無(wú)機(jī)材料物理性能6

無(wú)機(jī)材料物理性能2023年2月5日第十講無(wú)機(jī)材料的電導(dǎo)第六章材料的電學(xué)性能主要包括電導(dǎo)：離子電導(dǎo)(非金屬材料)

電子電導(dǎo)（金屬、半導(dǎo)體）超導(dǎo)（金屬、非金屬）介電性：

鐵電性壓電性熱釋電性材料電學(xué)性能應(yīng)用導(dǎo)體材料：各種電纜電阻和電熱材料：取暖器，硅碳棒，硅鉬棒熱電和光電材料：太陽(yáng)能板半導(dǎo)體材料：大規(guī)模集成電路（無(wú)機(jī)電容，硅片等）電介質(zhì)材料：絕緣子，電容中的陶瓷片。無(wú)機(jī)材料的電導(dǎo)本部分的主要內(nèi)容電導(dǎo)的物理現(xiàn)象

離子電導(dǎo)

電子電導(dǎo)

無(wú)機(jī)非金屬材料電導(dǎo)

電導(dǎo)的應(yīng)用無(wú)機(jī)材料的電導(dǎo)本部分的關(guān)鍵：理解并掌握如下公式的含義5.1電導(dǎo)的物理現(xiàn)象歐姆定律示意圖一、電導(dǎo)的宏觀參數(shù)1、歐姆定律2、電流密度對(duì)于形狀規(guī)則的均勻材料，電流是均勻的，電流密度J在各處是一樣的。

定義：?jiǎn)挝幻娣e通過(guò)的電流，或單位時(shí)間通過(guò)單位面積的電荷量。表達(dá)式：

(A?cm-2)3、電場(chǎng)強(qiáng)度

定義：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的電勢(shì)差。表達(dá)式：(V?cm-1)4、電阻率：ρ為電阻率，為反映材料電阻性能的參數(shù)5、電導(dǎo)率：反映材料的電阻性能。E：V/cm

6、歐姆定律的微分形式

電導(dǎo)的宏觀參數(shù)7、體積電阻和體積電阻率電流:電阻:體積電阻Rv與材料性質(zhì)及樣品幾何尺寸的關(guān)系:電導(dǎo)的宏觀參數(shù)h－板狀樣品的厚度(cm)S－板狀樣品的電極面積(cm2)ρv－體積電阻率為描寫(xiě)材料電阻性能的參數(shù)電導(dǎo)的宏觀參數(shù)體積電阻和體積電阻率管狀式樣電導(dǎo)的宏觀參數(shù)體積電阻和體積電阻率圓片式樣體積電阻率的測(cè)量g電導(dǎo)的宏觀參數(shù)片狀試樣電導(dǎo)的宏觀參數(shù)精確測(cè)定結(jié)果:電導(dǎo)的宏觀參數(shù)8、表面電阻和表面電阻率板狀式樣電導(dǎo)的宏觀參數(shù)圓片試樣VIabgr1r2電導(dǎo)的宏觀參數(shù)直流四端電極法

適用于中高電導(dǎo)率的材料，能消除電極非歐姆接觸對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。電導(dǎo)的宏觀參數(shù)在室溫下測(cè)量電導(dǎo)率常采用簡(jiǎn)單的四探針?lè)ǘ?、電?dǎo)的物理特性1、載流子：定義：負(fù)載電荷并可形成電流的自由粒子。如：金屬中：自由電子；無(wú)機(jī)材料中：電子，離子，電子空穴，離子空位；電子電導(dǎo)：載流子為電子，電子空穴；離子電導(dǎo)：載流子為離子，離子空位。2、霍爾效應(yīng)（電子電導(dǎo)特性）現(xiàn)象：沿試樣x軸方向通入電流I（電流密度Jx），Z軸方向加一磁場(chǎng)Hz，那么在y軸方向上將產(chǎn)生一電場(chǎng)Ey，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。所產(chǎn)生電場(chǎng)為：電導(dǎo)的物理特性電導(dǎo)的物理特性霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)RH為霍爾系數(shù)。正負(fù)號(hào)為載流子帶電符號(hào)。ni為載流子濃度。實(shí)質(zhì)：運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受力所致，但此處的運(yùn)動(dòng)電荷只能是電子，因其質(zhì)量小、運(yùn)動(dòng)容易，故此現(xiàn)象只出現(xiàn)于電子電導(dǎo)時(shí)，即可用霍爾效應(yīng)的存在與否檢驗(yàn)材料是否存在電子電導(dǎo)。電導(dǎo)的物理特性應(yīng)用：霍爾效應(yīng)可檢驗(yàn)材料是否存在電子電導(dǎo)；離子電導(dǎo)不呈現(xiàn)霍爾效應(yīng)的質(zhì)量比電子大得多，磁場(chǎng)作用力不足以使它產(chǎn)生橫向位移，因而純離子電導(dǎo)不呈現(xiàn)霍爾效應(yīng)。3、電解效應(yīng)（離子電導(dǎo)特性）離子的遷移伴隨質(zhì)量變化，離子在電極附近發(fā)生電子得失，產(chǎn)生新的物質(zhì)。

電導(dǎo)的物理特性法拉第電解定律：

——電解物質(zhì)的量——通過(guò)的電量

——電化當(dāng)量——法拉第常數(shù)實(shí)質(zhì)：類(lèi)似電解質(zhì)溶液中的電解。如NaCl溶液的電解。應(yīng)用：可檢驗(yàn)陶瓷材料是否存在離子電導(dǎo)。

4、遷移率和電導(dǎo)率的一般表達(dá)式物體的導(dǎo)電現(xiàn)象，其微觀本質(zhì)是載流子在電場(chǎng)作用下的定向遷移。設(shè)單位截面積為，在單位體積內(nèi)載流子數(shù)為，每一載流子的電荷量為，則單位體積內(nèi)參加導(dǎo)電的自由電荷為。如果介質(zhì)處在外電場(chǎng)中，則作用于每一個(gè)載流子的力等于。在這個(gè)力的作用下，每一載流子在方向發(fā)生漂移，其平均速度為。容易看出，單位時(shí)間（1s）通過(guò)單位截面的電荷量為J——電流密度根據(jù)歐姆定律該式為歐姆定律最一般的形式。因?yàn)?、只決定于材料的性質(zhì)，所以電流密度與幾何因子無(wú)關(guān)，這就給討論電導(dǎo)的物理本質(zhì)帶來(lái)了方便。由上式可得到電導(dǎo)率為令（載流子的遷移率）。其物理意義為載流子在單位電場(chǎng)中的遷移速度。

電導(dǎo)率的一般表達(dá)式為上式反映電導(dǎo)率的微觀本質(zhì)，即宏觀電導(dǎo)率與微觀載流子的濃度，每一種載流子的電荷量以及每一種載流子的遷移率的關(guān)系。5.2離子電導(dǎo)本征電導(dǎo)（固有離子電導(dǎo)）：源于晶體點(diǎn)陣的基本離子的運(yùn)動(dòng)。雜質(zhì)電導(dǎo)：由固定較弱的離子（雜質(zhì)）的運(yùn)動(dòng)造成。離子電導(dǎo)注意：電導(dǎo)的基本公式：只有一種載流子時(shí)：有多種載流子時(shí)：

離子電導(dǎo)要研究的主要內(nèi)容：載流子濃度離子遷移率離子電導(dǎo)率影響離子電導(dǎo)率的因素

離子電導(dǎo)一、載流子濃度本征電導(dǎo)：源于晶體點(diǎn)陣的基本離子的運(yùn)動(dòng)。固有電導(dǎo)中，載流子由晶體本身的熱缺陷提供。載流子濃度晶體的熱缺陷主要有兩類(lèi)：弗侖克爾缺陷肖特基缺陷載流子濃度弗侖克爾缺陷：Nf:單位體積內(nèi)填隙離子數(shù)或空位數(shù)；N：為單位體積內(nèi)離子結(jié)點(diǎn)數(shù)；Ef:為同時(shí)生成一個(gè)填隙離子和一個(gè)空位所需要的能量。載流子濃度肖特基空位濃度Ns：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)正離子或負(fù)離子數(shù)；N：為單位體積內(nèi)離子對(duì)的數(shù)目；Es：為離解一個(gè)陰離子和一個(gè)陽(yáng)離子并到達(dá)表面所需要的能量。載流子濃度一般肖特基缺陷形成能比弗侖克爾缺陷形成能低許多高溫下:離子晶體的電導(dǎo)主要由熱缺陷濃度決定低溫下:離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定載流子濃度雜質(zhì)電導(dǎo)：由固定較弱的離子（雜質(zhì)）的運(yùn)動(dòng)造成。雜質(zhì)電導(dǎo)中，載流子濃度取決于雜質(zhì)的數(shù)量和種類(lèi)。二、離子遷移率離子電導(dǎo)的微觀機(jī)構(gòu)為載流子──離子的擴(kuò)散。間隙離子的擴(kuò)散過(guò)程就構(gòu)成了宏觀的離子“遷移”。離子擴(kuò)散機(jī)構(gòu)離子遷移率間隙離子的勢(shì)壘離子遷移率間隙離子的勢(shì)壘變化離子遷移率離子遷移與勢(shì)壘的關(guān)系

ν0－間隙原子在半穩(wěn)定位置上振動(dòng)頻率離子遷移率當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí)定向移動(dòng)次數(shù)為：離子遷移率載流子沿電場(chǎng)方向的遷移速度Vδ－相鄰半穩(wěn)定位置間的距離當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)不太大時(shí)，ΔU<<kT，則離子遷移率又因?yàn)檩d流子遷移速度載流子遷移率離子電導(dǎo)δ－相鄰半穩(wěn)定位置間的距離（cm）γ0

－間隙離子的振動(dòng)頻率(s-1)q－電荷數(shù)(C)k=0.86×10-4(eV/Ｋ)U0

－無(wú)外電場(chǎng)時(shí)的間隙離子的勢(shì)壘（eＶ）

上式各物理量的意義三、離子電導(dǎo)率離子電導(dǎo)率的一般表達(dá)方式如果本征電導(dǎo)主要由肖特基缺陷引起，其本征電導(dǎo)率為：離子電導(dǎo)率本征離子電導(dǎo)率一般表達(dá)式為：若有雜質(zhì)也可依照上式寫(xiě)出：離子電導(dǎo)率只有一種載流電導(dǎo)率可表示為：寫(xiě)成對(duì)數(shù)形式:活化能:離子電導(dǎo)率有兩種載流子時(shí)總電導(dǎo)可表示為:有多種載流子時(shí)總電導(dǎo)可表示為:影響離子電導(dǎo)率的因素離子電導(dǎo)率呈指數(shù)關(guān)系，隨溫度升高，電導(dǎo)率迅速增

大。

低溫下，雜質(zhì)電導(dǎo)占

主要地位(曲線1)；高溫下，固有電導(dǎo)起主要作用。1、溫度雜質(zhì)離子電導(dǎo)與溫度的關(guān)系影響離子電導(dǎo)率的因素離子電導(dǎo)率2、晶體結(jié)構(gòu)活化能大小取決于晶體間各粒子的結(jié)合力。而晶體結(jié)合力受如下因素影響：離子半徑：離子半徑小，結(jié)合力大離子電荷，電價(jià)高，結(jié)合力大堆積程度，結(jié)合愈緊密，可供移動(dòng)的離子數(shù)目就少，且移動(dòng)也要困難些，可導(dǎo)致較低的電導(dǎo)率影響離子電導(dǎo)率的因素離子電導(dǎo)率3、晶格缺陷離子性晶格缺陷的生成及其濃度大小是決定離子電導(dǎo)的關(guān)鍵所在。而影響晶格缺陷生成和濃度的主要有如下因素：熱激勵(lì)生成晶格缺陷(肖特基與弗侖克爾缺陷)不等價(jià)固溶摻雜離子晶體中正負(fù)離子計(jì)量比隨氣氛的變化發(fā)生偏離固體電解質(zhì)簡(jiǎn)介定義具有離子電導(dǎo)的固體物質(zhì)稱為固體電解質(zhì)離子晶體要具有離子電導(dǎo)的