第十章 材料的電學(xué)性能-材料性能學(xué)

第十章材料的電學(xué)性能§10-1導(dǎo)電性能一.基本概念導(dǎo)電電阻電阻率電導(dǎo)率能夠攜帶電荷的粒子稱為載流子金屬、半導(dǎo)體和絕緣體中載流子——電子離子化合物中的載流子——離子二.導(dǎo)電機(jī)理1.金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理金屬是由原子點(diǎn)陣組成的，價(jià)電子是完全自由的，可以在整個(gè)金屬中自由運(yùn)動(dòng)，稱為“電子氣”，價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)遵守經(jīng)典力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律——?dú)怏w分子運(yùn)動(dòng)論。價(jià)電子一般情況可沿所有方向運(yùn)動(dòng)，在電場(chǎng)作用下，價(jià)電子將沿電場(chǎng)的反方向運(yùn)動(dòng)，從而在金屬中產(chǎn)生電流。電子與原子的碰撞妨礙電子的繼續(xù)加速，形成電阻。價(jià)電子數(shù)越多，導(dǎo)電性越好，實(shí)際并非如此。按照氣體動(dòng)力學(xué)的關(guān)系，ρ與熱力學(xué)溫度T的平方根成正比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果ρ與T成正比。不能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象。局限性經(jīng)典電子理論量子自由電子理論金屬離子所形成的勢(shì)場(chǎng)各處都是均勻的，價(jià)電子是共有化的，它們不束縛于某個(gè)原子上，可以在整個(gè)金屬內(nèi)自由地運(yùn)動(dòng)，電子之間沒有相互作用。電子運(yùn)動(dòng)服從量子力學(xué)原理，具有不同的能級(jí)。E：電子動(dòng)能K：波數(shù)頻率E0-KKE0-KK自由電子的E-K曲線電場(chǎng)對(duì)E-K曲線的影響在沒有外加電場(chǎng)的情況下，自由電子的能量狀態(tài)對(duì)稱分布，正反方向運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)量相等，沒有電流產(chǎn)生。在電場(chǎng)作用下，自由電子正反方向運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)量不相等，就會(huì)產(chǎn)生電流。電磁波在傳播過程中，受到離子點(diǎn)陣的散射，相互干涉形成電阻。nef：有效自由電子數(shù)t：兩次散射平均時(shí)間假定金屬中離子所產(chǎn)生勢(shì)場(chǎng)是均勻的，與實(shí)際有一定差異。不能很好地解釋諸如鐵磁性、相結(jié)構(gòu)以及結(jié)合力等一些問題。

局限性能帶理論金屬中的價(jià)電子是公有化、能量是量子化的。離子勢(shì)場(chǎng)是不均勻的，周期性變化的。能量能帶能帶禁帶平衡間距原子間距能級(jí)能級(jí)孤立原子的能級(jí)每一區(qū)域中能量連續(xù)，為布里淵區(qū)，一個(gè)布里淵區(qū)的值，分布在一個(gè)連續(xù)的帶內(nèi)，此帶稱為能帶。區(qū)與區(qū)之間能量是不連續(xù)的，這個(gè)區(qū)域稱為禁帶。金屬的導(dǎo)電性能空帶禁帶滿帶導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)帶ρ<10-2Ωmρ>1010Ωmρ=10-2-1010ΩmMg金屬電子能帶3s3pNa金屬電子能帶3s3pAl金屬電子能帶3p3s滿電子能帶半滿帶滿電子能帶空帶存在導(dǎo)帶滿帶和空帶重疊滿電子能帶允帶滿帶和允帶重疊不能用于有機(jī)聚合物材料的電子運(yùn)動(dòng)軌道的描述；不能研究特定物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能間的相互關(guān)系；不能解決雜質(zhì)態(tài)的電子運(yùn)動(dòng)軌道；不能解決非晶態(tài)的電子運(yùn)動(dòng)軌道；

不能處理固態(tài)表面的電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律。能帶理論的局限性2.無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理載流子電子空位離子電子離子空位電子式電導(dǎo)離子式電導(dǎo)離子晶體玻璃離子雜質(zhì)離子離子三.超導(dǎo)電性電阻率超導(dǎo)材料普通金屬材料溫度，K正常態(tài)：材料具有電阻超導(dǎo)態(tài)：材料失去電阻的狀態(tài)超導(dǎo)性：在某一溫度下材料突然失去電阻的性質(zhì)臨界溫度1911：荷蘭Onnes發(fā)現(xiàn)水銀在4.2K附近電阻為零~1960：

鈮鈦、鈮錫、鈮鍺等20多種金屬、合金、化合物也具有超導(dǎo)性它們的超導(dǎo)臨界溫度：太低、難以實(shí)際應(yīng)用1957：J.Bardecen,L.N.CooperandJ.R.Schriefler

提出BSC理論庫(kù)伯電子對(duì)理論：預(yù)言金屬和金屬間化合物的超導(dǎo)臨界溫度不超過30K1960~：在氧化物中尋找高溫超導(dǎo)材料1979：超導(dǎo)體1986：

J.G.BedorzandK.A.Miller發(fā)現(xiàn)Ba-La-Cu多元氧化物超導(dǎo)體，1987：趙忠賢發(fā)現(xiàn)了首次實(shí)現(xiàn)了液氮溫度（77K)以上的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變1987~:（1）超導(dǎo)態(tài)特性a、完全導(dǎo)電性進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體中一旦激發(fā)電流，長(zhǎng)久存在、永不衰減b、完全抗磁性體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零邁斯納效應(yīng)Meissnereffect處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體是完全抗磁體、具有屏蔽磁場(chǎng)、排除磁通的功能。正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)內(nèi)b、臨界磁感應(yīng)強(qiáng)度施加外磁場(chǎng)超導(dǎo)性破壞、超導(dǎo)體從超導(dǎo)態(tài)回到正常態(tài)處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體c、臨界電流密度除外磁場(chǎng)影響超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變外、超導(dǎo)體中的電流也會(huì)影響超導(dǎo)態(tài)的形成超導(dǎo)體中的電流在空間激發(fā)磁場(chǎng)、其磁場(chǎng)達(dá)到時(shí)，超導(dǎo)態(tài)被自身磁場(chǎng)破壞原因：臨界電流密度：超導(dǎo)態(tài)被破壞時(shí)的電流密度（2）超導(dǎo)體的應(yīng)用不僅能制造塊狀超導(dǎo)材料、利用物理或化學(xué)沉積已能制造薄膜超導(dǎo)材料對(duì)超導(dǎo)器件的制造非常重要系金屬化合物液氮中等工業(yè)規(guī)模開發(fā)、具有應(yīng)用前景核磁共振（NMR）成像系統(tǒng)，磁懸浮列車，粒子加速器，核聚變，磁流體，電能儲(chǔ)存系統(tǒng)等高靈敏度、高速電子器件，電能輸送（能耗極低），計(jì)算機(jī)、紅外成像等鈮超導(dǎo)體的應(yīng)用：四.影響材料導(dǎo)電性的因素溫度：T升高，ρ減小。冷塑性變形和應(yīng)力：變形量增加，ρ增大；拉應(yīng)力ρ增大，壓應(yīng)力ρ減小。合金化：固溶體，ρ增大。金屬化合物，導(dǎo)電性差。多相合金，導(dǎo)電性與相組成和形貌有關(guān)。電阻的測(cè)量雙電橋法電位差計(jì)法安培—伏特法直流四端電極法四探針法五.導(dǎo)電性的測(cè)量應(yīng)用：1.研究相變2.測(cè)量溶解度3.力學(xué)性能測(cè)試AfMSAsMf§10-2熱電性能一.熱電效應(yīng)帕爾帖效應(yīng)——接觸電勢(shì)引起熱效應(yīng)

PAB：帕爾帖系數(shù)接觸電勢(shì)：金屬中電子能量不同，接觸時(shí)遷移電子流出為正A，流入為負(fù)B湯姆遜效應(yīng)——除焦耳熱以外的熱效應(yīng)電流方向與熱流方向相同，放熱效應(yīng)反之，吸熱效應(yīng)

A

B

+++---T帕爾帖效應(yīng)示意圖賽貝克效應(yīng)——熱電流效應(yīng)T1IAT2BI兩種材料兩個(gè)溫度熱電流熱端：電流由負(fù)流向正冷端：電流由正流向負(fù)二.影響熱電勢(shì)的因素金屬的本性：電子逸出功和電子密度不同，熱電勢(shì)不同。

（負(fù)）Si、Sb、Fe、Mo、Cd、W、Au、Ag、

Zn、

Rh、Ir、Tl、Cs、Ta、Sn、Pb、Mg、

Al、Hg、Pt、Na、Pd=K、Ni、Co、Bi（正）溫度：E=at+bt2+ct3合金化：熱電勢(shì)隨成分和相組成而變化。含碳量對(duì)鋼的熱電勢(shì)的影響：碳含量越高，熱電勢(shì)越負(fù)淬火態(tài)高于退火態(tài)三.熱電勢(shì)的測(cè)量與應(yīng)用示差熱電勢(shì)測(cè)量裝置應(yīng)用：熱電偶研究相變§10-3半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)禁帶價(jià)帶導(dǎo)帶ECEV本征半導(dǎo)體電場(chǎng)Si導(dǎo)帶電子一個(gè)電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶形成導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴對(duì)導(dǎo)帶電子價(jià)帶空穴半導(dǎo)體導(dǎo)電：電子和空穴的共同貢獻(xiàn)5價(jià)P原子束縛電子N型半導(dǎo)體3價(jià)B原子空位P型半導(dǎo)體主載流子：電子空穴熱敏效應(yīng)壓敏效應(yīng)光敏效應(yīng)磁敏效應(yīng)氣敏效應(yīng)光磁效應(yīng)熱磁效應(yīng)熱電效應(yīng)壓力敏感效應(yīng)電壓敏感效應(yīng)霍爾效應(yīng)磁阻效應(yīng)半導(dǎo)體敏感效應(yīng)§10-4介質(zhì)極化與介電性能一.極化的基本概念電介質(zhì)：在電場(chǎng)作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。通常是指電阻率大于1010·cm的一類在電場(chǎng)中以感應(yīng)而并非傳導(dǎo)的方式呈現(xiàn)其電學(xué)性能的物質(zhì)。+++---++--電介質(zhì)介質(zhì)的極化：介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下感應(yīng)電荷的現(xiàn)象。非極性介質(zhì)粒子：在沒有外電場(chǎng)作用時(shí)，正負(fù)電荷中心是重合的。極性介質(zhì)粒子：在沒有外電場(chǎng)作用時(shí)，正負(fù)電荷中心不重合，具有一定的電偶極矩。在外電場(chǎng)作用下,在電介質(zhì)內(nèi)部感生極化：

極化率α：?jiǎn)挝浑妶?chǎng)強(qiáng)度下，介質(zhì)粒子的電偶極矩的大小。

極化強(qiáng)度P:

電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的極化程度.單位體積內(nèi)的感生偶極矩.線性極化二.極化的基本形式介質(zhì)的極化：電子極化、離子極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化極化的基本形式：第一種：位移極化——彈性的、瞬間完成的、不消耗能量的極化。第二種：松弛極化——與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，其完成需要一定的時(shí)間，且是非彈性的，需要消耗一定的能量。第三種：偶極子轉(zhuǎn)向極化——時(shí)間較長(zhǎng)。1.位移極化電子位移極化原子外圍的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移。無外電場(chǎng)作用+

E電子位移極化±-離子位移極化離子在電場(chǎng)的作用下，偏移平衡位置引起的極化。在交變電場(chǎng)作用下，離子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)設(shè)想為彈簧振子。－++－EX+X-離子位移極化2.松弛極化松弛質(zhì)點(diǎn)：材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子。松弛極化：松弛質(zhì)點(diǎn)由于熱運(yùn)動(dòng)使之分布混亂，電場(chǎng)力使之按電場(chǎng)規(guī)律分布，在一定溫度下發(fā)生極化。松弛極化的特點(diǎn)：比位移極化移動(dòng)較大距離，移動(dòng)時(shí)需克服一定的勢(shì)壘，極化建立時(shí)間長(zhǎng)，需吸收一定的能量，是一種非可逆過程。電子松弛極化晶格的熱振動(dòng)、晶格缺陷、雜質(zhì)、化學(xué)成分的局部改變等因素，使電子能態(tài)發(fā)生變化，出現(xiàn)位于禁帶中的局部能級(jí)，形成弱束縛電子。材料中弱束縛電子在晶格熱振動(dòng)下，吸收一定能量由低級(jí)局部能級(jí)躍遷到較高能級(jí)處于激發(fā)態(tài)；處于激發(fā)態(tài)的電子連續(xù)地由一個(gè)陽離子結(jié)點(diǎn)，移到另一個(gè)陽離子結(jié)點(diǎn)；外加電場(chǎng)使其運(yùn)動(dòng)具有一定的方向性，由此引起極化，使介電材料具有異常高的介電常數(shù)。離子松弛極化在玻璃態(tài)材料、結(jié)構(gòu)松散的離子晶體、晶體的缺陷和雜質(zhì)區(qū)域，離子本身能量較高，易被活化遷移，稱為弱聯(lián)系離子。材料中弱聯(lián)系離子可以從一個(gè)離子位置遷移到另一個(gè)離子位置。外加電場(chǎng)使其運(yùn)動(dòng)具有一定的方向性，由此引起極化。

離子松弛極化是不可逆的，極化率比電子位移極化率大一個(gè)數(shù)量級(jí)，可導(dǎo)致材料大的介電常數(shù)。3.轉(zhuǎn)向極化具有恒定偶極矩的極性分子在外加電場(chǎng)作用下，偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)向，趨于和外加電場(chǎng)方向一致，與極性分子的熱運(yùn)動(dòng)達(dá)到統(tǒng)計(jì)平衡狀態(tài)，整體表現(xiàn)為宏觀偶極矩。轉(zhuǎn)向極化比電子極化率高得多。各種極化形式的比較極化形式電介質(zhì)種類頻率范圍溫度關(guān)系能量消耗電子位移極化一切陶瓷直流——光頻無關(guān)無離子位移極化離子結(jié)構(gòu)直流——紅外溫度升高極化增強(qiáng)很弱離子松弛極化離子不緊密的材料直流——超高頻隨溫度變化有極大值有電子位移松弛極化高價(jià)金屬氧化物直流——超高頻隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機(jī)直流——超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的材料直流——高頻隨溫度升