功能材料學(xué)-周馨我.ppt

1、龍巖學(xué)院,功能材料學(xué),功 能 材 料 學(xué),2012年12月24號(hào),作者：斷刀客,功能材料學(xué),授課學(xué)期：20072008學(xué)年第2學(xué)期 考核方式：閉卷考試 學(xué) 分：3學(xué)分 授課專業(yè)：2005級(jí)無機(jī)非金屬材料專業(yè) 總學(xué)時(shí)數(shù)：48學(xué)時(shí) 理論學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí) 實(shí)踐學(xué)時(shí)：0學(xué)時(shí) 課堂講授：46學(xué)時(shí) 輔導(dǎo)答疑：2學(xué)時(shí),教學(xué)目標(biāo)及基本要求,了解和掌握電功能材料、磁功能材料、光功能材料和特種物理功能材料的組分、結(jié)構(gòu)、性能和發(fā)展動(dòng)向； 拓寬知識(shí)視野，提升知識(shí)層次，培養(yǎng)和提高綜合素質(zhì)和應(yīng)用能力； 為相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)后從事功能材料的生產(chǎn)、科研和教學(xué)工作打下較堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。,教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)分配,緒論 2學(xué)時(shí) 第一章

2、導(dǎo)電材料 4學(xué)時(shí) 第二章 介電材料 2學(xué)時(shí) 第三章 壓電材料 2學(xué)時(shí) 第四章 熱電材料 2學(xué)時(shí) 第五章 光電材料 2學(xué)時(shí) 第六章 磁性材料 4學(xué)時(shí) 第七章 磁信息材料 2學(xué)時(shí) 第八章 透光和導(dǎo)光材料 2學(xué)時(shí),第九章 發(fā)光材料 2學(xué)時(shí) 第十章 激光材料 2學(xué)時(shí) 第十一章 非線性光學(xué)材料 2學(xué)時(shí) 第十二章 光調(diào)制用材料 2學(xué)時(shí) 第十三章 紅外材料 2學(xué)時(shí) 第十四章 光信息材料 2學(xué)時(shí) 第十五章 隱身材料 4學(xué)時(shí) 第十六章 梯度功能材料 4學(xué)時(shí) 第十七章 納米材料 2學(xué)時(shí) 第十八章 機(jī)敏材料和智能材料 2學(xué)時(shí) 輔導(dǎo)答疑 2學(xué)時(shí),教學(xué)重點(diǎn),功能材料的特征和分類； 導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料； 介電

3、材料、鐵電材料； 壓電效應(yīng)及壓電材料的特征值； 溫差電動(dòng)勢(shì)材料、熱電導(dǎo)材料、熱釋電材料； 光電子發(fā)射材料、光電導(dǎo)材料、光電動(dòng)勢(shì)材料； 軟磁材料、硬磁材料、鐵氧體； 磁記錄材料、磁泡材料、矩磁材料； 透光材料、光纖材料；,材料的發(fā)光機(jī)理、光致發(fā)光材料、電致發(fā)光材料、射線致發(fā)光材料、等離子發(fā)光材料。 激光的基本原理、激光材料； 非線性光學(xué)材料的基本原理； 電光材料、磁光材料； 紅外線的基本規(guī)律、紅外輻射材料、透紅外材料； 全息材料、光盤材料； 隱身技術(shù)、微波隱身材料、紅外隱身材料、激光、聲和多功能隱身材料； 梯度功能材料的概念、梯度光折射率材料、熱防護(hù)梯度功能材料； 納米材料的概念、納米顆粒材料；

4、 機(jī)敏材料和智能材料的概念。,教學(xué)難點(diǎn),導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率、能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理； 介電材料的特征值、鐵電體的特性； 壓電效應(yīng)； 溫差電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)、熱電導(dǎo)效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)； 光電子發(fā)射原理、光電導(dǎo)原理、光電動(dòng)勢(shì)原理； 磁性材料和磁信息材料的磁滯回線及特征值；,光纖材料的傳輸原理； 材料的發(fā)光機(jī)理； 激光的基本原理、產(chǎn)生及特點(diǎn)； 非線性光學(xué)材料的基本原理； 電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)； 紅外線的基本規(guī)律； 微波隱身原理、紅外隱身原理、激光隱身原理； 梯度功能材料的概念； 納米材料的概念和特征； 機(jī)敏材料和智能材料的概念。,主要參考書目,馬如璋等編著，功能材料學(xué)概論，冶金工業(yè)出版社，1999年。 田蒔編著，功能

5、材料，北京航空航天大學(xué)出版社，1995年。 殷景華等主編，功能材料概論，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999年。 郭衛(wèi)紅等編著，現(xiàn)代功能材料及其應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社，2002年。 貢長(zhǎng)生等主編，新型功能材料，化學(xué)工業(yè)出版社，2001年。,緒 論,0.1 引言 0.2 功能材料的特征和分類 0.3 功能材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 0.4 功能材料學(xué)科的內(nèi)容和相關(guān)學(xué)科,教學(xué)目標(biāo)及基本要求,掌握功能材料的概念、特征和分類； 了解功能材料的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及功能材料學(xué)科的內(nèi)容和相關(guān)學(xué)科。,教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn),（1）功能材料及其主要特征 （2）功能材料的化學(xué)成分分類和物理性質(zhì)分類,緒 論,功能材料是指具有優(yōu)良的物理、化

6、學(xué)、生物或其相互轉(zhuǎn)化的功能，用于非承載目的的材料。 功能材料學(xué)科是一門新興的綜合學(xué)科。 功能材料學(xué)是功能材料學(xué)科中的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。本教材主要闡述了電、磁、光和特種物理功能材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用和發(fā)展動(dòng)向，未涉及核、熱、聲、分離、摩擦、密封等物理功能材料，以及化學(xué)和生物等功能材料。 本教材共有緒論和18章內(nèi)容，其中15章為電功能材料，67章為磁功能材料，814章為光功能材料，1518章為隱身材料、梯度功能材料、納米材料、機(jī)敏和智能材料等特種物理功能材料。,0.1 引言,材料是現(xiàn)代科技和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料與信息、能源構(gòu)成現(xiàn)代文明的三大支柱。 新材料技術(shù)被視為新技術(shù)革命的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。

7、材料包括人類有用的各種物質(zhì)。具體地說，材料是用來制造各種產(chǎn)品的物質(zhì)，這些物質(zhì)能用來生產(chǎn)和構(gòu)成功能更多、更強(qiáng)大的產(chǎn)品。 材料按其性質(zhì)及用途可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。 結(jié)構(gòu)材料（工程材料）是指要求強(qiáng)度、韌性、塑性等機(jī)械性能的材料，混凝土、木材等建筑材料是典型的結(jié)構(gòu)材料。結(jié)構(gòu)材料被稱為第一代材料。,功能材料的概念是美國(guó)人Morton J A于1965年首先提出來的，是指具有一種或幾種特定功能的材料，如磁性材料等，它具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和生物功能，在物件中起著“功能”的作用。 結(jié)構(gòu)材料實(shí)際上是一種具有力學(xué)功能的材料，因此也是一種功能材料。但由于對(duì)應(yīng)于力學(xué)功能的機(jī)械運(yùn)動(dòng)是一種宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，它與對(duì)

8、應(yīng)于其他功能的微觀物體的運(yùn)動(dòng)有著顯著的區(qū)別。因此，習(xí)慣上不把結(jié)構(gòu)材料包括在功能材料范疇之內(nèi)。 由于宏觀運(yùn)動(dòng)和微觀運(yùn)動(dòng)之間是相互聯(lián)系的，在適當(dāng)條件下還可以互相轉(zhuǎn)化。因此，結(jié)構(gòu)材料和功能材料有共同的科學(xué)基礎(chǔ)，有時(shí)也很難截然劃分。此外，有時(shí)一種材料可同時(shí)具有結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩種屬性，如結(jié)構(gòu)隱身材料。,對(duì)功能材料的研究和應(yīng)用實(shí)際上遠(yuǎn)早于1965年，但在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)發(fā)展緩慢。20世紀(jì)60年代以來，功能材料得到了迅速發(fā)展，其主要原因是： 微電子、激光等各種現(xiàn)代技術(shù)的興起及其對(duì)材料的需求； 固體物理、固體化學(xué)、量子理論、結(jié)構(gòu)化學(xué)、生物物理和生物化學(xué)等學(xué)科的飛速發(fā)展； 各種制備功能材料的新技術(shù)和現(xiàn)代分析測(cè)

9、試技術(shù)在功能材料研究和生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用。 目前結(jié)構(gòu)材料和功能材料的關(guān)系發(fā)生了根本的變化，功能材料已和結(jié)構(gòu)材料處于基本同等的地位。 功能材料迅速發(fā)展是材料發(fā)展第二階段的主要標(biāo)志，因此把功能材料稱為第二代材料。,0.2 功能材料的特征和分類,一、功能材料的主要特征 功能材料是指具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和生物或其相互轉(zhuǎn)化的功能，用于非承載目的的材料。也就是指那些要求以光、電、磁、熱、聲、核輻射等特殊性能為主要功用的材料，如光導(dǎo)纖維、磁盤。 與結(jié)構(gòu)材料相比，功能材料有以下五大主要特征： 功能對(duì)應(yīng)于材料的微觀結(jié)構(gòu)和微觀物體的運(yùn)動(dòng)。 其聚集態(tài)和形態(tài)非常多樣化。 產(chǎn)品形式主要是材料元件一體化。 是利用現(xiàn)代科學(xué)技

10、術(shù)，多學(xué)科交叉的知識(shí)密集型產(chǎn)物。 采用許多新工藝和新技術(shù)進(jìn)行制備與檢測(cè)。,二、功能材料的基本分類 1、按化學(xué)成分（化學(xué)鍵）分類，可分為金屬、無機(jī)非金屬、有機(jī)高分子和復(fù)合功能材料。 2、按物理性質(zhì)分類，可分為物理（如光、電、磁、聲、熱和力學(xué)功能材料等）、化學(xué)、生物、核功能材料和特殊功能材料。 3、按聚集狀態(tài)分類，可分為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、液晶態(tài)和混合態(tài)功能材料。 4、按維度分類，可分為三維、二維、一維和零維功能材料。 5、按材料形態(tài)分類，可分為體積、膜、纖維和顆粒等功能材料。 6、按用途分類，可分為電子、航空、航天、兵工、建筑、醫(yī)藥、包裝等材料。,三、功能材料的化學(xué)成分分類 （一）功能金屬材料 1

11、、電性材料：導(dǎo)電、電阻、電熱、熱電材料 2、磁性材料：金屬軟磁、金屬永磁、磁致伸縮、鐵氧體磁性材料 3、超導(dǎo)材料：常規(guī)、高溫、其他類型的超導(dǎo)材料 4、膨脹材料和彈性材料：膨脹合金、彈性合金 （二）功能無機(jī)非金屬材料 1、功能陶瓷：絕緣、介電和鐵電、壓電和熱釋電、熱敏、壓敏、氣敏、濕敏、導(dǎo)電陶瓷 2、功能玻璃材料：光學(xué)玻璃材料、電介質(zhì)玻璃材料、光電子功能玻璃材料 3、半導(dǎo)體材料：硅、鍺、砷化鎵、鎵砷磷、薄膜半導(dǎo)體材料、非晶半導(dǎo)體和非晶超晶格材料,（三）功能高分子材料 1、光功能高分子材料：感光性高分子材料、光致變色高分子材料、塑料光導(dǎo)纖維 2、電功能高分子材料：導(dǎo)電、光電導(dǎo)、高分子壓電材料、高分

12、子超導(dǎo)體、結(jié)構(gòu)型高分子磁性材料 3、化學(xué)功能高分子材料及其其他功能高分子（高分子液晶、高分子分離膜材料、醫(yī)用高分子） （四）功能復(fù)合材料 1、磁性復(fù)合材料 2、電性復(fù)合材料 3、梯度功能復(fù)合材料 4、隱身復(fù)合材料 5、其他功能復(fù)合材料,（五）功能晶體材料 1、光學(xué)晶體 2、非線性光學(xué)晶體：激光頻率轉(zhuǎn)換晶體、紅外非線性光學(xué)晶體、有機(jī)非線性光學(xué)晶體 3、激光晶體：摻雜型激光晶體、自激活激光晶體、色心激光晶體、半導(dǎo)體激光器 4、電光和光折變晶體 5、其他交互效應(yīng)功能晶體：壓電晶體、聲光晶體、磁光晶體、熱釋電晶體 （六）具有特殊結(jié)構(gòu)的功能材料 1、非晶態(tài)合金；2、納米結(jié)構(gòu)材料；3、儲(chǔ)氫材料；4、薄膜功

13、能材料；5、形狀記憶材料；6、智能材料與結(jié)構(gòu)；7、減振材料；8、生物醫(yī)學(xué)材料,0.3 功能材料的現(xiàn)狀和展望,功能材料迅速發(fā)展，現(xiàn)已開發(fā)的功能材料主要有： （1）單功能材料，如導(dǎo)電材料、光信息材料等。 （2）功能轉(zhuǎn)換材料，如壓電材料、磁光材料等。 （3）多功能材料，如防振降噪材料等。 （4）復(fù)合和綜合功能材料，如隱身材料等。 （5）新形態(tài)和新概念功能材料，如梯度材料等。 功能材料的發(fā)展趨勢(shì)可歸納為如下方面。 （1）功能化、多功能化與智能化 結(jié)構(gòu)材料趨向結(jié)構(gòu)功能化；功能材料趨向功能多樣化；一般功能材料向智能材料發(fā)展。,（2）材料的尺寸、規(guī)格、成品形狀與加工制作 宏觀尺寸向細(xì)觀、介觀、微觀尺寸發(fā)展；

14、常規(guī)材料向輕、薄、細(xì)、短、小、微、超寬、超大、超長(zhǎng)、高純等特種材料發(fā)展；規(guī)則形狀向異型材發(fā)展；材料元件一體化；通過加工和熱處理，控制和改變材料組織和結(jié)構(gòu)，獲得所需的性質(zhì)和功能。 （3）材料的材質(zhì)和復(fù)合 功能材料向“四高一智一集”（即：高性能、高靈敏度、高精度、高可靠性，智能化、功能集成化）的方向發(fā)展；硅材料的進(jìn)一步發(fā)展；單一材質(zhì)的材料向多種材質(zhì)的材料方向發(fā)展；簡(jiǎn)單復(fù)合材料向復(fù)雜體系復(fù)合材料的方向發(fā)展。,（4）材料的結(jié)構(gòu)、組成與功能 納米材料的發(fā)展；稀土功能材料的發(fā)展；超導(dǎo)材料的發(fā)展。 （5）信息、生物、環(huán)境材料將成為新世紀(jì)的研究熱點(diǎn) （6）關(guān)于材料的性能表征、檢測(cè)手段與專題研究 （7）改造傳統(tǒng)

15、材料，著力新材料的規(guī)?；?、工程化與產(chǎn)業(yè)化 傳統(tǒng)材料向“兩高一低”發(fā)展，即高性能、高品質(zhì)和低成本；能源材料與能源產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。,0.4 功能材料學(xué)科的內(nèi)容和相關(guān)學(xué)科,功能材料學(xué)科的內(nèi)容包括以下三個(gè)方面： （1）功能材料學(xué)是研究功能材料的成分、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用及其間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，研究功能材料的設(shè)計(jì)和發(fā)展途徑。 （2）功能材料工程學(xué)是研究功能材料的合成、制備、提純、改性、儲(chǔ)存和使用的技術(shù)和工藝。 （3）功能材料的表征和測(cè)試技術(shù)是研究一般通用的理化測(cè)試技術(shù)在功能材料上的應(yīng)用和各類功能材料特征功能的測(cè)試技術(shù)和表征。,本章小結(jié),1、功能材料及其主要特征？ 功能材料是指具有優(yōu)良的物理、化學(xué)、生物或其

16、相互轉(zhuǎn)化的功能，用于非承載目的的材料。 其主要特征：功能對(duì)應(yīng)于材料的微觀結(jié)構(gòu)和微觀物體的運(yùn)動(dòng)；其聚集態(tài)和形態(tài)非常多樣化；產(chǎn)品形式主要是材料元件一體化；是利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，多學(xué)科交叉的知識(shí)密集型產(chǎn)物；采用許多新工藝和新技術(shù)進(jìn)行制備與檢測(cè)。,2、功能材料的化學(xué)成分分類和物理性質(zhì)分類？ 按化學(xué)成分（化學(xué)鍵）分類，功能材料可分為金屬、無機(jī)非金屬、有機(jī)高分子和復(fù)合功能材料。 按物理性質(zhì)分類，功能材料可分為物理（如光、電、磁、聲、熱和力學(xué)功能材料等）、化學(xué)、生物、核功能材料和特殊功能材料。,第一章 導(dǎo)電材料,1.1 導(dǎo)體材料 1.2 超導(dǎo)材料 1.3 半導(dǎo)體材料 1.4 高分子導(dǎo)電材料 1.5 離子導(dǎo)電材

17、料,教學(xué)目標(biāo)及基本要求,掌握導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理，超導(dǎo)材料的特征值和超導(dǎo)機(jī)理，半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理，離子導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理和特征值。 了解高分子導(dǎo)電材料，導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料、離子導(dǎo)電材料的種類、應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)。,教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn),（1）導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理 （2） Meissner效應(yīng)、超導(dǎo)材料的特征值和超導(dǎo)機(jī)理 （3）半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理 （4）離子導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理和特征值,第一章 導(dǎo)電材料,導(dǎo)電材料按導(dǎo)電機(jī)理可分為電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電材料兩大類。 電子導(dǎo)電材料的導(dǎo)電起源于電子的運(yùn)動(dòng)。電子導(dǎo)電材料包括導(dǎo)體、超導(dǎo)體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體的電導(dǎo)率

18、105S/m；超導(dǎo)體的電導(dǎo)率為無限大；半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為10-7104S/m；絕緣體的電導(dǎo)率10-7S/m時(shí)。導(dǎo)體、超導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別在于電導(dǎo)率、能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理三方面。 電導(dǎo)率 =J/E 電阻率 =E/J 傳統(tǒng)的高分子材料的電導(dǎo)率10-20S/m。 離子導(dǎo)電材料的導(dǎo)電則主要是起源于離子的運(yùn)動(dòng)。其電導(dǎo)率最高不超過102S/m，大多100S/m。,1.1 導(dǎo)體材料,一、導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)如圖11所示，有三種結(jié)構(gòu)： （a）類，未滿帶+重帶+空帶；（b）類，滿帶+空帶；（c）類，未滿帶+禁帶+空帶。,圖11 導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),滿帶：全部被電子占滿的能級(jí)。 空帶：未被電子占住，全部

19、空著的能級(jí)。 未滿帶：部分被電子占住的能級(jí)。 重帶：空帶與未滿帶重疊的能級(jí)。 禁帶：在準(zhǔn)連續(xù)的能譜上出現(xiàn)能隙Eg。 價(jià)帶：原子基態(tài)價(jià)電子能級(jí)分裂而成的能帶。 導(dǎo)帶：相應(yīng)于價(jià)帶以上的能帶（即第一激發(fā)態(tài)）。 不論何種結(jié)構(gòu)，導(dǎo)體中均存在電子運(yùn)動(dòng)的通道即導(dǎo)帶。即（a）類的導(dǎo)帶由未滿帶、重帶和空帶構(gòu)成；（b）類的導(dǎo)帶由空帶構(gòu)成；（c）類的導(dǎo)帶由未滿帶構(gòu)成。電子進(jìn)入導(dǎo)帶運(yùn)動(dòng)均不需能帶間躍遷。,二、導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理的經(jīng)典理論是自由電子理論，認(rèn)為電子在金屬導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí)不受任何外力作用，也無互相作用，即金屬導(dǎo)體中電子的勢(shì)能是個(gè)常數(shù)。因此，可用經(jīng)典力學(xué)來導(dǎo)出電導(dǎo)率公式。 實(shí)際上，不論是金屬，還是非金屬

20、導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)是在以導(dǎo)體空間點(diǎn)陣為周期的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，電子的勢(shì)能是個(gè)周期函數(shù)，而不是常數(shù)，因此，它不是自由電子，這就是能帶理論。 但導(dǎo)體的周期勢(shì)場(chǎng)和變化都比電子平均動(dòng)能小得多，按量子力學(xué)，可當(dāng)微擾來處理，這種理論稱準(zhǔn)自由電子理論，認(rèn)為導(dǎo)體中的電子可看作準(zhǔn)自由電子，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可視為和自由電子相似。,晶體中并非所有電子，也并非所有的價(jià)電子都參與導(dǎo)電，只有導(dǎo)帶中的電子或價(jià)帶頂部的空穴才能參與導(dǎo)電（圖12）。,根據(jù)能帶理論，金屬中自由電子是量子化的，構(gòu)成準(zhǔn)連續(xù)能譜，金屬中大量自由電子的分布服從費(fèi)密狄拉克統(tǒng)計(jì)規(guī)律。,禁帶越寬，電子由價(jià)帶到導(dǎo)帶需要外界供給的能量越大，才能使電子激發(fā)，實(shí)現(xiàn)電子由價(jià)帶到導(dǎo)電的

21、躍遷。因而，通常導(dǎo)帶中導(dǎo)電電子濃度很小。 導(dǎo)體的Eg0eV，半導(dǎo)體：0Eg2eV，絕緣體Eg2eV。,圖12 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),三、導(dǎo)體材料的種類 導(dǎo)體材料按化學(xué)成分主要有以下三種： （1）金屬材料。這是主要的導(dǎo)體材料，電導(dǎo)率在107108S/m之間，常用的有銀、銅和鋁。 （2）合金材料。電導(dǎo)率在105107S/m之間，如黃銅、鎳鉻合金。 （3）無機(jī)非金屬材料。電導(dǎo)率在105108S/m之間，如石墨，C3K、C16AsF5、C24S6F5。 四、導(dǎo)體材料的應(yīng)用 導(dǎo)體材料在電力、電器、電子、信息、航空、航天、兵器、汽車、儀器儀表、核工業(yè)和船舶等行業(yè)有著廣泛的用途。,1.2 超導(dǎo)材料,一、超導(dǎo)現(xiàn)象

22、 1911年Onnes H K在研究極低溫度下金屬導(dǎo)電性時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.20K時(shí)，汞的電阻率突然降到接近于零。這種現(xiàn)象稱為汞的超導(dǎo)現(xiàn)象。其后又發(fā)現(xiàn)許多元素、合金和化合物都具有超導(dǎo)性。從此，超導(dǎo)材料的研究引起了廣泛的關(guān)注，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)上千種超導(dǎo)材料。 二、超導(dǎo)體的幾個(gè)特征值 超導(dǎo)體的幾個(gè)特征值為臨界溫度Tc，臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc，臨界電流密度Jc。,（一）臨界溫度Tc 由圖13可見，T有特征值Tc。當(dāng)TTc時(shí)，導(dǎo)體的0，即失去超導(dǎo)性。圖中汞的Tc=4.20K。,圖13 與溫度關(guān)系示意圖,某些金屬、金屬化合物及合金，當(dāng)溫度低到一定程度時(shí)，電阻突然消失，把這種處于零電阻的狀態(tài)叫做超導(dǎo)態(tài)。有超導(dǎo)態(tài)存在的

23、導(dǎo)體叫超導(dǎo)體。 超導(dǎo)體從正常態(tài)過渡到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變叫做正常超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度Tc稱為這種超導(dǎo)體的臨界溫度。顯然Tc高，有利于超導(dǎo)體的應(yīng)用。 （二）臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc 除溫度外，足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)也能破壞超導(dǎo)態(tài)。使超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變成正常態(tài)的最小磁場(chǎng)Hc(T)叫做此溫度下該超導(dǎo)體的臨界磁場(chǎng)。絕對(duì)零度下的臨界磁場(chǎng)記作Hc(0) 。經(jīng)驗(yàn)證明Hc(T)與T具有如下關(guān)系：,超導(dǎo)體的HT關(guān)系如圖14所示。如果施加磁場(chǎng)給正處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體后，可使其電阻恢復(fù)正常，即磁場(chǎng)可以破壞超導(dǎo)態(tài)。也就是說，磁場(chǎng)的存在可以使臨界溫度降低，磁場(chǎng)越大，臨界溫度也越低。對(duì)于所有的金屬， HcT曲線幾乎有相同的形狀。,圖14 H與溫度關(guān)系示意

24、圖,（三）臨界電流密度Jc 實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)超導(dǎo)電流超過某臨界值Jc時(shí)，也可使金屬從超導(dǎo)態(tài)恢復(fù)到正常態(tài)。Jc稱為臨界電流密度，臨界電流密度Jc本質(zhì)上是超導(dǎo)體在產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)時(shí)臨界磁場(chǎng)的電流。 若TTc并有外加磁場(chǎng)HHc時(shí)，Jc=f(T,H)即臨界電流密度是溫度和磁場(chǎng)的函數(shù)，如圖15所示。Jc實(shí)質(zhì)是無阻負(fù)載的最大電流密度。,圖15 J與溫度關(guān)系示意圖,（四）Meissner（邁斯納）效應(yīng) 邁斯納和奧克森菲爾德由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，從正常態(tài)（圖16a）到超導(dǎo)態(tài)（圖16b）后，原來穿過樣品的磁通量完全被排除到樣品外，同時(shí)樣品外的磁通密度增加。不論是在沒有外加磁場(chǎng)或有外加磁場(chǎng)下使樣品變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)，只要TTc，在超導(dǎo)體內(nèi)部總

25、有B=0。,圖16 超導(dǎo)體對(duì)磁通排斥,當(dāng)施加一外磁場(chǎng)時(shí)，在樣品內(nèi)不出現(xiàn)凈磁通量密度的特性稱為完全抗磁性。這種完全的抗磁性即Meissner效應(yīng)。 處于超導(dǎo)態(tài)的材料，不管其經(jīng)歷如何，磁感應(yīng)強(qiáng)度始終為零。超導(dǎo)體是一種抗磁體。因此具有屏蔽磁場(chǎng)和排除磁通的功能。 這與完全導(dǎo)體的性質(zhì)迥然不同。完全導(dǎo)體（或無阻導(dǎo)體）中不能存在電場(chǎng)即E=0，于是有,這就是說，在完全導(dǎo)體中不可能有隨時(shí)間變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即在完全導(dǎo)體內(nèi)部保持著當(dāng)它失去電阻時(shí)樣品內(nèi)部的磁場(chǎng)。,三、超導(dǎo)機(jī)理 1934年Gorter和Casimir提出的二流體模型。 金屬處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，導(dǎo)電電子分為兩部分：一部分為正常傳導(dǎo)電子nN，它占總數(shù)的1-wB

26、=nN/n；另一部分為超導(dǎo)電子nS，它占總數(shù)的wB=nS/n，n=nS+nN。這兩部分電子占據(jù)同一體積，在空間上互相滲透，彼此獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)，兩種電子的相對(duì)數(shù)目wB與(1-wB)都是溫度的函數(shù)。 正常電子受到晶格散射做雜亂運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)熵有貢獻(xiàn)。 超導(dǎo)電子處在一種凝聚狀態(tài)，即nS凝聚到某一個(gè)低能態(tài)，這是因?yàn)槌瑢?dǎo)態(tài)自由能比正常態(tài)低，設(shè)這種狀態(tài)的電子不受晶格散射，又因超導(dǎo)態(tài)是取低能量狀態(tài)，所以對(duì)熵沒有貢獻(xiàn)，即它們的熵等于零。,由于超導(dǎo)相變是二級(jí)相變，所以超導(dǎo)態(tài)是某個(gè)有序化的狀態(tài)。 當(dāng)溫度低于Tc時(shí)，電阻突然消失是由于出現(xiàn)超導(dǎo)電子，它的運(yùn)動(dòng)是不受阻的，金屬中如果有電流則完全是超導(dǎo)電子造成的。出現(xiàn)超導(dǎo)電子后

27、，金屬內(nèi)就不能存在電場(chǎng)，正常電子不載電荷電流，所以沒有電阻效應(yīng)。 當(dāng)T=Tc時(shí)，電子開始凝聚，出現(xiàn)有序化，而W則是有序化的一個(gè)量度，稱為有序度。溫度越低，凝聚的超導(dǎo)電子越多，有序化越強(qiáng)，到T=0時(shí)，全部電子凝聚，則有序度為1。 盡管二流體模型比較簡(jiǎn)單，但能夠解釋許多超導(dǎo)現(xiàn)象。因此，是一種比較成功的唯象物理模型。由于其局限性，并不能從本質(zhì)上解決問題。,而揭示出超導(dǎo)電性的微觀本質(zhì)的理論是由巴丁、庫柏和施里弗三人建立的BCS理論。 BCS理論認(rèn)為，在絕對(duì)零度下，對(duì)于超導(dǎo)態(tài)、低能量的電子仍與在正常態(tài)中的一樣。但在費(fèi)米面附近的電子，則在吸引力的作用下，按相反的動(dòng)量和自旋全部?jī)蓛山Y(jié)合成庫柏對(duì)，這些庫柏對(duì)可

28、以理解為凝聚的超導(dǎo)電子。它是兩個(gè)電子之間有凈的相互吸引作用形成的電子對(duì)，形成了束縛態(tài)，兩個(gè)電子的總能量將降低。在有限溫度下，一方面出現(xiàn)不成對(duì)的單個(gè)熱激發(fā)電子，另一方面，每個(gè)庫柏對(duì)的吸引力也減弱，結(jié)合程度較差。這些不成對(duì)的熱激發(fā)電子，相當(dāng)于正常電子。溫度愈高，結(jié)成對(duì)的電子數(shù)量愈少，結(jié)合程度愈差。達(dá)到臨界溫度時(shí)，庫柏對(duì)全部拆散成正常電子，此時(shí)超導(dǎo)態(tài)即轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。,四、超導(dǎo)材料的種類 已知元素、合金、化合物等超導(dǎo)體共有千余種，按其成分和Meissner效應(yīng)可將超導(dǎo)材料分類如下： （一）按成分分類 1、元素超導(dǎo)體 已知有24種元素具有超導(dǎo)性。除堿金屬、堿土金屬、鐵磁金屬、貴金屬外，其它金屬元素都具有

29、超導(dǎo)性。其中鈮的Tc=9.26K，為最高的臨界溫度。 2、合金和化合物超導(dǎo)體 合金和化合物超導(dǎo)體包括二元、三元和多元的合金及化合物。TlRBaCuO的Tc達(dá)125K。 3、有機(jī)高分子超導(dǎo)體 有機(jī)高分子超導(dǎo)體主要是非碳高分子(SN)x。,（二）按Meissner效應(yīng)分類 1、第一類超導(dǎo)體（軟超導(dǎo)體） 超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有不同的規(guī)律，如圖17所示，當(dāng)HHc時(shí)，B=H。即在超導(dǎo)態(tài)內(nèi)能完全排除外磁場(chǎng)，且Hc只有一個(gè)值。除釩、鈮、釕外，元素超導(dǎo)體都是第一類超導(dǎo)體，它們又被稱為軟超導(dǎo)體。,圖17 第一類超導(dǎo)體的BH曲線,2、第二類超導(dǎo)體（硬超導(dǎo)體） 如圖18所示，第二類超導(dǎo)體的特點(diǎn)是：當(dāng)HHc2時(shí)，B=H，磁

30、場(chǎng)完全穿透。也就是在超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間有一種混合態(tài)存在，Hc有兩個(gè)值Hc1和Hc2。鈮、釩和釕及大部分合金或化合物超導(dǎo)體都屬于第二類超導(dǎo)體，它們又被稱作為硬超導(dǎo)體。 第二類超導(dǎo)體的Tc、Hc、Jc都比第一類超導(dǎo)體高。,圖18 第二類超導(dǎo)體的BH曲線,五、超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)的應(yīng)用分為強(qiáng)電強(qiáng)磁和弱電弱磁兩大類。 （一）超導(dǎo)強(qiáng)電強(qiáng)磁應(yīng)用 超導(dǎo)強(qiáng)電強(qiáng)磁的應(yīng)用，是基于超導(dǎo)體的零電阻特性和完全抗磁性以及非理想第二類超導(dǎo)體所特有的高臨界電流密度和高臨界磁場(chǎng)。 （二）超導(dǎo)弱電弱磁的應(yīng)用 以Josephson（約瑟夫森）效應(yīng)為基礎(chǔ)，建立極靈敏的電子測(cè)量裝置為目標(biāo)的超導(dǎo)電子學(xué)，發(fā)展了低溫電子學(xué)。超導(dǎo)弱電弱磁將主

31、要應(yīng)用于無損檢測(cè)、超導(dǎo)微波器件、超導(dǎo)探測(cè)器、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。,1.3 半導(dǎo)體材料,一、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 本征半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)如圖19所示。,圖19 本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),下面是價(jià)帶，由于純半導(dǎo)體的原子在絕對(duì)零度時(shí)，其價(jià)帶是充滿電子的，因此是一個(gè)滿價(jià)帶。上面是導(dǎo)帶，而導(dǎo)帶是空的。滿價(jià)帶和空導(dǎo)帶之間是禁帶，由于它的價(jià)電子和原子結(jié)合得不太緊，其禁帶寬度Eg比較窄，一般在1eV左右。價(jià)帶中的電子受能量激發(fā)后，如果激發(fā)能大于Eg，電子可從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶上，同時(shí)在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴，空穴能量等于激發(fā)前電子的能量。,二、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子受激發(fā)后從滿價(jià)帶躍到空導(dǎo)帶中，躍遷電子可在導(dǎo)帶中自由運(yùn)動(dòng)，

32、傳導(dǎo)電子的負(fù)電荷。 同時(shí)，在滿價(jià)帶中留下空穴，空穴帶正電荷，在價(jià)帶中空穴可按電子運(yùn)動(dòng)相反的方向運(yùn)動(dòng)而傳導(dǎo)正電荷。因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電來源于電子和空穴的運(yùn)動(dòng)，電子和空穴都是半導(dǎo)體中導(dǎo)電的載流子。 激發(fā)既可以是熱激發(fā)，也可以是非熱激發(fā)，通過激發(fā)，半導(dǎo)體中產(chǎn)生載流子，從而導(dǎo)電。,三、半導(dǎo)體的分類 （一）按成分分類 按成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體又可分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體?；衔锇雽?dǎo)體又可分為合金、化合物、陶瓷和有機(jī)高分子四種半導(dǎo)體。 （二）按摻雜原子的價(jià)電子數(shù)分類 按摻雜原子的價(jià)電子數(shù)可分為施主型（又叫電子型或n型）和受主型（又叫空穴型或p型）。前者摻雜原子的價(jià)電子多于純?cè)氐膬r(jià)

33、電子，后者正好相反。 （三）按晶態(tài)分類 按晶態(tài)可分為結(jié)晶、微晶和非晶半導(dǎo)體。,四、本征半導(dǎo)體 （一）本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 半導(dǎo)體中價(jià)帶上的電子借助于熱、電、磁等方式激發(fā)到導(dǎo)帶叫本征激發(fā)。滿足本征激發(fā)的半導(dǎo)體叫本征半導(dǎo)體。 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電載流子是由本征激發(fā)所形成的導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴。通過載流子的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。 本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率應(yīng)由電子運(yùn)動(dòng)和空穴運(yùn)動(dòng)兩部分引起的電導(dǎo)率構(gòu)成，按照量子力學(xué)的微擾處理，本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率公式如下。你,（二）本征半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和應(yīng)用 1、本征半導(dǎo)體的性質(zhì) 本征半導(dǎo)體是高純度、無缺陷的元素半導(dǎo)體，其雜質(zhì)小于十億分之一個(gè)。 本征半導(dǎo)體中，主要的是硅、鍺和金剛石

34、。金剛石可看作是碳元素半導(dǎo)體，它的半導(dǎo)體性質(zhì)是1952年由Custer發(fā)現(xiàn)的。除了硅、鍺、金剛石外，其余的半導(dǎo)體元素一般不單獨(dú)使用，而且除了硅、鍺、硼和碲外，其余的半導(dǎo)體元素均有兩種或兩種以上同素異形體，只有一種是半導(dǎo)體。 2、本征半導(dǎo)體的應(yīng)用 由于單位體積內(nèi)載流子數(shù)目（ni）較少，需要在高溫下工作，才大，故目前本征半導(dǎo)體應(yīng)用不多。,五、雜質(zhì)半導(dǎo)體 （一）定義 將雜質(zhì)元素?fù)饺爰冊(cè)刂?，把電子從雜質(zhì)能級(jí)（帶）激發(fā)到導(dǎo)帶上或者把電子從價(jià)帶激發(fā)到雜質(zhì)能級(jí)上，從而在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴的激發(fā)叫非本征激發(fā)或雜質(zhì)激發(fā)。這種半導(dǎo)體叫雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體既有雜質(zhì)激發(fā)，又有本征激發(fā)。一般雜質(zhì)半導(dǎo)體中摻雜雜質(zhì)的濃度很

35、小，十億分之一即可達(dá)到目的。 （二）雜質(zhì)半導(dǎo)體的種類 一般在A族元素中摻A族或A族元素。按摻雜元素的價(jià)電子和純?cè)貎r(jià)電子的不同進(jìn)行分類，可分為n型和p型半導(dǎo)體：,1、n型半導(dǎo)體（電子型，施主型） A族元素（C，Si，Ge，Sn）中摻入A族元素（P，As，Sb，Bi）后，造成摻雜元素的價(jià)電子多于純?cè)氐膬r(jià)電子，其導(dǎo)電機(jī)理是電子導(dǎo)電占主導(dǎo)，因而這類半導(dǎo)體是n型或電子型或施主型。 2、p型半導(dǎo)體（空穴型，受主型） A族元素?fù)揭訟族元素（如B）時(shí)，摻雜元素價(jià)電子少于純?cè)氐膬r(jià)電子，它們的原子間形成共價(jià)鍵后，還缺少一個(gè)電子，從而在價(jià)帶中產(chǎn)生逾量空穴。以空穴導(dǎo)電為主，摻雜元素是電子受主，這類半導(dǎo)體稱p型或

36、空穴型或受主型。,（三）雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) n型雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)如圖110所示。,圖110 n型的能帶結(jié)構(gòu),逾量電子處于施主能級(jí)，施主能級(jí)與導(dǎo)帶底能級(jí)之差為Ed，而Ed大大小于禁帶寬度Eg。因此，雜質(zhì)電子比本征激發(fā)更容易激發(fā)到導(dǎo)帶，而導(dǎo)帶在通常溫度下，施主能級(jí)是解離的，即電子均激發(fā)到導(dǎo)帶。Eg比Ed相差近三個(gè)數(shù)量級(jí)。,p型雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)如圖111所示。,圖111 p型的能帶結(jié)構(gòu),其逾量空穴處于受主能級(jí)。由于受主能級(jí)與價(jià)帶頂端的能隙Ea遠(yuǎn)小于禁帶寬度Eg，價(jià)帶上的電子很容易激發(fā)到受主能級(jí)上，在價(jià)帶中形成空穴導(dǎo)電。,六、淺能級(jí)雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì) 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)，按它的能級(jí)在禁帶中的位置，

37、可分為淺能級(jí)和深能級(jí)。 對(duì)于施主雜質(zhì)（ A族），其中電子擺脫束縛產(chǎn)生電離需要一定能量，這就是電離能。同樣對(duì)于受主雜質(zhì)（族）也存在一個(gè)電離能。由于這些雜質(zhì)的電離能較?。?時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)或兩個(gè)以上的解離能級(jí)。第二個(gè)或第二個(gè)以上的能級(jí)一般均在禁帶深處（0.1eV），稱為深能級(jí)，此種雜質(zhì)稱為深能級(jí)雜質(zhì)。深能級(jí)產(chǎn)生的載流子很少，而散射卻增加，因此對(duì)影響不大甚至還有所降低。,七、化合物半導(dǎo)體 化合物半導(dǎo)體的種類繁多，性質(zhì)各異，前景廣闊。 （一）化合物半導(dǎo)體的分類 （1）按成分可分為合金、化合物、陶瓷、高分子半導(dǎo)體。 （2）按摻雜原子的價(jià)電子數(shù)分為n型和p型半導(dǎo)體。 （3）按組分可分為二元和多元化合物半導(dǎo)

38、體。 二元化合物半導(dǎo)體有-族半導(dǎo)體，其化學(xué)式為AB的金屬間化合物，如GaAs、GaN等。 （二）化合物半導(dǎo)體材料的一些性質(zhì) 化合物半導(dǎo)體最突出的特點(diǎn)是禁帶和遷移率范圍寬，禁帶在0.130.30eV；遷移率在-7.625+0.010范圍。最有用的是以GaAs為代表的-族化合物。,八、非晶態(tài)半導(dǎo)體 （一）什么是非晶態(tài)半導(dǎo)體 非晶態(tài)物質(zhì)和晶態(tài)物質(zhì)差別在于長(zhǎng)程無序。 （二）非晶態(tài)半導(dǎo)體的特點(diǎn) 對(duì)雜質(zhì)的摻入不敏感，具有本征半導(dǎo)體的性質(zhì)；非結(jié)晶性的，因此無方向性。 （三）非晶態(tài)半導(dǎo)體的種類 非晶態(tài)半導(dǎo)體按結(jié)構(gòu)可分為共價(jià)鍵型和離子鍵型。 （四）非晶態(tài)半導(dǎo)體的應(yīng)用 九、高溫半導(dǎo)體 目前，一般半導(dǎo)體的工作溫度2

39、00，而航空航天工業(yè)要求500600，半導(dǎo)體高溫工作時(shí)易被熱擊穿和燒壞。因此，要研制Eg大和耐高溫的半導(dǎo)體。目前研究的有碳化硅和人造金剛石膜。,十、半導(dǎo)體材料的應(yīng)用及新進(jìn)展 半導(dǎo)體材料應(yīng)用非常廣泛，主要用途為： 半導(dǎo)體材料在集成電路上的應(yīng)用； 半導(dǎo)體材料在光電子器件、微波器件和電聲耦合器上的應(yīng)用。 半導(dǎo)體材料在傳感器上的應(yīng)用。 半導(dǎo)體材料的發(fā)展十分迅速，半導(dǎo)體的研究對(duì)象將從晶態(tài)逐步轉(zhuǎn)向非晶態(tài)，從體相轉(zhuǎn)向表面，從天然存在的材料轉(zhuǎn)向人工設(shè)計(jì)的材料。 近年對(duì)半導(dǎo)體物理的新發(fā)展主要有三個(gè)方面： 研究種類繁多的半導(dǎo)體新材料； 表面研究的蓬勃發(fā)展； 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)的計(jì)算。,1.4 高分子導(dǎo)電材料,高

40、分子導(dǎo)電材料包括結(jié)構(gòu)型高分子導(dǎo)電材料和復(fù)合型高分子導(dǎo)電材料兩大類。 一、結(jié)構(gòu)型高分子導(dǎo)電材料 結(jié)構(gòu)型高分子導(dǎo)電材料通常簡(jiǎn)稱導(dǎo)電高分子。它們是高分子本身結(jié)構(gòu)或摻雜后，就可以導(dǎo)電的。 迄今，導(dǎo)電高分子已有研究的有：共軛高聚物、高分子傳荷（CT）復(fù)合物、共鹽聚合物、金屬高聚物和非碳高聚物等。 （一）共軛高聚物 1、共軛高聚物的導(dǎo)電機(jī)理 純的共軛髙聚物電導(dǎo)率大都處于絕緣體水平，只有摻雜的共軛髙聚物的電導(dǎo)率才能達(dá)到半導(dǎo)體，甚至導(dǎo)體的水平。,摻雜共軛聚合物的導(dǎo)電載流子不是電子和空穴。隨后提出了孤子理論、極化子和雙極化子理論。 （1）孤子理論。在原來的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間形成孤子能級(jí)，導(dǎo)電載流子為荷電孤子。 （2

41、）極化子和雙極化子理論。形成極化子或雙極化子，導(dǎo)電載流子為極化子或雙極化子。 2、共軛髙聚物的種類 主要有聚乙炔、聚苯乙炔、聚對(duì)苯、聚苯胺、聚吡咯聚噻吩、聚丙烯腈和聚對(duì)亞苯乙烯等。 （二）高分子傳荷（CT）復(fù)合物 傳荷復(fù)合物由電子給體D和電子受體A構(gòu)成DA DA DA DA型復(fù)合物，起初D和A都是低分子有機(jī)物，以后發(fā)現(xiàn)了高分子傳荷復(fù)合物 。,1、傳荷復(fù)合物的導(dǎo)電機(jī)理 傳荷復(fù)合物中，電子由給體D轉(zhuǎn)移到受體A，由于電荷轉(zhuǎn)移的相互作用產(chǎn)生的庫侖力和范德華力而形成穩(wěn)定的復(fù)合物。 根據(jù)電荷轉(zhuǎn)移量的大小，不同D與A組合可以得到從非離子型復(fù)合物到離子型化合物。主要取決于給體的電離能及受體的電子親和能之差。

42、電荷轉(zhuǎn)移比較小的非離子型CT復(fù)合物導(dǎo)電性大多屬于半導(dǎo)體或絕緣體范圍。完全電荷轉(zhuǎn)移的離子型CT復(fù)合物在基態(tài)時(shí)兩個(gè)組分均為離子自由基，導(dǎo)電性一般較好。 2、高分子傳荷復(fù)合物的種類 主要由電子給體型聚合物如聚苯乙烯、聚萘乙烯、聚蒽乙烯、聚芘乙烯及其衍生物等和小分子電子受體如含氰和硝基的有機(jī)化合物及髙氯酸鹽組成。,（三）離子自由基鹽聚合物（共鹽聚合物） 1、導(dǎo)電機(jī)理 離子自由基鹽聚合物是電荷轉(zhuǎn)移型聚合物中具有較好電導(dǎo)率的一類，因而其導(dǎo)電機(jī)理與電荷轉(zhuǎn)移型聚合物類似。 2、離子自由基鹽聚合物的種類 正離子、負(fù)離子自由基鹽型聚合物。 （四）金屬髙聚物 將金屬原子引進(jìn)到高分子鏈上，成為帶金屬原子的髙聚物分子鏈

43、，稱這種髙聚物為金屬髙聚物。 1、金屬髙聚物的種類 金屬共軛髙聚物：金屬引入共軛髙聚物上； 金屬非共軛髙聚物：金屬引入非共軛的髙聚物上。,2、金屬髙聚物的導(dǎo)電機(jī)理 金屬共軛髙聚物是由于金屬原子增加了導(dǎo)電通道。 金屬非共軛髙聚物是由于電子在不同金屬價(jià)態(tài)之間的躍遷以傳導(dǎo)電子而導(dǎo)電。 （五）非碳髙聚物 （六）結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的發(fā)展趨勢(shì) 1、可溶性導(dǎo)電高分子 2、自摻雜或不摻雜導(dǎo)電高分子 3、共混型導(dǎo)電高分子 4、超髙導(dǎo)電高分子 5、分子導(dǎo)電型導(dǎo)電高分子 6、兼光或磁的多功能導(dǎo)電高分子 7、導(dǎo)電生物高分子,二、復(fù)合型高分子導(dǎo)電材料 復(fù)合型高分子導(dǎo)電材料又叫導(dǎo)電高分子復(fù)合材料，是由高分子材料和各種導(dǎo)電物

44、質(zhì)以均勻分散復(fù)合、層疊復(fù)合或形成表面（界面）膜等方式制得的。 按高分子基體，導(dǎo)電高分子復(fù)合材料可分為導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電彈性體、導(dǎo)電涂料等。 按導(dǎo)電填料，導(dǎo)電高分子復(fù)合材料可分為金屬類填料和非金屬類填料高分子復(fù)合材料。 按導(dǎo)電性能，導(dǎo)電高分子復(fù)合材料可分為半導(dǎo)電性、防靜電、導(dǎo)電和髙導(dǎo)電復(fù)合材料。 復(fù)合型高分子導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理：導(dǎo)電通道學(xué)說；隧道效應(yīng)學(xué)說；場(chǎng)發(fā)射學(xué)說。 三、高分子導(dǎo)電材料的應(yīng)用,1.5 離子導(dǎo)電材料,一般具有離子結(jié)構(gòu)的材料都有離子電導(dǎo)現(xiàn)象存在，但大部分材料的離子電導(dǎo)率都很低，達(dá)不到導(dǎo)電的要求。離子電導(dǎo)材料一般指的是電導(dǎo)率10-4S/m，且其電子電導(dǎo)對(duì)總電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)

45、的材料，又稱快離子導(dǎo)體。,一、離子導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理 離子導(dǎo)電主要發(fā)生在離子固體中，離子在固體中通過晶格的缺陷（肖脫基空位、弗蘭克爾空位、間隙原子）進(jìn)入穴位而發(fā)生導(dǎo)電，如圖112所示。,圖112 離子晶體中的缺陷,離子晶體中的熱缺陷主要有四種：正填隙離子、正空格點(diǎn)、負(fù)填隙離子和負(fù)空格點(diǎn)，以一價(jià)的離子晶體為例，正填隙離子帶電荷+e，正空格點(diǎn)帶電荷-e，負(fù)填隙離子帶電荷-e，負(fù)空格點(diǎn)帶電荷+e。設(shè)電場(chǎng)的方向?yàn)檎?。這個(gè)電場(chǎng)的方向是從左指向右，相反的方向?yàn)樨?fù)。則電場(chǎng)對(duì)各種缺陷的作用力的方向，各種缺陷的運(yùn)動(dòng)方向，以及它們產(chǎn)生的電流方向列于下表。,由表可見，離子晶體中四種缺陷所產(chǎn)生的電流方向都是正的，即電

46、場(chǎng)的方向。在無電場(chǎng)的情況下，離子在晶體中以擴(kuò)散方式取代晶格空位進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)是無序的，因而不給出凈的電荷流動(dòng)。而各種缺陷的擴(kuò)散也是無序的，因而不產(chǎn)生電流。在外電場(chǎng)作用下，離子取代空位沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的概率大大增加，如表所示，因而產(chǎn)生沿電場(chǎng)方向的離子電流。據(jù)此機(jī)理可導(dǎo)出其電導(dǎo)率的公式：,式中n單位體積離子的數(shù)目；z離子的價(jià)數(shù)；e電子電荷；k玻耳茲曼常數(shù)；T絕對(duì)溫度；D擴(kuò)散系數(shù)。,二、離子導(dǎo)電材料的特征值 1、電導(dǎo)率 要求10-4S/cm，且e/0（為電子電導(dǎo)率）。 2、活化能 用的離子電導(dǎo)率公式為Arrhenius式：,式中0指前因子；Ea活化能；T絕對(duì)溫度；k氣體常數(shù)。 由該公式可知，Ea越

47、小，越大，離子導(dǎo)電材料的Ea一般小于0.5eV。,三、離子導(dǎo)電材料的種類 一般按離子的種類分，主要有以下幾種。 （一）銀銅離子導(dǎo)體 1、銀離子導(dǎo)體：AgI、Ag2S、Ag2Se、Ag2Te等。 2、銅離子導(dǎo)體：RbCu4Cl13I2和Rb4Cu16Cl13I7。 （二）鈉離子導(dǎo)體：-Al2O3。 （三）鋰離子導(dǎo)體：-硅酸鋁鋰、鎢酸鈮鋰等。 （四）氫離子導(dǎo)體：無機(jī)和有機(jī)氫離子導(dǎo)體。 （五）氧離子導(dǎo)體：有螢石型和鈣鈦礦型。 （六）氟離子導(dǎo)體：螢石結(jié)構(gòu)和氟鈰礦結(jié)構(gòu)型。 （七）高分子離子導(dǎo)體：主鏈型聚醚；聚酯型；聚亞胺型；聚醚網(wǎng)絡(luò)型；側(cè)鏈型聚醚。,四、離子導(dǎo)體的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì) 離子導(dǎo)體主要應(yīng)用于以下幾

48、方面： 1、固態(tài)離子選擇電極 2、固體電化學(xué)器件 3、全固體電池和電色顯示器的電解質(zhì) 快離子導(dǎo)體的發(fā)展趨勢(shì)是： （1）研究更高離子電導(dǎo)率的快離子導(dǎo)體，目標(biāo)是使室溫電導(dǎo)率達(dá)到102103S/cm。 （2）研究新型高分子離子導(dǎo)體，使其導(dǎo)電機(jī)制類似于無機(jī)離子導(dǎo)體。 （3）研究高分子單離子導(dǎo)體。,本章小結(jié),1、導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理？ 導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)有三類：未滿帶+重帶+空帶；滿帶+空帶；未滿帶+禁帶+空帶。 導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理的經(jīng)典理論是自由電子理論，認(rèn)為電子在金屬導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí)不受任何外力作用，也無互相作用。實(shí)際上，不論是金屬，還是非金屬導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)是在以導(dǎo)體空間點(diǎn)陣為周期的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，電子的勢(shì)能是

49、個(gè)周期函數(shù)，而不是常數(shù)，因此，它不是自由電子。但導(dǎo)體的周期勢(shì)場(chǎng)和變化都比電子平均動(dòng)能小得多，按量子力學(xué)，可當(dāng)微擾來處理，導(dǎo)體中的電子可看作準(zhǔn)自由電子，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可視為和自由電子相似。,2、超導(dǎo)體的特征值、Meissner效應(yīng)、超導(dǎo)機(jī)理？ 某些金屬、金屬化合物及合金，當(dāng)溫度低到一定程度時(shí)，電阻突然消失，把這種處于零電阻的狀態(tài)叫做超導(dǎo)態(tài)。有超導(dǎo)態(tài)存在的導(dǎo)體叫超導(dǎo)體。 根據(jù)電阻率、外加磁場(chǎng)強(qiáng)度H、導(dǎo)體的電流密度J、磁感應(yīng)強(qiáng)度B與溫度T的關(guān)系，超導(dǎo)體的特征值為臨界溫度Tc、臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc、臨界電流密度Jc、完全抗磁性。 不論是否有外加磁場(chǎng)使樣品從正常態(tài)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)，只要TTc，原來穿過樣品的磁通量完全

50、被排除到樣品外，同時(shí)樣品外的磁通密度增加，超導(dǎo)體內(nèi)部總有B=0。當(dāng)施加一外磁場(chǎng)時(shí)，在樣品內(nèi)不出現(xiàn)凈磁通量密度的特性稱為完全抗磁性。這種完全的抗磁性即Meissner效應(yīng)。,超導(dǎo)機(jī)理有二流體模型和BCS理論。 二流體模型認(rèn)為當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部存在超導(dǎo)電子導(dǎo)電和正常導(dǎo)電。當(dāng)溫度低于Tc，導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，電阻突然消失是由于出現(xiàn)超導(dǎo)電子，它的運(yùn)動(dòng)是不受阻的，導(dǎo)體中如果有電流則完全是超導(dǎo)電子造成的。出現(xiàn)超導(dǎo)電子后，導(dǎo)體內(nèi)就不能存在電場(chǎng)，正常電子不載電荷電流，所以沒有電阻效應(yīng)。 BCS理論認(rèn)為，TTc，對(duì)于超導(dǎo)態(tài)、低能量的電子仍與正常態(tài)中的一樣。但在費(fèi)米面附近的電子，則在吸引力的作用下，按相反的動(dòng)量和自旋全部?jī)?/p>

51、兩結(jié)合成庫柏對(duì)，這些庫柏對(duì)可以理解為凝聚的超導(dǎo)電子。溫度愈高，結(jié)成對(duì)的電子數(shù)量愈少，結(jié)合程度愈差。達(dá)到臨界溫度時(shí)，庫柏對(duì)全部拆散成正常電子，此時(shí)超導(dǎo)態(tài)即轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。,3、半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理？ （本征）半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)是滿（價(jià)）帶+禁帶+空（導(dǎo)）帶，0Eg2eV。 半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子受激發(fā)后從滿帶躍到空帶中，躍遷電子可在空帶中自由運(yùn)動(dòng)，傳導(dǎo)電子的負(fù)電荷。滿帶中留下的空穴按電子運(yùn)動(dòng)相反的方向運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)正電荷。半導(dǎo)體的導(dǎo)電來源于電子和空穴的運(yùn)動(dòng)，電子和空穴都是半導(dǎo)體中導(dǎo)電的載流子。 半導(dǎo)體中滿帶上的電子借助于熱、電、磁等方式激發(fā)到導(dǎo)帶叫本征激發(fā)。滿足本征激發(fā)的半導(dǎo)體叫

52、本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電載流子是由本征激發(fā)所形成的空帶中的電子和滿帶中的空穴。通過載流子的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。,n型雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)是滿帶+禁帶+施主能級(jí)+空帶，逾量電子處于施主能級(jí)，Ed遠(yuǎn)小于Eg。 雜質(zhì)電子比本征激發(fā)更容易激發(fā)到空帶，躍遷電子可在空帶中自由運(yùn)動(dòng)，傳導(dǎo)電子的負(fù)電荷。n型半導(dǎo)體的導(dǎo)電主要來源于從施主能級(jí)激發(fā)到空帶上的雜質(zhì)電子的運(yùn)動(dòng)，電子是n型半導(dǎo)體中導(dǎo)電的主要載流子。 p型雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)是滿帶+禁帶+受主能級(jí)+空帶，逾量空穴處于受主能級(jí)，Ea遠(yuǎn)小于Eg。 滿帶上的電子很容易激發(fā)到受主能級(jí)上，滿帶上留下的空穴按電子運(yùn)動(dòng)相反的方向運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)正電荷。p型半導(dǎo)體的導(dǎo)電主要來源于

53、激發(fā)到受主能級(jí)上的電子在滿帶上所留下的空穴的運(yùn)動(dòng)，空穴是p型半導(dǎo)體中導(dǎo)電的主要載流子。,4、離子導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理和特征值？ 離子導(dǎo)電主要發(fā)生在離子固體中，離子在固體中通過晶格的缺陷進(jìn)入穴位而發(fā)生導(dǎo)電。離子晶體中的熱缺陷主要有四種：帶電荷+e的正填隙離子、帶電荷-e的正空格點(diǎn)、帶電荷-e的負(fù)填隙離子和帶電荷+e負(fù)空格點(diǎn)。在無電場(chǎng)的情況下，離子在晶體中以擴(kuò)散方式取代晶格空位進(jìn)行無序運(yùn)動(dòng)，因而不給出凈的電荷流動(dòng)，即不產(chǎn)生電流。在電場(chǎng)作用下，離子取代空位沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的概率大大增加，離子晶體中四種缺陷所產(chǎn)生的電流方向都是正的，即產(chǎn)生沿電場(chǎng)方向的離子電流。 離子導(dǎo)電材料的特征值：電導(dǎo)率10-4S/cm

54、，且e/0（為電子電導(dǎo)率）；活化能Ea越小，越大，離子導(dǎo)電材料的Ea一般小于0.5eV。,作業(yè)1,1、功能材料及其主要特征？ 2、功能材料的化學(xué)成分分類和物理性質(zhì)分類？ 3、電子導(dǎo)電材料中的超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別？ 4、超導(dǎo)材料及其特征值？ 5、離子導(dǎo)電材料及其特征值？,作業(yè)1,答：導(dǎo)體、超導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別在于電導(dǎo)率、能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理三方面。（1）電導(dǎo)率：導(dǎo)體的電導(dǎo)率105S/m；超導(dǎo)體的電導(dǎo)率為無限大；半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為10-7104S/m；絕緣體的電導(dǎo)率10-7S/m。（2）能帶結(jié)構(gòu)：導(dǎo)體和超導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)有三類：未滿帶+重帶+空帶；滿帶+空帶；未滿帶+禁帶+空帶。半

55、導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)是滿（價(jià)）帶+禁帶+空（導(dǎo)）帶，半導(dǎo)體的禁帶寬度為0Eg2eV，而絕緣體的禁帶寬度大于2eV。（3）導(dǎo)電機(jī)理：導(dǎo)體是通過自由電子的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電的，導(dǎo)體中均存在電子運(yùn)動(dòng)的通道即導(dǎo)帶，電子進(jìn)入導(dǎo)帶運(yùn)動(dòng)均不需能帶間躍遷。超導(dǎo)體的導(dǎo)電是因?yàn)槌瑢?dǎo)電子的存在，它的運(yùn)動(dòng)是不受阻的。半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子受激發(fā)后從滿帶躍到空帶中，躍遷電子可在空帶中自由運(yùn)動(dòng)，傳導(dǎo)電子的負(fù)電荷，滿帶中留下的空穴按電子運(yùn)動(dòng)相反的方向運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)正電荷；半導(dǎo)體的導(dǎo)電來源于電子和空穴的運(yùn)動(dòng)，電子和空穴都是半導(dǎo)體中導(dǎo)電的載流子。絕緣體不導(dǎo)電。,第二章 介電材料,2.1 介電材料 2.2 鐵電材料,教學(xué)目標(biāo)及基本要求,掌握介電

56、材料的特征值，鐵電體及其特性。 熟悉介電材料和鐵電體的種類。 了解反鐵電體的基本概念。,教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)難點(diǎn),（1）介電材料及其特征值 （2）鐵電體及其特性 （3）分子極化率、電子極化率、原子（離子）極化率和取向極化率 （4）損耗角正切 （5）電滯回線,第二章 介電材料,介電材料又叫電介質(zhì)，是以電極化為特征的材料。電極化是在電場(chǎng)作用下分子中正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生電偶極矩的現(xiàn)象。 電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象。 極化：介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)（原子、分子、離子）正負(fù)電荷重心的分離，從而轉(zhuǎn)變成偶極子。也就是說，在電場(chǎng)作用下，構(gòu)成質(zhì)點(diǎn)的正負(fù)電荷沿電場(chǎng)方向在有限范圍內(nèi)短程移動(dòng)，組成一個(gè)偶

57、極子，如圖21所示。,設(shè)正電荷與負(fù)電荷的位移矢量為l，則定義此偶極子的電偶極距,圖21 偶極子,規(guī)定其方向?yàn)樨?fù)電荷指向正電荷，即電偶極距的方向與外電場(chǎng)E的方向一致。,2.1 介電材料,一、介電材料的特征值 1、分子極化率 在電場(chǎng)作用下，介電材料的分子產(chǎn)生電偶極矩，而,分子極化率一般由電子極化率e、原子（離子）極化率a和取向極化率0三部分構(gòu)成：,電子極化率：在外電場(chǎng)作用下，原子外圍的電子軌道相對(duì)于原子核發(fā)生位移（如圖22所示），原子中的正負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對(duì)位移，這種極化稱為電子位移極化。,圖22 電子軌道位移,根據(jù)玻爾原子模型，經(jīng)典理論可以計(jì)算出電子的平均極化率e。,離子極化率：離子在電場(chǎng)作用下

58、偏移平衡位置的移動(dòng)，相當(dāng)于形成一個(gè)感應(yīng)偶極距。也可理解為離子晶體在電場(chǎng)作用下離子間的鍵合被拉長(zhǎng)。圖23所示是離子位移極化的簡(jiǎn)化模型。根據(jù)經(jīng)典彈性振動(dòng)理論可以估計(jì)出離子位移極化率a,由于離子質(zhì)量遠(yuǎn)高于電子質(zhì)量，因此極化建立的時(shí)間也較電子慢，大約為10-1210-13s。,圖23 離子位移極化的簡(jiǎn)化模型,取向極化率：沿外場(chǎng)方向取向的偶極子數(shù)大于與外場(chǎng)反向的偶極子數(shù)，因此電介質(zhì)整體出現(xiàn)宏觀偶極距，這種極化稱為取向極化。取向極化率0,2、極化強(qiáng)度P 介電材料的極化強(qiáng)度是單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和：,3、靜態(tài)介電常數(shù) 靜態(tài)介電常數(shù)和極化強(qiáng)度p的關(guān)系為,從上式中可以看出，介質(zhì)的極化強(qiáng)度P越大，也越大。常用

59、相對(duì)靜態(tài)介電常數(shù)r=/0，稱為絕對(duì)介電常數(shù)。,4、動(dòng)態(tài)介電常數(shù)* 電介質(zhì)分子的極化需要一定的時(shí)間，完成極化的時(shí)間叫馳豫時(shí)間，其倒數(shù)稱馳豫頻率f，電子極化的f約1015Hz，相當(dāng)于紫外頻率，原子（離子）極化的f約1012Hz，處于紅外區(qū)，取向極化的在1001010Hz之間，處于射頻和微波區(qū)。,在交變電場(chǎng)作用下，由于電場(chǎng)頻率不同，極化對(duì)電場(chǎng)變化的反應(yīng)也不同。f越大，越小，極化建立需要的：電子極化離子極化取向極化。 當(dāng)f1001010Hz時(shí)，三種極化都可建立。 當(dāng)1010f1013Hz時(shí)，取向極化來不及建立，只有離子極化和電子極化能建立。 當(dāng)1013f1015Hz時(shí)，取向極化和離子極化均來不及建立，只有電子極化能建立，這叫極化的滯后。 極化強(qiáng)度與交變電場(chǎng)頻率的關(guān)系如圖24所示。在交變電場(chǎng)中，由于極化滯后，介電常數(shù)要用復(fù)數(shù)*表示，又叫動(dòng)態(tài)介電常數(shù)。,式中： 為實(shí)部，即電容充電放電過程中，沒有能量損耗，=0r。 ”為虛部，即電流與電壓同相位，對(duì)應(yīng)于能量損耗部分，它由復(fù)介電常數(shù)的虛部”r描述，故稱之為介質(zhì)相對(duì)損耗因子”，因”=0”r，則”稱為介質(zhì)損耗因子。,圖24 極化強(qiáng)度和電場(chǎng)頻率的關(guān)系,現(xiàn)定義,損耗角正切tan表示為獲得給定的存儲(chǔ)電荷要消耗的能量的大小，可以稱之為“利率”。 ”r或者r tan有時(shí)稱為總損耗因子，它是電介質(zhì)作為絕緣材料使用評(píng)