离子类载流子导电PPT学习教案

1、会计学1 离子类载流子导电离子类载流子导电 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） exp kT V h kT P 加上电场E，沿电场方向位垒降低Fb/2，向右的跨越几率为 2 1 exp 2 1 kT FbV h kT P b V 第1页/共13页 2 1 exp 2 1 kT FbV h kT P 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

2、迁移多于向左的的迁移，载流子向右的平均飘移速度 ) 2 exp() 2 exp( 2 1 )( kT Fb kT Fb bPPPbv exp kT V h kT P 由于 2 exp 2 1 kT Fb PP 2 exp 2 1 kT Fb PP zeEbFb 2 1 2 1 离子带电量为z 第2页/共13页 在电场强度不是很大的情况下 kTFb 2 1 kT PFb kT Fb kT Fb bPPPbv 2 2 ) 2 () 2 ( 2 1 )( 一般情况下，电场不会很大 若电场很大，第一项为主 ) 2 (exp kT Fb v 常数常数 电流密度 vnzej n为离子密度，电量qze kT

3、 PEbenz kT PFnzeb vnzej 22 2222 令 0 N G V dc 为直流条件下自由能的变化 （可测） dc G 第3页/共13页 exp 2 222 RT G h Ebezn j dc kNR 0 又，则 因此，电阻率 RT G exp bezn h j E dc 222 2 RT G ben h lnln dc 222 2 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 T B Alog 第4页/共13页 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） dcdcdc STHG R

4、T H ) RT S ( h Ebezn lnln dcdc 2 222 得到 若存在多种载流子（类似马西森定律） i i i T B A)exp( 材料的电导率将是多种载流子迁移的总体表现 第5页/共13页 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 x n Dqj 1 负号表示二者方向相反 存在电场时，其产生的电流密度 x V Ej 2 第6页/共13页 在两者

5、相反的时候，总电流密度 x V x n Dqji 由波尔兹曼分布 )/exp( 0 kTqVnn 因此 x V kT qn x n 热平衡的时候，两个电流密度方向相反，达到平衡 x V x V kT nDq ji 2 0 kT nq D 2 离子电导率和离子扩散之间的数学联系为 第7页/共13页 由电导率 nq 为离子迁移率 BkTkT q D 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 第

6、8页/共13页 （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。 第9页/共13页 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） 31 Bi

7、OBaPb x 3 LaNiO 超导薄膜燃料电池电极 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 第10页/共13页 氧化锆晶体结构和存在温度： 单斜：1170 C 四方： 1170 C2370 C 立方：2370 C2680 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 P1 P2 U A 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 第11页/共13页 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