第四章第五講材料科學與工程基礎(chǔ)

ElectricalPropertiesofMaterialsTheelectricalbehaviorsofthevariousmaterialsDescribetherelationshipofelectricalconductivitiesand

fourpossibleelectronbandstructuresforsolidmaterials.HowtocalculatetheelectricalconductivitiesDefinedielectricconstantofadielectricmaterials

intermsofpermittivities.

4-3材料的電學性能4-3材料的電學性能(electricalproperty)直流電場交變電場——介電性質(zhì)弱電場

——導電性質(zhì)強電場

——擊穿現(xiàn)象

材料表面——靜電現(xiàn)象電力機械、交通電子、微電子日常生活信息時代4-3-1電導率(electricalconductivity)和電阻率

1、電阻率：

體積電阻率

V,Ω·m

表面電阻率

S,Ω2、

電導率(electricalconductivity)(1)表征材料導電性的大小。單位：S.m-1,

（Ω.m）-1⑵根據(jù)電導率對材料的分類表4-19材料的分類及其電導率材料電阻率電導率超導體導體半導體絕緣體010-8-10-510-5-107107-1018∞105-10810-7-10510-18-10-7西門子⑶不同材料的電導率舉例①金屬自由電子電導率高導電性好②硅半導體③離子固體室溫絕緣體T高電導率大（無機非金屬）④高分子雜質(zhì)致有導電性各種材料在室溫的電導率金屬和合金σ（Ω-1.m-1）非金屬σ（Ω-1.m-1）銀銅，工業(yè)純金鋁,工業(yè)純Al-1.2%,Mn合金鈉鎢，工業(yè)純黃銅（70%Cu-30%Zn鎳,工業(yè)純純鐵,工業(yè)純鈦,工業(yè)純TiC不銹鋼，301型鎳鉻合金(80%Ni-20%Cr）6.3*1075.85*1074.25*1073.45*1072.96*1072.1*1071.77*1071.66*1071.46*1071.03*1070.24*1070.17*1070.14*1070.093*107石墨SiC鍺，純硅，純苯酚甲醛（電木）窗玻璃氧化鋁（Al2O3）云母甲基丙烯酸甲酯氧化鈹（BeO）聚乙烯聚苯乙烯金剛石石英玻璃聚四氟乙烯105(平均)102.24.3*10-410-7-10-11<10-1010-10-10-1210-11-10-15〈10-1210-12-10-15〈10-14〈10-14〈10-14〈10-16〈10-16如何理解材料的電導現(xiàn)象，必須明確幾個問體：參與遷移的是哪種載流子——有關(guān)載流子類別的問題載流子的數(shù)量有多大——有關(guān)載流子濃度、載流子產(chǎn)生過程的問題載流子遷移速度的大小——有關(guān)載流子輸運過程的問題⑷決定電導率的基本參數(shù)parameters

載流子

chargecarrier——電子、空穴、正離子、負離子載流子數(shù)chargecarrierdensity----n,個/m3

載流子遷移率electronmobility

(物理意義為載流子在單位電場中的遷移速度)

μ=ν/E

m2/(v.s)m/sv/m電流密度（單位時間（1s）通過單位截面積的電荷量）

J＝nqv電導率

σ=J/E=nqv／E=nqμ

⑸影響因素影響離子電導率的因素

溫度晶體結(jié)構(gòu)晶格缺陷影響電子電導率的因素溫度、雜質(zhì)缺陷(A)聲子對遷移率的影響,可寫成μL=aT-3/2

(B)雜質(zhì)離子對遷移率的影響,可寫成

μI=bT3/2

.單質(zhì)金屬中主要的散射機制是電聲子相互作用,電導率的溫度關(guān)系為

σ∝T-1。半導體和絕緣體的電導率隨溫度變化以指數(shù)函數(shù)增大

σ=σ0exp(-Eg/2kT)4-3-2材料的結(jié)構(gòu)與導電性StructuresandConductivity1、材料的電子結(jié)構(gòu)與導電性能帶electronenergyband外層電子能級N個原子N個能級重迭分離（1）導體conductor

堿金屬鋰、鈉、鉀鈉（1S22S22P63S1）

堿土金屬鈹、鎂、鈣鎂（1S22S22P63S2）

3S與3P重迭

貴金屬銅、銀、金銅（1S22S22P63S23P63d104S1）

過渡金屬鐵、鎳、鈷鐵（1S22S22P63S23P63d74S2）重迭影響金屬導電性的因素電阻率溫度:

thermalvibration雜質(zhì):

solidsolution塑性形變:

dislocation散射（2）絕緣體insulator電子局域：離子鍵共價鍵離子固體的電導性離子性晶格缺陷的濃度溫度晶體結(jié)構(gòu)聚合物的電導性添加型結(jié)構(gòu)型1977年，

Heeger

、MacDiarmid和白川英樹、發(fā)現(xiàn)當聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或I2蒸氣氧化后，其電導率可提高幾個數(shù)量級。通過改變催化劑的制備方法和取向，電導率可達105S·cm－1。（Teflon為10－16S·cm－1，Cu為108S·cm－1

）。1974年，白川英樹等人用Ziegler-Natta催化劑制備聚乙炔薄膜銅色（cis-，電導率10－8～10－7S·cm－1）銀色（trans-，電導率10－3～10－2S·cm－1）圖3三維、二維和一維碳化合物材料共軛能帶間隙隨聚合物長度的增加而減小摻雜在聚合物上去掉或增加電子。

氧化摻雜（也稱P型摻雜）用鹵素摻雜

還原摻雜（也稱n型摻雜）用堿金屬進行：載流子在共軛聚合物材料中的躍遷包含：沿單一共軛體系的運動：阻力小或無。在共軛體系之間的躍遷：阻力大。聚乙炔，其摻雜的電導率大幅度提高，摻雜到6.67%時，能隙將消失。

聚乙炔鏈上的共軛缺陷（載流子））陽離子自由基的產(chǎn)生和移動聚乙炔異構(gòu)化產(chǎn)生孤子及移動導電聚合物電導率與溫度的關(guān)系理想情況下，導電聚合物具有金屬導電性，且重量輕、易加工、材料來源廣等特點用作電極、電磁波屏蔽、抗靜電材料等半導體器件和發(fā)光器件方面得應(yīng)用聚合物電池、電致變色顯示器、電化學傳感器、場效應(yīng)管、聚合物發(fā)光二極管（LED）

導電聚合物的應(yīng)用（3）半導體Semiconductors

本征半導體Intrinsicsemiconductors載流子：自由電子，n,負電荷

空穴，holep,正電荷carrier雜質(zhì)半導體extrinsicsemiconductorn型半導體

n-TYPEEXTRINSICSEMICONDUCTION

在Si、Ge等四價元素中摻入少量五價元素P、Sb、Bi、As

在導帶附近形成摻雜的能級

電子型導電

p型半導體

p-TYPEEXTRINSICSEMICONDUCTION

在四價元素Si、Ge等中摻入少量三價元素B、Al、Sc、Y，在價帶附近形成摻雜的能級

空穴型導電

半導體的電導率與溫度的關(guān)系熱激發(fā)2．材料的電子結(jié)構(gòu)與光電導性photo-electrical(1)分子受激過程與能量交換光電流激活能

ΔE＝EJ－EI＝hv兩種構(gòu)型:

單重態(tài)\三重態(tài)受激態(tài)可能的形式

π，π*狀態(tài)

n，π*狀態(tài)，含有N、O或S

CT狀態(tài)——電荷轉(zhuǎn)移受激態(tài)電子給體基團（如一NH2，一0H）及受體基（＞C=0，一N02）之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移

（2）光生載流子機理4-3-4材料的超導電性(superconductivity)1、超導電性——在一定低溫下材料突然失去電阻的現(xiàn)象（小于10-25Ω·cm）1913年,超導現(xiàn)象發(fā)現(xiàn),諾貝爾物理獎1987年,在陶瓷（金屬氧化物）中發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象，超導研究取得重大突破,諾貝爾物理獎

超導電性的金屬和合金

Tc

＜30K

鈦、釩、鋯、鈮、鉬、鉭、鎢、錸、鉍、鋁、錫、鎘等28種。二元合金NbTi，Tc＝8～10K；

NbZr，Tc≈10～11K。三元系合金有鈮-鈦-鋯，Tc=10K；鈮-鈦-鉭，Tc=9～10K。超導化合物

Nb3Sn，Tc=18～18．5K；Nb3Ge，Tc≈23．2K，Nb3（AlGe），Tc≈20．7K等

超導電性的金屬氧化物1960‘s

Ba-Y-Cu-O系，35K,1986,Bednorz,Muller

Ba-Y-Cu-O系,100K,1987,我國趙忠賢等

Hg-Ba-Cu-O系，～140K2、超導體的兩種特性：完全導電性完全抗磁性磁場強度始終為零3、三個性能指標超導轉(zhuǎn)變溫度Tc

愈高愈好臨界磁場Hc

破壞超導態(tài)的最小磁場。隨溫度降低，Hc將增加；當T＜Tc時,Hc=Hc,0[1-（T/Tc)2]

臨界電流密度Jc

保持超導狀態(tài)的最大輸入電流

(與Hc相關(guān)）FIGURE18.22Criticaltemperature,currentdensity,andmagneticfieldboundaryseparatingsuperconductingandnormalconductingstates4-3-5材料的介電性(dielectricproperty)

1．介質(zhì)極化、電容、介電常數(shù)真空電容Co=Qo/V

＝ε0A/l

介質(zhì)中電容C＝Q/V=εA/l

ε。真空電容率(或真空介電常數(shù))，8．85xl0-12F／mΕ介質(zhì)的電容率（或介電常數(shù)）

permittivity材料極化原因：材料極化極化原因電子極化電子云偏離中心

離子極化

取向極化（2）介電常數(shù)

dielectricconstant,

表征電介質(zhì)在電場作用下極化程度的宏觀物理量。電介質(zhì)的相對介電常數(shù)

εr=C/C0=ε/ε0

相對電容量，無量綱常數(shù)

一些材料的εr

數(shù)值：

石英——3.8；絕緣陶瓷——6.0；PE——2.3；PVC——3.8高分子材料的εr

由主鏈結(jié)構(gòu)中的鍵的性能和排列所決定的。表4-3-4某些材料的介電常數(shù)ε（T=25℃ν=106Hx）

塑料和有機物玻璃無機晶態(tài)材料聚四氟乙烯（Tefton）2.1 石英玻璃 3.8 氧化鋇 3.4聚異丁烯 2.23 耐熱玻璃

3．8-3．9 云母 3.6聚乙烯 2.35 派勒克斯玻璃 4.0-6.0 氯化鉀 4.75聚苯乙烯 2.55 堿-石灰-硅石玻璃 6.9 溴化鉀 4．9丁基橡膠 2．56 高鉛板璃 19.0 青石陶瓷 4．5-5.4有機玻璃

2.63 （2MgO·2Al2O33SiO42為基）聚氯乙烯 3.3 金剛石 5.5聚酰胺66 3.33鎂橄欖石 6.22 (Mg2SiO4）聚酯 3．1-4.0 多鋁紅柱石3Al2O36.62SiO2

酚甲醛 4.75 氟化鎳 9.0氯丁橡膠 6.26 氧化鎂 9.65紙 702．介電損耗dielectricloss.

電介質(zhì)在交變電場作用下,電能轉(zhuǎn)變成熱能而損耗漏電導電流\極化電流損耗介電常數(shù)

可用復數(shù)表示：

=

’-i

’’式中

’為與電容電流相關(guān)的介電常數(shù)，實數(shù)部分；

’’與電阻電流相關(guān)的分量，虛數(shù)部分，介電損耗因子。滯后相位角

——損耗角損耗角

的正切：

tg

=

’’/

’

介電損耗影響tg

的因素分子結(jié)構(gòu)極性大tg

大基團數(shù)目多tg

大(2)小分子及雜質(zhì)(3)多相體系(4)交變電場頻率(5)溫度表4-3-5高聚物的介電性能高聚物ρv體積電阻率（

.m）擊穿強度（MV/m）介電常數(shù)（60Hz）介電損耗角正切值（60Hz）聚乙烯（高密度）聚丙烯聚苯乙烯聚氯乙烯尼龍6尼龍66滌綸聚甲醛聚碳酸酯聚四氟乙烯聚砜丁苯橡膠1014

>101410141012-10151012-101510121012-10161012101410161014101326-28

302415-252215-19

18-617-2225-4016-20202.2-2.4(1016Hz)

2.0-2.6(1016Hz)2.5(1016Hz)3.2-3.6(1016Hz)4.14.03.43.73.02.0-2.2