第二章-离子类载流子导电.ppt

2 3离子类载流子导电 关键词 载流子迁移 2 3 1离子电导理论 离子电导是带电荷的离子载流子在电场作用下的定向运动 导电机制与电子导电不同 2 导电机制 迁移 离子导电性可以认为是离子类载流子在电场的作用下 通过材料的长距离迁移 即原子核发生了迁移 离子处于势阱底部 获得能量 跨越位垒 进入相邻势阱 完成迁移 其他结构作为间架 存在电场 不存在电场 一维情况 离子越过位垒V 能量台阶 的几率 量纲S 加上电场E 沿电场方向位垒降低Fb 2 向右的跨越几率为 b 沿电场反方向位垒增高Fb 2 向左的跨越几率为 结果 向右的迁移多于向左的的迁移 载流子向右的平均飘移速度 由于 离子带电量为z 在电场强度不是很大的情况下 一般情况下 电场不会很大 若电场很大 第一项为主 电流密度 n为离子密度 电量q ze 令 为直流条件下自由能的变化 可测 又 则 因此 电阻率 这是理论值 与玻璃的经验电阻公式吻合 表明该理论比较正确的描述了离子电导 由热力学第二定律 把一些不可以直接测量的物理量 通过数学描述表示为可以直接测量的物理量 由此检验理论的正确性 得到 若存在多种载流子 类似马西森定律 材料的电导率将是多种载流子迁移的总体表现 2 3 2离子电导扩散 离子跨越位垒迁移 从另一个角度可以看作离子在电场作用下的扩散现象 表征这一现象的就是能斯特 爱因斯坦 Nernst Einstein 方程 离子电导率和离子扩散系数两个物理量之间必然存在某种物理联系 用数学形式描述如下 由于离子浓度梯度形成的电流密度 负号表示二者方向相反 存在电场时 其产生的电流密度 在两者相反的时候 总电流密度 由波尔兹曼分布 因此 热平衡的时候 两个电流密度方向相反 达到平衡 离子电导率和离子扩散之间的数学联系为 由电导率 为离子迁移率 说明离子的扩散系数随温度上升而增大 2 3 3离子导电的影响因素 1 温度 高温区为本征导电 低温区为杂质导电 出现拐点 2 离子性质 晶体结构 1 熔点高 结合力大 导电激活能高 则电导较低 如NaF NaCl NaI 激活能逐渐降低 3 晶体结构间隙大 则激活能低 电导高 2 低价离子尺寸小 激活能较低 电导高 3 点缺陷 肖特基缺陷 空位弗伦克尔缺陷 空位和间隙原子 有的缺陷是个空位 可以吸引离子来填充 可以增大离子迁移率 而有的缺陷是个陷阱 离子填充之后很难再迁移 降低离子迁移率 2 3 4快离子导体 1 快离子导体的一般特征 具有离子导电的固体物质称为固体电解质 电导率较正常的离子化合物高出几个数量级 成为快离子导体 Fast ion conductor 1 银和铜的卤族和硫族化合物 2 具有氧化铝结构 3 具有氟化钙结构的高浓度缺陷 利于离子扩散 单质材料的性能必然比较单一 今后的材料领域的研究方向大多都是多元复合材料 氧化锆晶体结构和存在温度 单斜 1170 C四方 1170 C 2370 C立方 2370 C 2680 C 2 较成熟的材料 立方稳定氧化锆 应用 检测气体中或熔融金属中的氧含量 应用离子电导测量空气中氧含量简图 参考 代测 应用条件 稳定到室温 加入Ca2 较高电导 加入Ir 离子导体两边加上固定电压 氧离子在离子导体中迁移 左边代测气体中的氧含量越高 则迁移的载流子浓度越高 电流也越大 因此 代测气体的氧含量和电流建立起联系 电流的大小对应氧含量 离子导体把氧气浓度的变化转换为电信号 这也是一种重要的传感器 由此制成的工具 氧敏元件 用于监控汽车的排气成