材料的電學(xué)性能基礎(chǔ)-西工大

材料的電學(xué)性能基礎(chǔ)查鋼強(qiáng)zha_gq@導(dǎo)電性、超導(dǎo)電性、介電、壓電、鐵電、熱電思考電流的本質(zhì)是電荷的定向移動(dòng)（準(zhǔn)確與否？？）自由電子的運(yùn)動(dòng)速度？電荷定向移動(dòng)的速度？

電（電流）的傳播速度？60000m/s10m/s@1V/cm,1000cm2/Vs3.0×108m/s1、經(jīng)典電子理論

離子構(gòu)成了晶格點(diǎn)陣,價(jià)電子是自由電子,遵循經(jīng)典力學(xué)氣體分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；自由電子定向運(yùn)動(dòng)中，不斷與正離子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生電阻；金屬的導(dǎo)電性取決于自由電子的數(shù)量、平均自由程和平均運(yùn)動(dòng)速度；n－電子密度；e－電子電量；l－平均自由程；v－電子運(yùn)動(dòng)平均速度；m－電子質(zhì)量導(dǎo)電理論的發(fā)展經(jīng)典電子理論－量子電子理論－能帶理論公式推導(dǎo)自由電子平均運(yùn)動(dòng)速度電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度2、量子自由電子理論根本區(qū)別是自由電子的運(yùn)動(dòng)必須服從量子力學(xué)的規(guī)律。運(yùn)動(dòng)著的電子作為物質(zhì)波。從粒子的觀點(diǎn)看，曲線表示自由電子的能量與速度(或動(dòng)量)之間的關(guān)系；從波動(dòng)的觀點(diǎn)看，曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關(guān)系；電子的波數(shù)越大，則能量越高；沒(méi)有加外加電場(chǎng)時(shí)自由電子沿正、反方向運(yùn)動(dòng)著電子數(shù)量相同，沒(méi)有電流產(chǎn)生；2、量子自由電子理論根本區(qū)別是自由電子的運(yùn)動(dòng)必須服從量子力學(xué)的規(guī)律。電子是費(fèi)米子，導(dǎo)電的只是費(fèi)米能級(jí)附近的電子，原子的內(nèi)層電子保持著單個(gè)原子時(shí)的能量狀態(tài)，價(jià)電子按量子化具有不同的能級(jí)電子具有波粒二象性．運(yùn)動(dòng)為著的電子作為物質(zhì)波，有關(guān)系式：一價(jià)金屬中自由電子的動(dòng)能EK為波數(shù)頻率，表征自由電子可能具有的能量狀態(tài)參數(shù)從粒子的觀點(diǎn)看，曲線表示自由電子的能量與速度(或動(dòng)量)之間的關(guān)系；從波動(dòng)的觀點(diǎn)看，曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關(guān)系；電子的波數(shù)越大，則能量越高；沒(méi)有加外加電場(chǎng)時(shí)自由電子沿正、反方向運(yùn)動(dòng)著電子數(shù)量相同，沒(méi)有電流產(chǎn)生；自由電子的E－K曲線在0K以上只有少數(shù)能量接近費(fèi)米能的自由電子才可能躍遷到較高的能級(jí)中去。在室溫下大約只有1%的自由電子才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)躍遷。這就成功地解釋了自由電子對(duì)比熱容的貢獻(xiàn)為何只是經(jīng)典電子理論計(jì)算出來(lái)的百分之一。不是所有的自由電子都能參與導(dǎo)電，在外電場(chǎng)的作用下，只有能量接近費(fèi)密能的少部分電子，方有可能被激發(fā)到空能級(jí)上去而參與導(dǎo)電。這種真正參加導(dǎo)電的自由電子數(shù)被稱(chēng)為有效電子數(shù)。

在外加電場(chǎng)的作用下，使正反向運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)不等，使金屬導(dǎo)電，只有處于較高能態(tài)的自由電子參與導(dǎo)電；缺陷和雜質(zhì)產(chǎn)生的靜態(tài)點(diǎn)陣畸變和熱振動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)點(diǎn)陣畸變，對(duì)電磁波造成散射，形成電阻；nef－單位體積內(nèi)實(shí)際參加傳導(dǎo)的電子數(shù)；e－電子電量；l－平均自由程；v－電子運(yùn)動(dòng)平均速度；m*－電子有效質(zhì)量μ－散射系數(shù)電場(chǎng)對(duì)E－K曲線的影響

3、能帶理論量子自由電子模型與實(shí)際情況有差別，例如：Mg是二價(jià)金屬，導(dǎo)電性比一價(jià)銅差；另外，量子力學(xué)認(rèn)為電子有隧道效應(yīng)，一切價(jià)電子都可以位移，為什么固體的導(dǎo)電性差別巨大？能帶理論解決；價(jià)電子是公有化、能量量子化，和量子自由電子理論一致；

金屬中由離子所造成的勢(shì)場(chǎng)不是均勻的，這個(gè)勢(shì)能不是常數(shù)，是位置的函數(shù)，采用單電子近似求解薛定鍔方程，得出電子在晶體中的能量狀態(tài)，將在能級(jí)的準(zhǔn)連續(xù)譜上出現(xiàn)能隙，分為禁帶和允帶；價(jià)電子在金屬中的運(yùn)動(dòng)要受到周期場(chǎng)的作用;能帶發(fā)生分裂，即有某些能態(tài)是電子不能取值的;圖9-3周期場(chǎng)中電子運(yùn)動(dòng)的對(duì)E－K曲線及能帶電子和空穴空穴的定義空穴的性質(zhì)有效質(zhì)量霍爾效應(yīng)空穴的定義電子從一個(gè)能帶躍遷到上一個(gè)能帶中去，在原能帶中留下一個(gè)空軌道，這個(gè)空軌道稱(chēng)為空穴，空穴是一個(gè)幾乎充滿的能帶中的空軌道，它是在波矢空間的能帶中的概念，不是真實(shí)空間中失去電子后的空位，也不是原子離開(kāi)原位置后留下的空位缺陷，在外加電磁場(chǎng)下，空穴的行為猶如一個(gè)帶電量為+e的粒子。

空穴的性質(zhì)

（1）空穴的波矢是失去的哪個(gè)電子波矢的負(fù)值，既一個(gè)能帶若失去了一個(gè)空軌道，稱(chēng)為空穴，空穴的波矢

空穴是描述失去了電子的能帶的簡(jiǎn)捷方法，一個(gè)充滿的能帶失去了電子就產(chǎn)生了空軌道，空軌道的性質(zhì)是與失去電子的能帶中的集體行為聯(lián)系在一起的（即拿一個(gè)電子，剩下2N-1個(gè)電子），也就是說(shuō)失去了一個(gè)電子的能帶既可以用2N-1個(gè)電子的集體行為來(lái)描寫(xiě)，也可以用一個(gè)空穴來(lái)描寫(xiě)，空穴的行為是與2N-1個(gè)電子的集體行為聯(lián)系在一起的?？昭ㄊ羌傧蟮牧Ｗ樱菧?zhǔn)離子，主要是為了處理問(wèn)題方便而引入的，空穴的性質(zhì)由幾乎充滿的電子的集體行為所決定。

有效質(zhì)量的定義晶體中電子在恒定電場(chǎng)作用下*波包速度的詳細(xì)推導(dǎo)參加黃昆版《固體物理》*電子的有效質(zhì)量由電子的能帶曲線的曲率來(lái)定義：

有效質(zhì)量是波矢k的函數(shù)，通常[空穴和電子的]能帶曲線有中心反演對(duì)稱(chēng)性，這兩條曲線的曲率是大小相等符號(hào)相反的，則可得到

負(fù)有效質(zhì)量的意義：電子在移動(dòng)中，從外電場(chǎng)中獲得的動(dòng)量小于它傳給晶格的動(dòng)量，所以其總動(dòng)量減小?？昭ㄔ诖艌?chǎng)中的運(yùn)動(dòng)在外加電磁場(chǎng)中空穴的運(yùn)動(dòng)方程如一個(gè)帶電荷為+e的粒子的運(yùn)動(dòng)方程：布洛赫波的群速度：霍爾效應(yīng)測(cè)得的是多電子體系在磁場(chǎng)中和周期性勢(shì)場(chǎng)作用下的電子作用

在外加電場(chǎng)的作用下，使正反向運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)不等，從而導(dǎo)電；缺陷和雜質(zhì)產(chǎn)生的靜態(tài)點(diǎn)陣畸變和熱振動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)點(diǎn)陣畸變，對(duì)電子波造成散射，形成電阻；半滿帶導(dǎo)電，滿帶不導(dǎo)電能量傳遞的角度解釋滿帶不導(dǎo)電

能帶結(jié)構(gòu):允帶和禁帶交替，允帶中每個(gè)能級(jí)只能允許有兩個(gè)自旋相反的電子存在；滿帶電子不導(dǎo)電；

空能級(jí)：允帶中未被填滿電子的能級(jí)，空能級(jí)電子是自由的，參與導(dǎo)電，稱(chēng)為導(dǎo)帶；

周期勢(shì)場(chǎng)的變化幅度越大，禁帶越寬導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

能帶填充情況示意圖導(dǎo)體

允帶內(nèi)的能級(jí)未被填滿，允帶之間沒(méi)有禁帶或允帶相互重疊在外電場(chǎng)的作用下電子很容易從一個(gè)能級(jí)轉(zhuǎn)到另一個(gè)能級(jí)上去而產(chǎn)生電流．絕緣體

一個(gè)滿帶上面相鄰的是一個(gè)較寬的禁帶，由于滿帶中的電子沒(méi)有活動(dòng)的余地，即使禁帶上面的能帶完全是空的，在外電場(chǎng)的作用下電子也很難跳過(guò)禁帶，即不能產(chǎn)生電流。半導(dǎo)體

半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相同，不同的是它的禁帶比較窄半導(dǎo)體的能帶在外界作用下，價(jià)帶中的電子就有能量可能躍遷到導(dǎo)帶中去半導(dǎo)體材料能帶特征價(jià)帶、導(dǎo)帶及能帶間隙絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的簡(jiǎn)化能帶圖a）絕緣體b）半導(dǎo)體c）導(dǎo)體半導(dǎo)體的平衡載流子濃度熱平衡狀態(tài)下，導(dǎo)帶中的電子濃度電子費(fèi)米分布函數(shù)溫度T時(shí)，能量為E的量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率空穴費(fèi)米分布函數(shù)溫度T時(shí)，能量為E的量子態(tài)不被一個(gè)電子占據(jù)的幾率，（被空占據(jù)的幾率）電子的玻耳茲曼分布函數(shù)空穴的玻耳茲曼分布函數(shù)若E

-EF》k0T若EF-E》k0T導(dǎo)帶底附近的狀態(tài)密度價(jià)帶頂附近的狀態(tài)密度=NcNc：導(dǎo)帶的有效狀態(tài)密度，可以理解為把導(dǎo)帶中的所有量子態(tài)都集中在導(dǎo)帶底EC，而它的狀帶密度是Nc。熱平衡狀態(tài)下，價(jià)帶中的空穴濃度Nv：價(jià)帶的有效狀態(tài)密度，可以理解為把價(jià)帶中的所有量子態(tài)都集中在價(jià)帶頂EV，而它的狀帶密度是NV。n0和p0隨著溫度T和費(fèi)米能級(jí)EF的不同而變化。電子和空穴的濃度乘積和費(fèi)米能級(jí)無(wú)關(guān)。對(duì)一定的半導(dǎo)體材料，n0p0只取決于溫度T，與所含雜質(zhì)無(wú)關(guān)。思考和理解：什么是費(fèi)米能級(jí)？？本征半導(dǎo)體的載流子濃度

本征半導(dǎo)體中電子空穴成對(duì)出現(xiàn)，電子、空穴濃度相等，它們的濃度稱(chēng)本征載流子濃度ni

ni=n0=p0結(jié)論：ni

與Eg關(guān)系密切，Eg

越大，ni

越小ni

與T關(guān)系密切，T越高，ni

越大半導(dǎo)體電學(xué)性能的三個(gè)基本方程靜電方程：電流密度方程：電流連續(xù)性方程：經(jīng)常也被稱(chēng)為泊松方程，對(duì)于理解空間電荷、內(nèi)建電場(chǎng)、能帶彎曲、勢(shì)壘高度等是個(gè)基本的過(guò)程。尤其對(duì)于高阻半導(dǎo)體或者電介質(zhì)材料的電學(xué)性能或者導(dǎo)電機(jī)理，作用更為明顯主要考慮的漂移電流和擴(kuò)散電流，其中漂移電流部分是大家熟知的簡(jiǎn)化的電導(dǎo)率公式，在應(yīng)用過(guò)程中，有時(shí)需要特別注意擴(kuò)散電流的影響。主要考慮的載流子的產(chǎn)生、復(fù)合和擴(kuò)散

無(wú)機(jī)非金屬材料導(dǎo)電機(jī)理絕緣材料、電介質(zhì)材料的電導(dǎo)機(jī)理離子晶體的導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電高分子材料影響材料導(dǎo)電性的因素金屬材料：溫度、缺陷、組織、結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料溫度：熱敏光照：光敏壓力：壓敏磁場(chǎng)：磁敏氣氛：氣敏導(dǎo)電性的測(cè)量與測(cè)量

1908年Leiden大學(xué)的Kamerlingh－Onnes獲得了液氦，得到1K低溫。1911年發(fā)現(xiàn)在4.2K附件，水銀的電阻突然消失無(wú)法檢測(cè)，這種在一定溫度下材料失去電阻的現(xiàn)象。小于目前能檢測(cè)到的最小電阻率10-29Ω·cm

Tc：臨界轉(zhuǎn)變溫度可廣泛應(yīng)用在NMR、粒子加速器、推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、磁懸浮列車(chē)、核聚變、電能儲(chǔ)存系統(tǒng)、變壓器等§2材料的超導(dǎo)性能2.1

超導(dǎo)的概念Superconductor1911,OnnesfoundtheSupercondutormercury(Hg@4.2K)Resistivityis0.(<10-29Ω·cm)1933,Meissnereffect,B=0.1957,Bardeen,Cooper&Schrieffer(BCS)1972,BCS,Nobelprize1986,Ceramic,1987Nobelprize1987,YBCO2008,Iron-BasedSuperconductor2.2

超導(dǎo)的特點(diǎn)圖9-5超導(dǎo)態(tài)對(duì)磁通的排斥超導(dǎo)體的兩個(gè)基本特征1、完全導(dǎo)電性永久電流NbZr合金超導(dǎo)線制成的螺線管，估計(jì)超導(dǎo)電流衰減時(shí)間大于10萬(wàn)年；超導(dǎo)體室溫放入磁場(chǎng)中，冷卻到低溫進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，移開(kāi)原磁場(chǎng)，感生電流沒(méi)有電阻長(zhǎng)久存在；2、完全抗磁性邁斯納效應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0，屏蔽磁場(chǎng)和排除磁通，磁場(chǎng)穿透深度只有幾十nm。2.3

超導(dǎo)的性能指標(biāo)超導(dǎo)體的三個(gè)性能指標(biāo)1、臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc

越高越好，有利于應(yīng)用；目前金屬間氧化物轉(zhuǎn)變溫度最高的140K左右，金屬間化合物最高的Nb3Ge為23.3K；2、臨界磁場(chǎng)Hc

Tc以下將磁場(chǎng)作用于超導(dǎo)體，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于Hc時(shí)，磁力線穿入超導(dǎo)體，即磁場(chǎng)破壞了超導(dǎo)態(tài)；3、臨界電流密度

材料保持超導(dǎo)態(tài)的最大臨界電流密度

一些金屬低溫超導(dǎo)的臨界溫度和臨界磁場(chǎng)材料臨界溫度Tc(K)臨界磁場(chǎng)Hc(奧斯特)發(fā)現(xiàn)年代鎢(W)0.01299

鋁(Al)1.174293

銦(In)3.416412

汞(Hg)4.158031911鉛(Pb)7.219501913鈮(Nb)9.26

1930釩三硅(V3Si)17.024,5001953鈮三錫(Nb3Sn)18.1

1954鈮鋁鍺(Nb3Al0.75Ge0.35)21.0420,0001967鈮三鍺(Nb3Ge)23.2

19732.4

超導(dǎo)的理論模型1、庫(kù)柏電子對(duì)(BCS)

電子—聲子相互作用所產(chǎn)生電子對(duì)雜質(zhì)原子和缺陷對(duì)電子對(duì)不能進(jìn)行有效的散射并且預(yù)言在金屬和金屬間化合物中的超導(dǎo)體的Tc不超過(guò)30K2、高溫超導(dǎo)體模型

液氮溫度以上，如YBa2Cu3O7目前尚無(wú)統(tǒng)一的模型解釋其超導(dǎo)機(jī)理

1986年，日本田中昭二小組得到了LaBaCuO在30K以上的抗磁轉(zhuǎn)變和23K以上的零電阻轉(zhuǎn)變。由此引發(fā)了世界性的“高溫超導(dǎo)熱”。1987年美國(guó)朱經(jīng)武等用稀土元素Y代替Ba，獲得YBaCuO陶瓷的起始轉(zhuǎn)化溫度為100K，我國(guó)中科院趙忠賢小組也同時(shí)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了YBaCuO的超導(dǎo)性。結(jié)構(gòu)基本特征是兩個(gè)CuO2平面中間有一層Y原子面，上下是BaO原子面，上下底是含Cu－O鏈的平面。Y、Ba占據(jù)A位置，Cu占據(jù)B位置，故也稱(chēng)類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

2.5

高溫超導(dǎo)材料的研究現(xiàn)狀LaOFeAs是一種由絕緣的氧化鑭層（LaO）和金屬導(dǎo)電的砷鐵（FeAs）層交錯(cuò)層疊而成、具有結(jié)晶構(gòu)造的層狀化合物。氟離子的置換量超過(guò)3％后即會(huì)顯現(xiàn)出超導(dǎo)狀態(tài)，在11％左右得到了32K的最高臨界溫度。

2008年3月29日，趙忠賢院士領(lǐng)導(dǎo)的小組發(fā)現(xiàn)摻氟鐠氧鐵砷化合物的超導(dǎo)臨界溫度可達(dá)52K，4月初，該小組又發(fā)現(xiàn)在壓力環(huán)境下合成的無(wú)氟缺氧釤氧鐵砷化合物，其超導(dǎo)臨界溫度可進(jìn)一步提升至55K?！?材料的介電特性3.1

介質(zhì)極化一、極化概念

極化：介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷現(xiàn)象電介質(zhì)(dielectric)：電場(chǎng)下能極化的材料電介質(zhì)分類(lèi)

1）非極性介質(zhì)無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)．正負(fù)電荷中心重合,外電場(chǎng)越強(qiáng)，粒子的電偶極矩qu越大

2）極性介質(zhì)分子存在固有電偶極矩電偶極矩轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向外電場(chǎng)越強(qiáng)，電極化的程度越高電介質(zhì)極化示意圖3)介質(zhì)極化率α

單位電場(chǎng)強(qiáng)度下，介質(zhì)粒子的電偶極矩的大小，表征材料的極化能力(F·m2)，只與材料的性質(zhì)有關(guān)，是微觀極化參數(shù)4)介質(zhì)極化強(qiáng)度P

電介質(zhì)材料在電場(chǎng)作用下的極化程度，單位體積中的感生電偶極矩對(duì)于線性極化

n0－單位體積中的偶極子數(shù)；－偶極子平均電偶極矩位移式極化、松弛極化、轉(zhuǎn)向極化

1.位移極化

1）電子位移極化：電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移電子極化率依賴(lài)于頻率、與溫度無(wú)關(guān)

2）離子位移極化：交變電場(chǎng)作用下離子位移極化率與離子結(jié)構(gòu)有關(guān)、與溫度無(wú)關(guān)二、極化基本形式2.松弛極化

與粒子的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，是不可逆過(guò)程；1）電子松弛極化由弱束縛電子引起的電子能態(tài)發(fā)生變化，伴隨有能量的損耗，電子松弛極化建立的時(shí)間10-2-10-9s；2）離子松弛極化弱聯(lián)系離子產(chǎn)生的，僅作有限距離的遷移；

3.轉(zhuǎn)向極化

主要發(fā)生在極性介質(zhì)中，偶極子在外電場(chǎng)中轉(zhuǎn)向，趨于一致；建立時(shí)間較長(zhǎng)10-2-10-10s，轉(zhuǎn)向極化率比電子極化率高得多；三、介電常數(shù)1介電常數(shù)的概念

平板電容間有電介質(zhì)時(shí)電容增加倍數(shù)（ε），是反映電介質(zhì)極化行為的一個(gè)主要宏觀物理量；2恒定電場(chǎng)介電常數(shù)

1）電位移

方向從自由正電荷指向自由負(fù)電荷，極板間充以電介質(zhì)后，電介質(zhì)的極化作用，電位移加上極化強(qiáng)度P，D為電位移，ε0為真空介電常數(shù)，SI單位制中ε0＝8.85×10-12F/m；P為電極化強(qiáng)度，χ為電介質(zhì)宏觀極化率，E為宏觀平均電場(chǎng)無(wú)介質(zhì)下有電介質(zhì)下2）相對(duì)介電常數(shù)

3交變電場(chǎng)介電常數(shù)復(fù)數(shù)矢量，矢量D和P滯后于矢量E，介電常數(shù)變成復(fù)數(shù)，若D滯后E一個(gè)相位角δ，損耗角，則a^ix=cos(x*lna)+isin(x*lna)

材料εr材料εr石蠟2.0-2.5LiF晶體9.27聚乙烯2.26云母晶體5.4-6.2聚氯乙烯4.45TiO2晶體86-170天然橡膠2.6-2.9TiO2陶瓷80-110酚醛樹(shù)脂5.1-8.6CaTiO3陶瓷130-150石英晶體4.27-4.34BaTiO3晶體1600-4500氧化鋁陶瓷9.5-11.2BaTiO3陶瓷1700NaCl晶體6.12常用材料的相對(duì)介電常數(shù)1)極化類(lèi)型的影響2)溫度的影響3)頻率的影響電子極化發(fā)生在任何頻率；紫外光范圍只有電子位移極化，紅外光范圍，離子(原子)極化；頻率降低，各種極化有；4影響介電常數(shù)的因素介質(zhì)損耗的基本概念

電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下電能轉(zhuǎn)變熱能，單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱損耗能量介質(zhì)損耗越小越好，損耗不但耗能，而且由于溫度上升影響元器件正常工作。

3.2

介質(zhì)損耗一、介質(zhì)損耗概念1電導(dǎo)(或漏導(dǎo))損耗存在漏電流，弱聯(lián)系帶電粒子(或空位)引起

2極化損耗松弛極化：建立時(shí)間較長(zhǎng)10-2~10-3s所造成的介質(zhì)損耗比較大；造成損耗原因：電矩滯后于外加電場(chǎng)引起

低頻率不產(chǎn)生極化損耗高頻率產(chǎn)生極化損耗3電離損耗由氣體電離所引起氣孔中承受的電場(chǎng)強(qiáng)度比固態(tài)絕緣物中所承受平均值要大；應(yīng)盡量減少介質(zhì)中的氣孔4結(jié)構(gòu)損耗

晶體結(jié)構(gòu)、缺陷雜質(zhì)5宏觀結(jié)構(gòu)不均勻的介質(zhì)損耗

工程介質(zhì)材料大多數(shù)是不均勻介質(zhì)二、介質(zhì)損耗分類(lèi)1對(duì)漏導(dǎo)（電導(dǎo)）損耗的影響

溫度的升高，介質(zhì)的電導(dǎo)率增大，所以損耗增大與頻率無(wú)關(guān)2對(duì)極化損耗的影響快極化無(wú)損耗，緩慢極化產(chǎn)生損耗頻率很低時(shí)介質(zhì)損耗為零損耗隨著頻率的增大而增大頻率很高時(shí)僅由起始電導(dǎo)率決定損耗(極化過(guò)程無(wú)法建立)三、介質(zhì)損耗影響因素

3溫度影響

溫度升高，使松弛極化容易發(fā)生溫度很低時(shí)，弛豫時(shí)間很長(zhǎng)，弛豫極化來(lái)不及建立，所以損耗很小。損耗隨著溫度升高而增大當(dāng)溫度升高至某一值時(shí)，弛豫時(shí)間減小到使弛豫極化在外加電壓的半周內(nèi)完全建立，此時(shí)損耗出現(xiàn)一極大值電導(dǎo)損耗往往與弛豫極化損耗同時(shí)存在

1介電強(qiáng)度：承受的最大電場(chǎng)強(qiáng)度2固體介質(zhì)的擊穿是不可逆過(guò)程3氣體及液體介質(zhì)的擊穿是可逆過(guò)程4擊穿電壓與材料本身和外界因素有關(guān)5電介質(zhì)的擊穿形式電擊穿、熱擊穿、化學(xué)擊穿6擊穿形式取決于器件的缺陷和電場(chǎng)的特性和工作條件

一個(gè)器件的擊穿通常有一種是主要、決定的形式

一、絕緣材料的破壞3.3

絕緣材料的抗電強(qiáng)度§4材料的熱電性能§

4.1

材料的熱電效應(yīng)一、塞貝克效應(yīng)

溫度作用改變材料電性能參數(shù)

1821年，德國(guó)物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，兩接觸處的溫度不同時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生電流，稱(chēng)作“塞貝克效應(yīng)（Seebeckeffect），其實(shí)質(zhì)由于不同的金屬材料所具有的自由電子密度不同，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體接觸時(shí)，在接觸面上就會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散。電子的擴(kuò)散速率與兩導(dǎo)體的電子密度和接觸區(qū)的溫度成正比。二、帕爾帖效應(yīng)

1834年，法國(guó)Peltier用銅線－鉍線實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，接觸點(diǎn)處有熱量變化，稱(chēng)為帕爾帖效應(yīng)；1837年，俄國(guó)物理學(xué)家愣次又發(fā)現(xiàn)，電流的方向決定了吸收還是產(chǎn)生熱量，發(fā)熱（制冷）量的多少與電流的大小成正比;

原因：實(shí)質(zhì)是兩種金屬接觸時(shí)存在接觸電勢(shì)，正向通電時(shí)，吸熱，反向放熱。電流是電子的運(yùn)動(dòng)。在不同的導(dǎo)電材料中，電子所處能級(jí)并不相同。若從低能級(jí)運(yùn)動(dòng)至高能級(jí)，就需要將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，速度降低。微觀運(yùn)動(dòng)速度是溫度的表征，表現(xiàn)在宏觀上，就是溫度的下降。反之則是溫度升高。吸收和放出的熱量稱(chēng)為帕爾帖熱QP：PAB為帕爾帖系數(shù)，和金屬性質(zhì)溫度有關(guān)，I－電流，t－通電時(shí)間；實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)，正反通電流，測(cè)得的熱量減掉焦耳熱；

帕耳帖效應(yīng)是Seebeck效應(yīng)的逆過(guò)程。Seebeck效應(yīng)是在兩種導(dǎo)電材料的接合處通過(guò)溫差來(lái)產(chǎn)生電壓，帕耳帖效應(yīng)就是讓施加有電壓的兩種導(dǎo)電材料產(chǎn)生溫差。通過(guò)改變電流的方向，讓設(shè)備產(chǎn)熱或是制冷?，F(xiàn)在選擇半導(dǎo)體材料，一端連接P型半導(dǎo)體，一端連N型。通常P型的帕耳帖系數(shù)為正，N型為負(fù)，這樣就可以保證相對(duì)系數(shù)較大，增大產(chǎn)生的溫差。－飲水機(jī)制冷，CCD制冷(代替液氮)、電子冰箱；制冷優(yōu)點(diǎn)：首先是環(huán)保，無(wú)氟利昂泄露，也沒(méi)有壓縮機(jī)噪音。其次結(jié)構(gòu)可靠，本身沒(méi)有移動(dòng)部件，簡(jiǎn)單電路，制作維護(hù)方便。另外成本低廉。缺點(diǎn)是制冷效應(yīng)效率低、制冷速度慢，并不適合追求大面積或是高速的場(chǎng)合。三、湯姆遜效應(yīng)

1851年，湯姆遜利用他所創(chuàng)立的熱力學(xué)原理將塞貝克效應(yīng)和帕爾帖系數(shù)之間建立了聯(lián)系，從理論上預(yù)言了一種新的溫差電效應(yīng)，即當(dāng)電流在溫度不均勻的導(dǎo)體中流過(guò)時(shí)，導(dǎo)體除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱(chēng)為湯姆遜熱）?；蛘叻催^(guò)來(lái)，當(dāng)一根金屬棒的兩端溫度不同時(shí)，金屬棒兩端會(huì)形成電勢(shì)差。這一現(xiàn)象叫湯姆遜效應(yīng)（Thomsoneffect）；解釋?zhuān)航饘僦袦囟炔痪鶆驎r(shí)，溫度高處的自由電子比溫度低處的自由電子動(dòng)能大。像氣體一樣，當(dāng)溫度不均勻時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱擴(kuò)散，因此自由電子從溫度高端向溫度低端擴(kuò)散，在低溫端堆積起來(lái)，從而在導(dǎo)體內(nèi)形成電場(chǎng)，在金屬棒兩端便引成一個(gè)電勢(shì)差。這種自由電子的擴(kuò)散作用一直進(jìn)行到電場(chǎng)力對(duì)電子的作用與電子的熱擴(kuò)散平衡為止。湯姆遜效應(yīng)是導(dǎo)體兩端有溫差時(shí)產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象，帕爾帖效應(yīng)是帶電導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生溫差（其中的一端產(chǎn)生熱量，另一端吸收熱量）的現(xiàn)象，兩者結(jié)合起來(lái)就構(gòu)成了塞貝克效應(yīng)。

§4.2

熱電效應(yīng)的應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：1、通過(guò)熱電性測(cè)試，分析金屬材料組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，如合金時(shí)效、馬氏體回火；2、利用賽貝克效應(yīng)制作熱電偶測(cè)溫；3、利用帕爾帖效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電致冷；兩支異種材料焊接，要求：它們的熱電勢(shì)與溫度關(guān)系具有良好的線性關(guān)系；具有較大的熱電勢(shì)系數(shù)；具有穩(wěn)定的可重復(fù)性；應(yīng)用之一：熱電偶常用的熱電偶型號(hào)材料使用溫度使用氣氛S鉑銠10-鉑1300氧化、惰性R鉑銠13-鉑1300氧化、惰性B鉑銠30-鉑銠61600氧化、惰性N鎳鉻硅-鎳硅-200~1300℃氧化、惰性K鎳鉻-鎳硅-200~1200℃氧化、惰性E鎳鉻10-銅鎳(55:45)-250~870℃氧化、惰性J鐵-銅鎳-200~750℃真空，氧化，還原和惰性T銅-銅鎳-200~350℃真空/還原/惰性W-ReW/(W-26Re)、(W-3Re)/(W-25Re)、(W-5Re)/(W-26Re)、(W-5Re)/(W-20Re)-1800~2200℃真空/還原/惰性應(yīng)用之二：熱電制冷1、制冷效果公式：2、目前常用的熱電材料，按照溫度分三類(lèi)：1)低溫區(qū)(300-400℃):Bi2Te3、Sb2Te3、HgTe、Bi2Se3、ZnSb；2)中溫區(qū)(400-700℃):PbTe、SbTe、Bi(SiSb2)3)高溫區(qū)(＞700℃):CrSi2、FeSi2、CoSip、n分別是p、n型半導(dǎo)體材料，Tc－熱端溫度，ΔTj－連接處溫差，Z－熱電材料靈敏值，S、κe、ρ分別為賽貝克系數(shù)、熱導(dǎo)率、電阻率電子制冷低溫培養(yǎng)箱4.4熱釋電效應(yīng)一、概念與機(jī)理(Pyroelectricity)定義：由于溫度的改變使材料極化強(qiáng)度改變的現(xiàn)象；一般出現(xiàn)在不對(duì)稱(chēng)的、具有自發(fā)極化的鈣鈦礦晶體上，如BaTiO3；電氣石－成分復(fù)雜的硼硅酸鹽礦物，俗稱(chēng)碧璽，[(Na,Ca)(Mg,Fe)3B3Al6Si6(O,OH,Fe)31]原因：溫度改變導(dǎo)致離子間距、鍵角變化，自發(fā)極化強(qiáng)度P變化，被自發(fā)極化束縛在表面的屏蔽電荷失去平衡，使得晶體呈現(xiàn)出帶電狀態(tài)或者在閉合回路中產(chǎn)生電流；電氣石二、熱釋電性能參數(shù)熱釋電常數(shù)p：自發(fā)極化強(qiáng)度改變量除以溫差：ΔP/ΔT，單位C/cm2·K三、常用熱釋電材料TGS：硫酸三甘肽[(NH2CH2COOH)3H2SO4,在大部分紅外區(qū)域都有良好的吸收特性，在室溫下是目前已知材料中最大的熱電系數(shù)。它適于制作快速寬頻紅外熱電探測(cè)器和視象管，可用于二氧化碳激光(10.6μm)和氫化氰(337μm)的適當(dāng)材料。TGS晶體材料熱釋電常數(shù)p相對(duì)介電常數(shù)居里溫度(℃)TGS4.8×1083549SBN6.5380115PbTiO36.0200470LiTiO32.334618PZT2.0380270LiNbO30.4301200PVF20.2411120部分熱釋電材料的性能熱釋電材料的應(yīng)用－熱釋電探測(cè)器

采用鐵鈦酸鉛汞陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘酞等配合濾光鏡片窗口，其極化隨溫度的變化而變化。對(duì)熱釋電材料的要求是:吸收能量后可以使溫度迅速升高，而溫度變化引起的自發(fā)極化變化大，吸收紅外光的能力極強(qiáng)，介電常數(shù)小并且損耗小。采用TGS晶體制作能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作，靈敏度高，抗干擾性強(qiáng)；適合于人體感應(yīng)，因此常被用來(lái)根據(jù)人體的感應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電燈開(kāi)關(guān)、自動(dòng)洗手龍頭開(kāi)關(guān)、自動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)、防火防盜報(bào)警開(kāi)關(guān)、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)人流量計(jì)等功能。

由PZT材料作為傳感器的敏感元件，在它的上下兩面制作電極，并在表面涂敷一層黑色氧化膜以提高其轉(zhuǎn)化效率。當(dāng)PZT材料有紅外線照射時(shí)，其表面溫度發(fā)生變化，晶體內(nèi)部原子排列也隨之發(fā)生變化，因而引發(fā)極化電荷，產(chǎn)生電壓輸出?？梢詮V泛地用于各種“開(kāi)關(guān)型”控制電路中?！?材料的壓電和鐵電性能§

5.1

壓電性能一、概念和原理1880年居里兄弟α石英單晶上發(fā)現(xiàn)，特定方向加力，在力的垂直方向出現(xiàn)束縛電荷；定義：沒(méi)有電場(chǎng)作用由機(jī)械應(yīng)力作用而使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象正壓電：晶體受力時(shí)一定方向產(chǎn)生束縛電荷，電荷密度大小與所加力大小正比；機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苣鎵弘姡和怆妶?chǎng)作用下，晶體某些方向產(chǎn)生形變(諧振)的現(xiàn)象；電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能piezoelectric

晶體不受外力作用，正、負(fù)電荷的中心重合，因而晶體表面無(wú)荷電．對(duì)晶體施加機(jī)械力時(shí)，晶體會(huì)發(fā)生形變，改變了原子相對(duì)位置，晶體若有對(duì)稱(chēng)中心，只要作用力沒(méi)有破壞其對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，正負(fù)電荷對(duì)稱(chēng)排列不改變，不會(huì)產(chǎn)生凈電偶極矩；若晶體無(wú)對(duì)稱(chēng)中心，加上外力后，正負(fù)電荷中心不再重合，產(chǎn)生凈電偶極矩，因此，壓電體必須是離子晶體或者離子團(tuán)組成的分子晶體；二、壓電材料性能參數(shù)1介電常數(shù)反映材料的介電性質(zhì)(或極化性能),受力下不同2介質(zhì)損耗表征介電發(fā)熱導(dǎo)致的能量損耗3彈性系數(shù)壓電體是一個(gè)彈性體，服從虎克定律4壓電常數(shù)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑螂娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的轉(zhuǎn)換系數(shù)5機(jī)械品質(zhì)因數(shù)表征諧振時(shí)因克服內(nèi)摩擦而消耗的能量Qm6機(jī)電耦合系數(shù)表征機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換能力三、常用壓電材料及應(yīng)用1、無(wú)機(jī)壓電材料分為壓電陶瓷和壓電晶體，壓電陶瓷包括鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等；壓電晶體包括石英晶體、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鈮酸鋰、鉭酸鋰等。壓電陶瓷壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀，但機(jī)械品質(zhì)因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應(yīng)用，但對(duì)高頻、高穩(wěn)定應(yīng)用不理想。石英等壓電單晶壓電性弱，介電常數(shù)很低，存在尺寸局限，但穩(wěn)定性很高，機(jī)械品質(zhì)因子高，多用來(lái)作標(biāo)準(zhǔn)頻率控制的振子、高選擇性的濾波器以及高頻、高溫超聲換能器等。2、有機(jī)壓電材料，又稱(chēng)壓電聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）。這類(lèi)材料材質(zhì)柔韌，低密度，低阻抗和高壓電常數(shù)，現(xiàn)在水聲超聲測(cè)量，壓力傳感，引燃引爆等方面獲得應(yīng)用。不足之處是壓電應(yīng)變常數(shù)（d）偏低，使之作為有源發(fā)射換能器受到很大的限制。

3、復(fù)合壓電材料，這類(lèi)材料是在有機(jī)聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、或粉末狀壓電材料構(gòu)成的。至今已在水聲、電聲、超聲、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。它制成的水聲換能器，不僅具有高的靜水壓響應(yīng)速率，而且耐沖擊，不易受損?！?/p>

5.2

鐵電性能一、概念和特點(diǎn)鈦酸鋇(ferroelectricity)概念：晶體具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化有兩個(gè)或多個(gè)可能的取向，在電場(chǎng)作用下其取向可以隨電場(chǎng)改變,非線性變化；特點(diǎn)：①具有電滯回線②具有結(jié)構(gòu)相變溫度，即居里點(diǎn)Tc③具有臨界特性概念：鐵電體的極化強(qiáng)度P與外加電場(chǎng)E之間呈非線性關(guān)系，極化強(qiáng)度隨外電場(chǎng)反向而反向．電滯回線

外電場(chǎng)增加時(shí)，電疇擴(kuò)大，極化強(qiáng)度增加(OA)；當(dāng)電場(chǎng)增大到所有反向電疇均反轉(zhuǎn)到外場(chǎng)方向時(shí)，晶體成單疇體，晶體的極化達(dá)到飽和(C)，極化強(qiáng)度最大值Pmax,在縱軸上的外推線性截距Ps稱(chēng)為飽和極化強(qiáng)度．當(dāng)電場(chǎng)開(kāi)始減小時(shí)，極化強(qiáng)度將沿CB曲線逐漸下降．E=0，極化強(qiáng)度下降到某一數(shù)值Pr(鐵電體的剩余極化強(qiáng)度)．改變電場(chǎng)方向，沿負(fù)方向增加到Ec時(shí)，P降至零，反向電場(chǎng)再繼續(xù)增加，極化強(qiáng)度反向，Ec稱(chēng)為鐵電體的矯頑場(chǎng)強(qiáng)．隨著反向電場(chǎng)的繼續(xù)增加，極化強(qiáng)度沿負(fù)方向繼續(xù)增加，并達(dá)到負(fù)方向的飽和值(-Ps)，晶體變?yōu)樨?fù)向極化的單疇晶體.

當(dāng)電場(chǎng)由高的負(fù)值變化到高的正值時(shí)，正向電疇又形成生長(zhǎng)，直至整個(gè)晶體再一次變成具有正向極化的單疇晶體，極化強(qiáng)度沿曲線FGH回到C點(diǎn)。電滯回線oABCGHFEPTc：溫度達(dá)到某一溫度以上時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，偶極子從電場(chǎng)的束縛中解放出來(lái)，使自由能G下降．當(dāng)T＞Tc自發(fā)極化為零，非鐵電相或順電相，當(dāng)T＜Tc存在自發(fā)極化，晶體呈現(xiàn)鐵電性，為鐵電相。①居里點(diǎn)晶體存在兩個(gè)或多個(gè)鐵電相時(shí)，順電—鐵電相變溫度②相變溫度或過(guò)渡溫度晶體從一個(gè)鐵電相到另一個(gè)鐵電相的轉(zhuǎn)變溫度③上、下鐵電居里溫度Tc

有的晶體在一溫度區(qū)間內(nèi)為鐵電相，這類(lèi)晶體有上下兩個(gè)鐵電居里溫度Tc，如羅息鹽(KNaC4H4O6·4H2O),在24～－18℃之間為鐵電相，24℃為上鐵電溫度，－18℃下Tc居里溫度定義：晶體在相變點(diǎn)附近所發(fā)生的各種性能反常變化，包括介電性質(zhì)、壓電性、彈性、光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)臨界特性

鐵電晶體在發(fā)生順電－鐵電相變時(shí)，最重要的是材料介電性能的變化．遵循居里－外斯定律：BaTiO3的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系二、鐵電疇1）電疇的基本概念鐵電體內(nèi)部自發(fā)極化方向一致的區(qū)域稱(chēng)為電疇或鐵電疇；相鄰兩電疇之間的過(guò)渡層（即界面）稱(chēng)為疇壁。產(chǎn)生電滯回線原因：鐵電體是由鐵電疇組