第二章-离子类载流子导电PPT课件

.,1,2.3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,.,2,2、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,.,3,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,.,4,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qze,令,为直流条件下自由能的变化（可测）,.,5,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,.,6,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,.,7,2.3.2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（NernstEinstein）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,.,8,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,.,9,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,.,10,（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。,.,11,2.3.4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-ionconductor）,（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,.,12,氧化锆晶体结构和存在温度：单斜：1170C四方：1170C2370C立方：2370C2680C,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,.,13,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