材料物理：第二章 材料的導(dǎo)電性

1、材料的導(dǎo)電性材料的導(dǎo)電性目目 錄錄1、材料的能帶結(jié)構(gòu)2、金屬中的電阻3、影響導(dǎo)電性的因素1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)能帶理論可以看成能帶理論可以看成是多原子分子軌道是多原子分子軌道理論的極限情況，理論的極限情況， 由分子軌道的基本由分子軌道的基本原理可以推知，隨原理可以推知，隨著參與組合的原子著參與組合的原子軌道數(shù)目的增多，軌道數(shù)目的增多，能級(jí)間隔減小，能級(jí)間隔減小， 能能級(jí)過(guò)渡到能帶。級(jí)過(guò)渡到能帶。 對(duì)軌道數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到軌道密度圖（態(tài)密度圖）硅鋁用能帶結(jié)構(gòu)來(lái)理解材料的塑性變形能力材料的所有性能（力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)）都取決于原子和電子的空間排布：如果外界條件打破了原子排列的平衡狀態(tài)，就

2、會(huì)有位錯(cuò)，晶界，裂紋如果外界條件打破了電子排列的平衡狀態(tài)，就會(huì)導(dǎo)電、發(fā)光、化學(xué)鍵斷裂等現(xiàn)象。要除開(kāi)核物理性能，因?yàn)楹宋锢硇阅?，和中子、質(zhì)子的排列相關(guān)1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)電介質(zhì)溶液中離子電導(dǎo)電介質(zhì)溶液中離子電導(dǎo)離子電導(dǎo)的特征是離子電導(dǎo)的特征是存在電解效應(yīng)。運(yùn)存在電解效應(yīng)。運(yùn)動(dòng)的離子在電極附動(dòng)的離子在電極附近發(fā)生電子得失而近發(fā)生電子得失而形成新的物質(zhì)，稱(chēng)形成新的物質(zhì)，稱(chēng)為電解。用此可檢為電解。用此可檢驗(yàn)材料中是否存在驗(yàn)材料中是否存在離子電導(dǎo)，并且可離子電導(dǎo)，并且可以判定載流子是正以

3、判定載流子是正離子還是負(fù)離子。離子還是負(fù)離子。1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)固體電解質(zhì)中的離子電導(dǎo)固體電解質(zhì)中的離子電導(dǎo)離子擴(kuò)散機(jī)制離子擴(kuò)散機(jī)制1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)對(duì)軌道數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到軌道密度圖（態(tài)密度圖）3/a2/a/a0/a2/a3/a1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)金屬Na的能帶結(jié)構(gòu)3s2p2s1s當(dāng)外電場(chǎng)當(dāng)外電場(chǎng)加上之后，由于加上之后，由于K和和K態(tài)電子具有大小相態(tài)電子具有大小相同但方向相反的速度，彼此同但方向相反的速度，彼此完全抵消。即完全抵消。即滿(mǎn)帶滿(mǎn)帶中的電子中的電子對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn)。對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn)。1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料

4、的能帶結(jié)構(gòu)金屬Na的能帶結(jié)構(gòu)3s2p2s1s半滿(mǎn)帶半滿(mǎn)帶中的電子對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有中的電子對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn)。貢獻(xiàn)。1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)2、金屬中的電阻、金屬中的電阻實(shí)際晶體總會(huì)有雜質(zhì)，存在缺陷。傳導(dǎo)電子在輸運(yùn)過(guò)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(diǎn)陣靜態(tài)缺陷的相互作用基本電阻基本電阻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(jī)制有關(guān)。殘余電阻殘余電阻2、金屬中的電阻、金屬中的電阻聲子的本質(zhì)是晶格振動(dòng)。IStrained region by impurity exerts ascattering forceF

5、= 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(wú)關(guān)3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)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（晶體缺陷的影響） 合金元素 晶粒尺寸1）溫度的影響）溫度的影響溫度越高，晶格振動(dòng)越劇烈，對(duì)電子的散射加強(qiáng)。溫度以及固溶原子對(duì)導(dǎo)電性的影響1）溫度的影響）溫度的影響1）溫度的影響）溫度的影響石墨導(dǎo)

6、電石墨導(dǎo)電金剛石不導(dǎo)電金剛石不導(dǎo)電00溫溫 度度2）受力情況）受力情況2）受力情況）受力情況n 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(guān)2）受力情況）受力情況應(yīng)力敏感材料的應(yīng)用2）受力情況）受力情況2）受力情況）受力情況3）冷加工）冷加工 冷加工使金屬的電阻率增大。這是由于冷塑性變形使晶體冷加工使金屬的電阻率增大。這是由于冷塑性變形使晶體點(diǎn)陣畸變和晶體缺陷增加，特別是空位濃度的增加，造成點(diǎn)點(diǎn)陣畸變和晶體缺陷增加，特別是空

7、位濃度的增加，造成點(diǎn)陣電場(chǎng)的不均勻而加劇對(duì)電磁波散射的結(jié)果。此外，冷塑性陣電場(chǎng)的不均勻而加劇對(duì)電磁波散射的結(jié)果。此外，冷塑性變形使原子間距有所改變，也會(huì)對(duì)電阻率產(chǎn)生一定影響。變形使原子間距有所改變，也會(huì)對(duì)電阻率產(chǎn)生一定影響。 4）熱處理）熱處理5）合金元素）合金元素5）合金元素）合金元素1）無(wú)序固溶體的電阻固溶體有序化的影響固溶體有序化后固溶體有序化后 ，電阻率降低。，電阻率降低。固溶體有序化后晶固溶體有序化后晶體體離子勢(shì)場(chǎng)在有序化時(shí)更為對(duì)稱(chēng)離子勢(shì)場(chǎng)在有序化時(shí)更為對(duì)稱(chēng)，這就使電子散射，這就使電子散射幾率大大降低。幾率大大降低。Cu3Au 合金合金l一無(wú)序一無(wú)序(淬火態(tài)淬火態(tài))； 2一有序一有序

8、(退火態(tài)退火態(tài)) 對(duì)于某些特定的體系，高溫時(shí)，原子振動(dòng)強(qiáng)烈，足以克服各組元之間的交互作用，而形成無(wú)序固溶體。在緩慢降溫過(guò)程中，可以轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w。5）合金元素）合金元素a淬火態(tài)b退火態(tài)Cu-Au合金的電阻并不是任意濃度的體系都能順利地有序化，因?yàn)橛行蚧Y(jié)構(gòu)有一定成分比例。所以只有特定組分的體系，淬火帶來(lái)的影響才會(huì)特別的明顯。5）合金元素）合金元素利用合金元素與導(dǎo)電性的關(guān)系可以測(cè)定相圖5）合金元素）合金元素電線(xiàn)電纜主要特性電線(xiàn)電纜主要特性 1、電性能導(dǎo)電性能：大多數(shù)產(chǎn)品要求有良好的導(dǎo)電性能，個(gè)別產(chǎn)品要求有一定的電阻范圍。2、力學(xué)性能指抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、彎曲性、彈性、柔軟性、耐振動(dòng)性、耐磨性以及耐沖擊性等。例如：露天礦開(kāi)采