導(dǎo)電功能材料

1、第三章 導(dǎo)電材料一、導(dǎo)電材料的分類 導(dǎo)電材料按導(dǎo)電機(jī)理可分為電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電材料兩大類。 電子導(dǎo)電材料包括導(dǎo)體、超導(dǎo)體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體的電導(dǎo)率105 S/m ，超導(dǎo)體的電導(dǎo)率為無(wú)限大（在溫度小于臨界溫度時(shí)），半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為10-7104 S/m 。當(dāng)材料的電導(dǎo)率小于10-7S/m時(shí)，就認(rèn)為該材料基本上不能導(dǎo)電，而稱為絕緣體。 導(dǎo)體、超導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別不僅是電導(dǎo)率的大小，它們的能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理也有很大的不同。1第三章 導(dǎo)電材料一、導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)如圖1所示，有三種結(jié)構(gòu)：（a）有未充滿的能帶，能帶間相互重疊，無(wú)禁帶；（b）價(jià)電子充滿下面的能帶，上面緊接著另一個(gè)空能帶

2、，無(wú)禁帶；（c）有未充滿的能帶，該能帶與上面的空帶間有禁帶。但是，不論何種結(jié)構(gòu)，導(dǎo)體中均存在電子運(yùn)動(dòng)的通道即導(dǎo)帶。 （a）類的導(dǎo)帶由未滿帶、重帶和空帶構(gòu)成，（b）類的導(dǎo)帶由空帶組成，（c）類的導(dǎo)帶由未滿帶構(gòu)成。電子進(jìn)入導(dǎo)帶運(yùn)動(dòng)均不需要能帶間躍遷。2導(dǎo)體材料二、導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 經(jīng)典理論是自由電子理論，認(rèn)為電子在金屬導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí)不受任何外力作用，相互之間也無(wú)作用，即金屬導(dǎo)體中電子的勢(shì)能是個(gè)常數(shù)。但實(shí)際上，電子勢(shì)能是個(gè)周期函數(shù)，不是常數(shù)，因此，它不是自由電子，這就是能帶理論。3第三章 導(dǎo)電材料三、導(dǎo)體材料的種類導(dǎo)體材料按照化學(xué)成分主要有以下三種：（1）金屬材料。這是主要的導(dǎo)體材料，電導(dǎo)率在10710

3、8S/m之間，常用的有銀、銅和鋁等。（2）合金材料。電導(dǎo)率在105107S/m之間，如黃銅，鎳鉻合金等。（3）無(wú)機(jī)非金屬材料。電導(dǎo)率在105108S/m之間。如石墨在基晶方向?yàn)?.5106S/m。4第三章 導(dǎo)電材料四、導(dǎo)體材料的應(yīng)用 導(dǎo)體材料在電力、電器、電子、信息、航空、航天、兵器、汽車、儀表儀器、核工業(yè)和船舶等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。 金屬導(dǎo)體材料主要用作：電纜材料、電機(jī)材料、導(dǎo)電引線材料、導(dǎo)體布線材料、輻射屏蔽材料、電池材料、開(kāi)關(guān)材料、傳感器材料、信息傳輸材料、釋放靜電材料和接點(diǎn)材料等，還可以作成各種金屬填充材料和金屬?gòu)?fù)合材料。5第三章 導(dǎo)電材料 合金導(dǎo)體材料主要用作電阻材料和熱電偶材料，

4、如鉑-銠熱電偶等。 非金屬導(dǎo)體材料主要用作耐腐蝕導(dǎo)體和導(dǎo)電填料。6六、超導(dǎo)材料及應(yīng)用7超導(dǎo)體 superconductivity 某些物質(zhì)在一定溫度條件下電阻降為零的性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性。 低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。 從電阻不為零的正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度Tc。 超導(dǎo)體的電阻率小于目前所能檢測(cè)的最小電阻率10-26cm，可以認(rèn)為電阻為零。 特性一：完全導(dǎo)電性，超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)，其電阻率實(shí)際上等于零。例如：室溫下將超導(dǎo)體放入磁場(chǎng)中，冷卻到低溫進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，去掉外加磁場(chǎng)后，線圈產(chǎn)生感生電流，由于沒(méi)有電阻，此電流將永不衰減。即超導(dǎo)體的“持久電流”，見(jiàn)圖 特性二：完全抗磁

5、性，不論開(kāi)始時(shí)有無(wú)外磁場(chǎng)，只有TTc，超導(dǎo)體變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，即超導(dǎo)體能把磁力線全部排斥到體外，這種現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。見(jiàn)圖 8特性三：即使在低于臨界溫度以下，若進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)的電流強(qiáng)度以及周圍磁場(chǎng)的強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值時(shí)，超導(dǎo)狀態(tài)被破壞，而成為普通的常導(dǎo)狀態(tài)，電流和磁場(chǎng)的這種臨界值分別稱為臨界電流Ic和臨界磁場(chǎng)Hc臨界。 臨界溫度（Tc）、臨界磁場(chǎng)（Hc）、臨界電流Ic是約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。當(dāng)溫度超過(guò)臨界溫度時(shí)，超導(dǎo)態(tài)就消失；同時(shí)，當(dāng)超過(guò)臨界電流或者臨界磁場(chǎng)時(shí)，超導(dǎo)態(tài)也會(huì)消失，三者具有明顯的相關(guān)性。只有當(dāng)上述三個(gè)條件均滿足超導(dǎo)材料本身的臨界值時(shí)，才能發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象。91

6、、金屬超導(dǎo)體 目前發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)電性的金屬元素有30種，其中過(guò)渡族元素19種，如Ti、V、Zr、Nb、Mo、W等，非過(guò)渡族元素有11種如Pb、Sn、 Al、 Ga等。10 超導(dǎo)金屬中，鉛（Pb）的臨界溫度最高，達(dá)7.196K，（Rh）的臨界溫度最低，為0.000325K。 超導(dǎo)合金很多，臨界溫度有所提高，如NbTi二元合金，其臨界溫度為810K；NbTiZr三元合金，其臨界溫度為10K。112、氧化物超導(dǎo)體氧化物超導(dǎo)材料12 1986年，Bednorz和Muller發(fā)現(xiàn)了具有較寬轉(zhuǎn)變溫度范圍的超導(dǎo)體，屬于LaBaCu系，進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的開(kāi)始溫度為30K，因?yàn)樵擁?xiàng)工作而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。13 1987年

7、2月我國(guó)科學(xué)家趙忠賢等人獲得臨界溫度在93K的YBaCu系超導(dǎo)體，化學(xué)計(jì)量式為YBa2Cu3O7，即所謂的123材料，通常材料都有氧空位，因此寫成YBa2Cu3O7-x。 從結(jié)構(gòu)上看，具有以下特征： （1）鈣鈦礦式的層狀結(jié)構(gòu)； （2）同時(shí)存在Cu2+和Cu3+； （3）存在氧空位。14 有機(jī)超導(dǎo)體主要有摻堿金屬的C60，其中K3C60的Tc為18K，Cs-Rb-C60的Tc為33K。高分子超導(dǎo)體主要是非碳高分子（SN）x。3、有機(jī)高分子超導(dǎo)體15 超導(dǎo)的應(yīng)用，基本上可以分為強(qiáng)電強(qiáng)磁和弱電弱磁兩大類。（1）超導(dǎo)強(qiáng)電強(qiáng)磁應(yīng)用 主要基于超導(dǎo)體的零電阻特性和完全抗磁性以及非理想第二類超導(dǎo)體所特有的高臨

8、界電流密度和高臨界磁場(chǎng)。 主要應(yīng)用在電力方面如超導(dǎo)電纜，超導(dǎo)磁體如超導(dǎo)磁懸浮列車，巨大環(huán)形超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)磁分離等。4、超導(dǎo)材料的應(yīng)用16（2）超導(dǎo)弱電弱磁的應(yīng)用 基于Josephson效應(yīng)為基礎(chǔ)，建立極靈敏的電子測(cè)量裝置為目標(biāo)的超導(dǎo)電子學(xué)，發(fā)展了低溫電子學(xué)。如超導(dǎo)量子干涉器件是一種高靈敏度的測(cè)量裝置，主要功能是測(cè)量磁場(chǎng)。它可以在電工儀表、醫(yī)學(xué)、生物、資源開(kāi)發(fā)、環(huán)境保護(hù)、固體材料、地球物理等領(lǐng)域應(yīng)用。4、超導(dǎo)材料的應(yīng)用17利用Josephson結(jié)的交流伏安特性可以進(jìn)行微波檢測(cè)。可做成視頻檢測(cè)器、混頻器、變頻器以及高頻電磁波發(fā)生器等，這些都是在無(wú)線電技術(shù)上的重要應(yīng)用。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)將是第五代計(jì)算機(jī)的“

9、種子選手” ， Josephson結(jié)具有極高的開(kāi)關(guān)速度和極低的功耗，從而為制造亞納秒級(jí)的電子計(jì)算機(jī)提供了途徑。我國(guó)的超導(dǎo)研究，在世界先進(jìn)行列占有一席之地。4、超導(dǎo)材料的應(yīng)用18六、半導(dǎo)體材料1、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 本征半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖。下面是價(jià)帶，由于純半導(dǎo)體的原子在絕對(duì)零度時(shí)，其價(jià)帶是充滿電子的。因此是一個(gè)滿價(jià)帶。上面是導(dǎo)帶，而導(dǎo)帶是空的。滿價(jià)帶和空導(dǎo)帶之間是禁帶，其禁帶寬度比較窄，一般在1ev左右。19六、半導(dǎo)體材料2、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子受激發(fā)后從滿價(jià)帶躍到空導(dǎo)帶中，躍遷電子可在導(dǎo)帶中自由運(yùn)動(dòng)，傳導(dǎo)電子的負(fù)電荷。同時(shí)，在滿價(jià)帶中留下空穴，空穴帶正電荷，在價(jià)帶中空穴可按電子

10、運(yùn)動(dòng)相反的方向運(yùn)動(dòng)而傳導(dǎo)正電荷。因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電來(lái)源于電子和空穴的運(yùn)動(dòng)，電子和空穴都是半導(dǎo)體中導(dǎo)電的載流子。20六、半導(dǎo)體材料3、半導(dǎo)體的分類按成分分類：可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體又可分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體。化合物半導(dǎo)體又分為合金、化合物、陶瓷和有機(jī)高分子四種半導(dǎo)體。按摻雜原子的價(jià)電子數(shù)分類：可分為施主型（又叫電子型或n型）和受主型（又叫空穴型或p型）。前者摻雜原子的價(jià)電子大于純?cè)氐膬r(jià)電子，后者正好相反。按晶態(tài)分類：可分為結(jié)晶、微晶和非晶半導(dǎo)體。21六、半導(dǎo)體材料4、本征半導(dǎo)體1）導(dǎo)電機(jī)理 半導(dǎo)體中價(jià)帶上的電子借助于熱、電、磁等方式激發(fā)到導(dǎo)帶叫本征激發(fā)。滿足本征激發(fā)的半

11、導(dǎo)體叫本征半導(dǎo)體。2）本征半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和應(yīng)用A、性質(zhì) 本征半導(dǎo)體是高純度，無(wú)缺陷的元素半導(dǎo)體，其雜質(zhì)小于10-9。主要元素是Si、Ge和金剛石B、應(yīng)用 本征半導(dǎo)體應(yīng)用不多，因?yàn)閱挝惑w積內(nèi)載流子數(shù)目比較小，需要在高溫下工作。22六、半導(dǎo)體材料5、雜質(zhì)半導(dǎo)體1）定義 利用將雜質(zhì)元素?fù)饺爰冊(cè)刂校央娮訌碾s質(zhì)能級(jí)（帶）激發(fā)到導(dǎo)帶上或者把電子從價(jià)帶激發(fā)到雜質(zhì)能級(jí)上，從而在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴的激發(fā)叫非本征激發(fā)或雜質(zhì)激發(fā)。這種半導(dǎo)體叫雜質(zhì)半導(dǎo)體。2）種類A、n型半導(dǎo)體（電子型，施主型）A族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入以VA族元素（P、Sb、Bi）后，造成摻雜元素的價(jià)電子多于純?cè)氐膬r(jià)電子，其導(dǎo)電機(jī)理

12、是電子導(dǎo)電占主導(dǎo)，這類半導(dǎo)體是n型半導(dǎo)體。B、p型半導(dǎo)體A族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入以族元素（如B）時(shí)，摻雜元素的價(jià)電子少于純?cè)氐膬r(jià)電子，它們的原子間生成共價(jià)鍵以后，還缺一個(gè)電子，而在價(jià)帶其中產(chǎn)生空穴。以空穴導(dǎo)電為主，摻雜元素是電子受主，這類半導(dǎo)體是p型半導(dǎo)體。23六、半導(dǎo)體材料6、化合物半導(dǎo)體1）分類按成分分：無(wú)機(jī)合金化合物、陶瓷、高分子半導(dǎo)體；按n、p型分：n型和p型半導(dǎo)體按組分分：二元化合物半導(dǎo)體和多元化合物半導(dǎo)體。二元半導(dǎo)體有-V族半導(dǎo)體，其化學(xué)式為ABV，如GaAs、GaP、InP、GaSB、GaN等。-族化合物半導(dǎo)體，如ZnS、CdS、ZnSe、CdSe、HgS等。多元化合物半導(dǎo)體有（Ga1-xAlx）As、 （In1-xAlx）P等三元化合物半導(dǎo)體和GaxIn（1-x）AsyP（1-y）等四元化合物半導(dǎo)體。2）特點(diǎn)化合物半導(dǎo)體最突出的特點(diǎn)是禁帶和遷移率范圍寬，禁帶在（0.210.48）10-19J（0.130.30eV）；遷