接觸部位因擴(kuò)散而引起的電勢。 解釋： 171122,NNInInNNN1121212212121122121122212112溫 差 電 勢 的 大 小 ： V （ T ， T ） ST， V （ T ， T ） ST S稱 作 湯 姆 遜 系 數(shù)kTkT接 觸 電 勢 的 大 小 ： V（ T ） V（ T ） ee 代 表 自 由 電 子 濃 度熱 電

10、 動 勢 的 大 小 ： V V（ T ） V（ T ） V （ T ， T ） V （ T ， T ） DD18 當(dāng)兩種不同金屬或合金A, B組成閉合回路時， 若回路通以電流，則兩接觸點將產(chǎn)生溫度差。 因此帕耳貼效應(yīng)屬于塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。接觸電勢對電子做功為正，則接觸點放熱； 接觸電勢對電子做功為負(fù)，則接觸點吸熱?，F(xiàn)象： 結(jié)果： 接觸點部位電子的解釋: 躍遷。 能級升 高 （2）帕爾貼效應(yīng)）帕爾貼效應(yīng)AVBVATB19對帕爾帖效應(yīng)的物理解釋是：對帕爾帖效應(yīng)的物理解釋是：v電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動形成電流。由于電荷電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當(dāng)它載體在

11、不同的材料中處于不同的能級，當(dāng)它從高能級向低能級運(yùn)動時，便釋放出多余的從高能級向低能級運(yùn)動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運(yùn)動時，從能量；相反，從低能級向高能級運(yùn)動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。熱的形式吸收或放出。 20帕爾帖熱的測量帕爾帖熱的測量v先從一個方向通入電流，測的熱量先從一個方向通入電流，測的熱量QJ+Qp（放熱）。然后再從另外一個方向通入電流，（放熱）。然后再從另外一個方向通入電流，測的熱量為測的熱量為QJ-Qp（吸熱），二者只差就是（吸熱），二者只差就是2Qp，則可得出帕爾帖熱。，則可得出帕爾

12、帖熱。21對于對于P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的電偶型半導(dǎo)體組成的電偶應(yīng)用：半導(dǎo)體制冷，利用半導(dǎo)體帕爾貼效應(yīng)大的特點應(yīng)用：半導(dǎo)體制冷，利用半導(dǎo)體帕爾貼效應(yīng)大的特點22（3）湯姆遜效應(yīng)）湯姆遜效應(yīng)對于同一種金屬，若兩端的溫度不相同，電子也要發(fā)生遷移對于同一種金屬，若兩端的溫度不相同，電子也要發(fā)生遷移,于是在于是在導(dǎo)體的導(dǎo)體的M與與M兩點之間產(chǎn)生一個靜電勢兩點之間產(chǎn)生一個靜電勢V，見圖由于導(dǎo)體，見圖由于導(dǎo)體中存在中存在V，若給導(dǎo)體通以電流，若電流方向與熱電流的方向一致，若給導(dǎo)體通以電流，若電流方向與熱電流的方向一致，則放出熱量則放出熱量,若方向相反，則吸收熱量，這種現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)。若方

13、向相反，則吸收熱量，這種現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)。T1MMT2TT+TVV+V23v1909年開始研究熱點轉(zhuǎn)換效率，目前熱點材年開始研究熱點轉(zhuǎn)換效率，目前熱點材料已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于加熱、制冷和發(fā)電等機(jī)料已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于加熱、制冷和發(fā)電等機(jī)制中。制中。242526電差位計電差位計27v影響熱電勢的因素v金屬本質(zhì)的影響v溫度的影響v合金化的影響v相變影響288.3 介電性能分析介電性能分析v介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象，稱介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象，稱為介質(zhì)的為介質(zhì)的極化極化。這種材料叫。這種材料叫電介質(zhì)電介質(zhì)。v等量異號電荷相距一段距離，這個系統(tǒng)就稱等量異號電荷相距一段距離，這個系統(tǒng)就稱為

14、為電偶極子電偶極子，電荷和位移的乘積稱為這個系，電荷和位移的乘積稱為這個系統(tǒng)的統(tǒng)的電偶極矩電偶極矩。8.3.1 極化的概念極化的概念29v非極性粒子非極性粒子正負(fù)電荷中心重合，在外電場的正負(fù)電荷中心重合，在外電場的作用下形成電偶極子。作用下形成電偶極子。v極性粒子極性粒子本身具有一定的電偶極矩，在外電本身具有一定的電偶極矩，在外電場的作用下定向排列。場的作用下定向排列。電介質(zhì)粒子分為極性和非極性兩類電介質(zhì)粒子分為極性和非極性兩類30真空真空+E+自由電荷自由電荷+偶極子偶極子束縛電荷束縛電荷(1) 具有一系列偶極子和束縛電荷的極化現(xiàn)象具有一系列偶極子和束縛電荷的極化現(xiàn)象 極化現(xiàn)象

15、及其物理量極化現(xiàn)象及其物理量31偶極子的產(chǎn)生有兩種基本形式：偶極子的產(chǎn)生有兩種基本形式：第一種：彈性的、瞬間完成的、不消耗能量的極化。第一種：彈性的、瞬間完成的、不消耗能量的極化。 包括：電子位移極化、離子位移極化。包括：電子位移極化、離子位移極化。 2 2 極化機(jī)制極化機(jī)制第二種：該極化與熱運(yùn)動有關(guān)，其完成需要一定的第二種：該極化與熱運(yùn)動有關(guān)，其完成需要一定的 時間時間,且是非彈性的，需要消耗一定的能量。且是非彈性的，需要消耗一定的能量。 包括：松弛極化、取向極化、空間電荷極化包括：松弛極化、取向極化、空間電荷極化322220220161()010eeememS 15在 外 電 場 作 用

16、下 ， 原 子 外 圍 的 電 子 云 相 對 于 原 子 核 發(fā) 生 相 對 位 移 產(chǎn) 生 的 極 化 。 極 化 率 當(dāng)， 靜 態(tài) 極 化 率瞬 間 完 成 ： 10， 不 消 耗 能 量 。 awwwaw=-=（1）電子位移極化：3322202201()iiqMqM1213離子在電場作用下, 偏離平衡位置引起的極化極化率靜態(tài)下幾乎瞬間完成：1010S，不消耗能量 awwaw=-=（2）離子位移極化：34（3） 松弛極化松弛極化松弛質(zhì)點：材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極松弛質(zhì)點：材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子。子。松弛極化：松弛質(zhì)點松弛極化：松弛質(zhì)點 由于熱運(yùn)動使之分布混亂，

17、由于熱運(yùn)動使之分布混亂， 電場電場力使之按電場規(guī)律分布，在一定溫度下發(fā)生極化力使之按電場規(guī)律分布，在一定溫度下發(fā)生極化松弛極化的特點：比位移極化移動較大距離，移動時松弛極化的特點：比位移極化移動較大距離，移動時需克服一定的勢壘，極化建立時間長需克服一定的勢壘，極化建立時間長，需吸收一定的能，需吸收一定的能量量（10-2 1010-9-9S S ），），是一種是一種非可逆過程非可逆過程。35（4 4）轉(zhuǎn)向極化：轉(zhuǎn)向極化：具有恒定偶極矩的極性分子在外加電場作用下，具有恒定偶極矩的極性分子在外加電場作用下，偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)向，趨于和外加電場方向一致，偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)向，趨于和外加電場方向一致，與極性分子的熱

18、運(yùn)動達(dá)到統(tǒng)計平衡狀態(tài)，整體與極性分子的熱運(yùn)動達(dá)到統(tǒng)計平衡狀態(tài)，整體表現(xiàn)為宏觀偶極矩。表現(xiàn)為宏觀偶極矩。極化率極化率比電子高得多，建立時間：比電子高得多，建立時間： 1010-2-21010-10-10 s s36（5）空間電荷極化：）空間電荷極化：在不均勻介質(zhì)中，如介質(zhì)中存在晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)、在不均勻介質(zhì)中，如介質(zhì)中存在晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)、氣泡等缺陷區(qū)，都可成為自由電子運(yùn)動的障礙；氣泡等缺陷區(qū)，都可成為自由電子運(yùn)動的障礙；在障礙處，自在障礙處，自由電子積聚，形成空間電荷極化，一般為高壓式極化。由電子積聚，形成空間電荷極化，一般為高壓式極化。極化率隨溫度升高而下降。因為溫度升高

19、，離子運(yùn)動加劇，離極化率隨溫度升高而下降。因為溫度升高，離子運(yùn)動加劇，離子容易擴(kuò)散，空間電荷減小。子容易擴(kuò)散，空間電荷減小。極化時間較長，大約幾秒到數(shù)十分鐘，甚至數(shù)十小時，因此空極化時間較長，大約幾秒到數(shù)十分鐘，甚至數(shù)十小時，因此空間電荷極化只對直流和低頻下的極化強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。間電荷極化只對直流和低頻下的極化強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。-+-+-+外電場外電場P37空間電荷極化空間電荷極化松弛極化松弛極化取向極化取向極化離子極化離子極化電子極化電子極化 工頻工頻 聲頻聲頻 無線電無線電 紅外紅外 紫外紫外極極化化率率或或 極化率和介電常數(shù)與頻率的關(guān)系極化率和介電常數(shù)與頻率的關(guān)系38 各種極化形式的比較各種極化形式的比較極化形式極化形式極化的電極化的電介質(zhì)種類介質(zhì)種類極化的頻極化的頻率范圍率范圍與溫度的關(guān)與溫度的關(guān)系系能量消耗能量消耗電子位移電子位移極化極化一切陶瓷一切陶瓷直流直流光頻光頻無關(guān)無關(guān)無無離子位移離子位移極化極化離子結(jié)構(gòu)離子結(jié)構(gòu)直流直流紅外紅外溫度升高極溫度升高極化增強(qiáng)化增強(qiáng)很弱很弱離子松弛離子松弛極化極化離子不緊離子不緊密的材料密的材料直流直流超高頻超高頻隨溫度變化隨溫度變化有極大值有極大值有有電子松弛電子松弛極化極化高價