第講金屬電導(dǎo)

5.1概述5.2材料的導(dǎo)電性能5.4半導(dǎo)體物理5.3金屬電導(dǎo)5.5超導(dǎo)物理2個(gè)學(xué)時(shí)4個(gè)學(xué)時(shí)4個(gè)學(xué)時(shí)第5章導(dǎo)電物理

2個(gè)學(xué)時(shí)10個(gè)學(xué)時(shí)5.3

金屬電導(dǎo)5.3.1金屬導(dǎo)電機(jī)制5.3.2金屬導(dǎo)電的外界影響因素5.3.3金屬導(dǎo)電的內(nèi)在影響因素5.3.4固溶體的導(dǎo)電性5.3.5金屬間化合物5.3.4固溶體的導(dǎo)電性5.3.5金屬間化合物的導(dǎo)電性5.3.1金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬鍵與金屬結(jié)構(gòu)

組成晶體時(shí)每個(gè)原子最外層電子為所有原子所共有金屬鍵——自由電子和正離子組成的晶體格子之間的相互作用，無方向性和飽和性，金屬正離子應(yīng)按最緊密方式排列，勢(shì)能最低，結(jié)合最穩(wěn)定正離子（金屬原子）——圍繞著電子云價(jià)電子——電子云立方密堆積——面心立方結(jié)構(gòu)，ABC堆積六方密堆積——面心立方晶格和六角晶格，AB堆積5.3.1金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬鍵與金屬結(jié)構(gòu)

面心立方晶格——Cu、Ag、Au、Al(配位數(shù)12)六角晶格——Be、Mg、Zn、Cd(配位數(shù)12)體心立方——Li、Na、K、Rb、Cs、Mo(配位數(shù)8)次密堆積——體心立方晶格，配位數(shù)為81826年歐姆定律(德國(guó))電路的實(shí)驗(yàn)定律5.3.1金屬導(dǎo)電機(jī)制電阻大小和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)定律電阻提出后，物理學(xué)家一直試圖尋找合理的物理模型和理論對(duì)此進(jìn)行解釋5.3.1金屬導(dǎo)電機(jī)制20世紀(jì)初，荷蘭物理學(xué)家洛侖茲首先用金屬電子論對(duì)電阻的微觀機(jī)制進(jìn)行了經(jīng)典解釋。量子力學(xué)——微觀規(guī)律的根本性認(rèn)識(shí)微觀粒子——具有波粒二象性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述——概率波的波函數(shù)或量子態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律——薛定諤方程索末菲和布洛赫用量子理論對(duì)電阻的微觀機(jī)制進(jìn)行了全面解釋，獲得極大成功。5.3.1金屬導(dǎo)電機(jī)制關(guān)于電阻的經(jīng)典認(rèn)識(shí)及缺陷特魯特—洛倫茲金屬電子論——不考慮電子與電子、電子與離子之間的相互作用——電子氣體服從麥克斯韋—玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律——平衡態(tài)下電子具有確定平均速度和平均自由程自由電子氣體模型5.3.1金屬導(dǎo)電機(jī)制經(jīng)典解釋及局限性電阻率的經(jīng)典表達(dá)式——半定量解釋電阻與溫度的關(guān)系，無法定量解釋電阻與溫度的線性關(guān)系5.3.1金屬導(dǎo)電機(jī)制經(jīng)典解釋及局限性按照經(jīng)典能量均分定理，N個(gè)電子的能量經(jīng)典電子論的困難——大多數(shù)金屬對(duì)熱容量的貢獻(xiàn)經(jīng)典解釋及局限性——按照導(dǎo)電率σ與n成正比，由此可得出二價(jià)金屬的導(dǎo)電性應(yīng)比一價(jià)金屬好，但實(shí)際情況相反。電導(dǎo)率的經(jīng)典表達(dá)式為電子的平均自由程電子無規(guī)運(yùn)動(dòng)的總平均速度兩次碰撞的時(shí)間間隔v單位體積電子數(shù)n5.3.1金屬導(dǎo)電機(jī)制經(jīng)典解釋及局限性成功之處癥結(jié)所在——提出電子在整個(gè)金屬中運(yùn)動(dòng)，等于找到理解金屬態(tài)的鑰匙。成功解釋金屬的導(dǎo)電（熱）性！——晶格離子固定，無熱振動(dòng)?！杂呻娮蛹兞Ｗ有赃\(yùn)動(dòng)，無波動(dòng)性，服從經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。5.3.1金屬導(dǎo)電機(jī)制關(guān)于電阻的量子論認(rèn)識(shí)——量子論模型的建立自由電子的費(fèi)米分布

——自由電子能量的量子化，存在于分立的能級(jí)上。1s1s能帶——T=0K時(shí)金屬中自由電子自低能級(jí)排起，直到全部?jī)r(jià)電子均占據(jù)了相應(yīng)的能級(jí)為止。全部填滿電子的能級(jí)與全空能級(jí)分開的這個(gè)能級(jí)叫費(fèi)米能級(jí)。與該能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能量叫費(fèi)米能，用EF（0）表示。自由電子的費(fèi)米分布

——金屬中的電子，按量子統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理，服從費(fèi)米——狄拉克分布。f為費(fèi)米—狄拉克分布函數(shù)，它表示在熱平衡時(shí)，電子處于能量為E的狀態(tài)的幾率；EF為TK時(shí)費(fèi)米能；k為波耳茲曼常數(shù)。自由電子的費(fèi)米分布

費(fèi)米—狄拉克分布函數(shù)f的性質(zhì)：——T=0K，若E>

EF，f=0；若E<

EF，f=1

實(shí)線所示——T>0K，若E=

EF，f=0.5；若E>

EF，f>0；若E<

EF，f<1虛線所示火自沃由電子屢的費(fèi)療米分惕布費(fèi)米抱面——K空間晃：波矢K（與動(dòng)紋量,速度噴及波賭長(zhǎng)相木聯(lián)系程）在正逝交坐體標(biāo)系篩中三朱個(gè)軸合上的拼投影愛，所話構(gòu)成環(huán)的空熔間?！M(fèi)米慕面：對(duì)于謝自由哪電子感，在T=釘0K時(shí)，游低于銳費(fèi)米東能EF（0?。┑哪芗?jí)敵均被話電子格填滿淺，KF為空治間中滴與EF（0禽）相對(duì)簽應(yīng)的屑值，堆即在K空間弟中低歌于KF的狀狀態(tài)均悼填滿紋電子群，而蓋高于KF的狀楊態(tài)全侮空。粱以KF為半等徑的專球體蝦內(nèi)填鏈滿電倘子，宰這個(gè)取球的仙表面綱就為費(fèi)米陳面?！獞{在周碌期勢(shì)漲場(chǎng)的衡作用銳下，費(fèi)米傷面為各覽種復(fù)交雜的祖幾何建形式瓣自染由電子好的費(fèi)秋米分抵布費(fèi)米泊面是務(wù)一個(gè)誤重要就的概嫩念——就簡(jiǎn)單行對(duì)電夸子能次量分孝布進(jìn)填行圖可象描半述?！蠈?dǎo)電祖、熱逗、熱街容、漆霍爾卻效應(yīng)員均與費(fèi)米制面的概瘋念密梯切相率關(guān)。——翁當(dāng)金亮屬被購加熱已或有危外電凈場(chǎng)作垃用時(shí)勒，能劍量分篇布在蛙費(fèi)米奶面附裙近的激電子驚才有律機(jī)會(huì)王跳到梯費(fèi)米遇面以懸外的眉高層逃空能欺級(jí)上寬去，晚參與到導(dǎo)電訪或熱愈，那袖些離忽費(fèi)米疼面較俊遠(yuǎn)的哥深層梅電子寒被凍獄結(jié)起難來，院不參櫻與任清何活異動(dòng)。5.顛3.園1臣金屬恒導(dǎo)電續(xù)機(jī)制關(guān)于編電阻層的量尼子論爪認(rèn)識(shí)——弦量子臨論模鼓型的聲建立電子哄的共獻(xiàn)有化媽運(yùn)動(dòng)逝和電落子波澆形成——摧晶體啞中離凍子呈別有序訂排列御，電威子感栽受到架周期耀勢(shì)場(chǎng)鐮的作元用。——固周期碰勢(shì)場(chǎng)孔：勢(shì)神壘、掩勢(shì)阱培，勢(shì)快壘上武窄下暫寬。——言由于悉電子恭的波腫動(dòng)性變，相憐鄰勢(shì)跡陷中掉的電碗子都伐有一設(shè)定的恢概率才穿透妹勢(shì)壘作，在湯晶體仆中形遇成電戀子的宗共有短化運(yùn)翻動(dòng)，丈即形梨成電萄子波屈。5.達(dá)3.耗1員金屬掌導(dǎo)電件機(jī)制關(guān)于呀電阻督的量瘋子論扔認(rèn)識(shí)——倚量子青論模甩型的辣建立聲子——晶格蛇振動(dòng)：晶落格離尋子圍奏繞其限平衡隨位置挨做微對(duì)弱的唉熱振騰動(dòng)。——格波：離桃子間顆強(qiáng)的芬作用狡，使晶格害振動(dòng)相互毛關(guān)聯(lián)勤,形涌成了蜜緊密套的集錄體振秘動(dòng)，劑這種興振動(dòng)鮮具有揪波的譽(yù)形式寫?！曌樱阂蚓Ц窀鹫駝?dòng)產(chǎn)生善的格波的能貴量量藍(lán)子稱跨為聲子。運(yùn)使動(dòng)電唉子與埋晶格通間的社相互保作用幫是通擱過交巴換子聲子實(shí)現(xiàn)質(zhì)的。筑如果飛角頻溫率為棍，聲子的能脂量為5.放3.醬1裹金屬劑導(dǎo)電曠機(jī)制關(guān)于謊電阻變的量朽子論無認(rèn)識(shí)——路量子膛論模早型的叫建立疤散霧射——謹(jǐn)由于灰晶格愚離子蔑的熱振炎動(dòng)（或因駝雜質(zhì)鍋和缺景陷）引院起金皂屬晶抱體中欺晶格宏離子你的周方期勢(shì)箭場(chǎng)偏翅離原邀來位現(xiàn)置?！空\這種走附加球的偏轎離周壇期勢(shì)癢場(chǎng)的撤能量拖作為懶微擾霜，使障電子閑波的兩運(yùn)動(dòng)刑狀態(tài)環(huán)不斷稍發(fā)生趁變化助，電淚子態(tài)移的這肅種變超化就抱叫散射?！⑸渎上禂?shù)：由溫銀度造質(zhì)成的晶格斃動(dòng)畸罷變ｕT和由結(jié)雜質(zhì)但和缺熄陷引技起的晶格辦靜畸財(cái)變ｕn5.悟3.店1忠金屬資導(dǎo)電迷機(jī)制關(guān)于釘電阻超的量典子論占認(rèn)識(shí)——尚量子親解釋根據(jù)脂量子注力學(xué)神的觀沖點(diǎn)，故電子篇在晶遲體中坦運(yùn)動(dòng)烘時(shí)可嶺作為工一個(gè)啟波來漸描述忘．當(dāng)曉這種艷波遇踐到離型子時(shí)河被后召者的測(cè)靜電豆影響伴所調(diào)香制，咸畸變轎為頻康率較卡高的渣振動(dòng)民。這棟表明慕電子坑經(jīng)過廉離子襖時(shí)被快加速棒到的傭高能滿態(tài)。怠換言必之，僑電子閑在離疊子附庭近只萌需要誓花費(fèi)惕比較排短的繡時(shí)間遺，所膚以不歡會(huì)受乓到離昨子很店大的同影響為．而移只是鵲把電嚴(yán)子波劫函數(shù)峽有規(guī)恒則地辟調(diào)整四了。5.鳴3.摧1匯金屬略導(dǎo)電虜機(jī)制關(guān)于岔電阻些的量濕子論友認(rèn)識(shí)——衣量子租解釋圖示波長(zhǎng)睛相同叛的電鋸子受憶點(diǎn)陣星離子摧靜電加場(chǎng)的鏈調(diào)制電導(dǎo)竊率5.走3.條1炕金屬溜導(dǎo)電究機(jī)制關(guān)于喬電阻地的量穩(wěn)子論崇認(rèn)識(shí)——稀量子綁解釋根據(jù)值費(fèi)米債分布批，在痰只有斷靠近捏費(fèi)米懇能處倆的電格子受敗外加溝場(chǎng)所給加速盼，即時(shí)參與極導(dǎo)電尤不是鴨全部語價(jià)電配子。為在束費(fèi)米濟(jì)面附隆近實(shí)摟際參暑加導(dǎo)族電電顯子的吵平均塑速度可見貓，電壯導(dǎo)率爺(或基電阻釀率)昆與溫磨度的民關(guān)系谷決定釋于糊的串改變睜。這睬是因速為所項(xiàng)有其水他量林皆與繪溫度泳無關(guān)沖。5.酬3.怕1州金屬胖導(dǎo)電麥機(jī)制關(guān)于患電阻代的量定子論岡認(rèn)識(shí)——估量子鹿解釋電子灘的平貫均自繡由程宴與散隊(duì)射系悲數(shù)的帶關(guān)系當(dāng)T=挪0K時(shí)，ｐ=準(zhǔn)0：理想取金屬史中晶洋格離填子處個(gè)于平乒衡位叢置，舞不發(fā)喊生熱任振動(dòng)意，因茫此無輪格波剛產(chǎn)生榴，不鍬會(huì)遇脆到來潮自聲披子的擱碰撞翁。當(dāng)T>勞0K時(shí)，太晶格愚離子縫產(chǎn)生凍熱振燦動(dòng)，岡電子步的藍(lán)與朱晶格證振動(dòng)哈振幅貌均方x2成正濤比，x2隨溫芒度線五性增只加，鳳故高代溫下金，純科金屬探的電邁阻與叮溫度墾成線變性關(guān)攻系。上面像所討鉤論的少都是絡(luò)不含側(cè)雜質(zhì)掠又無沫缺陷冊(cè)的純給金屬膨理想辮晶體肌。實(shí)吊際上井金屬擠與合悶金中籮不但禿含有徑雜質(zhì)艘和合秩金元棒素，宜而且她還存爛在晶升體缺題陷。后傳導(dǎo)傭電子國(guó)的散喝射發(fā)蹲生在欺電子—聲子主、電腳子—雜質(zhì)精原子芝以及喬與其剝他晶劣體點(diǎn)棗陣靜荷態(tài)缺胃陷碰怨撞的碰時(shí)候爆。在紀(jì)鐵磁宗體和唐反鐵猶磁體引中還吳要發(fā)怨生磁付振子爐的附巾加碰態(tài)撞。馬基歲申定帽則5.塔3.地1塵金屬軋導(dǎo)電眨機(jī)制理想勇金屬歇的電沉阻對(duì)鑰應(yīng)著辟兩種珠散射擁機(jī)制(聲子錄散射厘和電鐵子散亭射)，可留以看講成為恥基本樣電阻絕。這炊個(gè)電勝阻在戴絕對(duì)使零度放時(shí)降欄為零托。第三劣種機(jī)域制(電子欠在雜拌質(zhì)和院缺陷載上的雁散射)在有吩缺陷給的晶斜體中師可以杏觀察襖到，慘是絕量對(duì)零商度下脖金屬判殘余淺電阻驕的實(shí)伸質(zhì)，辛這個(gè)鋸電阻惰表示菊了金忘屬的兵純度洗和完瞎整性戴。馬基證申定熱則5.風(fēng)3.悲1悶金屬姐導(dǎo)電國(guó)機(jī)制馬基再申(Ma廣th梨hi容ss洋en)和沃硬格特(Vo言gt施)早期后根據(jù)被對(duì)金射屬固瞇溶體那中溶罩質(zhì)原壓子的叔濃度匆較小錘，以未致可毫以略濱去它陪們之歪間的府相互羽影響稼，把元固溶炊體的動(dòng)電阻愁看成醉由金亦屬的盒基本寬電阻買和殘盜余電傻阻蘋組成戚。這積實(shí)際失上表旗明，息在一茂級(jí)近拘似下寫不同綁散射隱機(jī)制才對(duì)電灑阻的豈貢獻(xiàn)矩可以傍加法晝求和版。這—導(dǎo)電約規(guī)律武稱為禮馬基脈申定