§2.4离子导电性几超导性简介

1、2.4离子导电性及超导性简介2.4.1离子的导电性1.离子的导电机理及其影响因素 离子的导电性：离子化合物中，带电的正、负离子在电场作用下的定向移动，称为扩散过程。考察离子在两个相邻的平衡位置（间距为a）的能量差：E=E2-E1=0施加外加电场，对于化合价为Z的离子，能量变化为E=E2-E1=-Zea因此，在与电场相同或相反的方向上，离子的移动速度分别为TkaZeQavTkaZeQav2exp2exp图图2-36 离子化合物中正离子的能量随着位置的变化以及电场的影响示意图离子化合物中正离子的能量随着位置的变化以及电场的影响示意图（a）无电场作用时的能量曲线）无电场作用时的能量曲线（b）在电场作

2、用下能量曲线）在电场作用下能量曲线得到离子平均净移动速度得到离子平均净移动速度得到得到能斯特能斯特-爱因斯坦迁移率：爱因斯坦迁移率：离子的爱因斯坦离子的爱因斯坦-能斯特迁移率能斯特迁移率D为扩散系数，为扩散系数，k是玻尔兹曼常数是玻尔兹曼常数离子导电的电导率离子导电的电导率N离子离子是可移动离子的体积密度，正比于是可移动离子的体积密度，正比于空位体积密度空位体积密度Qf是空位形成能，是空位形成能，N0为与晶体中离子的为与晶体中离子的体积密度相关的材料常数。体积密度相关的材料常数。TkEaeTkQavB2sinh2expkTDZekTZekTQavexp2kTZDe离子kTQkTDZeNexp0

3、2离子离子TkQNNf0离子exp影响因素：影响因素：（1）温度影响）温度影响-温度升高，离子导电性程指数规律增加温度升高，离子导电性程指数规律增加（2）杂质影响）杂质影响-很少量异价杂质在离子晶体中的引入的结很少量异价杂质在离子晶体中的引入的结构性空位使构性空位使N离子离子显著的相对提高，使化合物离子导电性大显著的相对提高，使化合物离子导电性大幅度提高幅度提高。如图。如图2-37图图2-37 异价杂质离子所造成的离子所造成异价杂质离子所造成的离子所造成的离子晶体空位示意图的离子晶体空位示意图图2-38 离子导电性与温度关系示意图 离子化合物晶体的离子导电性随离子化合物晶体的离子导电性随温度变

4、化的典型规律性曲线。离温度变化的典型规律性曲线。离子导电性受温度影响分为高温和子导电性受温度影响分为高温和低温两个区间。该温度特征类似低温两个区间。该温度特征类似于掺杂半导体的导电特性，高温于掺杂半导体的导电特性，高温和低温的分界点是几段斜率不同和低温的分界点是几段斜率不同的直线段的交点。的直线段的交点。高温下，离子导电性内稟导电性高温下，离子导电性内稟导电性类似于半导体材料的内稟导电性。类似于半导体材料的内稟导电性。较低温度下，同样类似于掺杂半较低温度下，同样类似于掺杂半导体，有掺杂的离子化合物显示导体，有掺杂的离子化合物显示以掺杂特性标识的部分。以掺杂特性标识的部分。“无掺杂无掺杂”化合物

5、在较低温区域化合物在较低温区域表现杂质特性，类似于掺杂特性，表现杂质特性，类似于掺杂特性，是由于材料中的杂质的缘故。是由于材料中的杂质的缘故。2.陶瓷材料的导电性陶瓷材料的导电性 陶瓷材料大部分是离子化合物，以正、负离子作为载流子导电。但离子陶瓷材料大部分是离子化合物，以正、负离子作为载流子导电。但离子导电并非其唯一的导电机理，因此化合物陶瓷的导电性变化范围很大导电并非其唯一的导电机理，因此化合物陶瓷的导电性变化范围很大 高电导率陶瓷：ReO3，CrO2，Fe3O4, 电导率达5.0105，3.3104,1.0102（cm）-1类似于金属 低电导率陶瓷：MgO,Al2O3,SiO2,均小于10

6、-14 （cm）-1类似于绝缘体 半导体类型陶瓷：CoO,NiO,Cu2O,Fe2O3,低温下为绝缘体电导率低于10-16 （cm）-1 ，2501000K电导率线性增加到10-410-2 （cm）-1，具有大小适当的能带间距 电子导电陶瓷：过度族金属氧物,受到的影响因素与金属材料相似。不同陶瓷材料导电的微观机理一般而言，离子的迁移率很小，一旦陶瓷材料有较多的电子参与导电，其离子的导电性会被掩盖掉。且依靠离子导电的导电性比较差快离子导体（固体电解质）：ZrO2，该化合物晶体具有特定的结构，尺寸大的离子形成相互，联通的间隙通道，尺寸较小的离子扩散所需激活能低，迁移率高，具有相当高的离子导电性。

7、适当选择一种导电或者半导体性质的陶瓷与一种绝缘性的陶瓷混合起来，可以使导电性发生巨大变化。见表2-7。 绝大多是纯的氧化物和碳酸盐都是良好的绝缘体，具有很高的电阻率。2.4.2 超导性1. 超导现象与基本规律图2-39所示为Hg电阻率随温度变化曲线：当温度降至4.2K时，电阻率降至检测仪器所显示的0. 定义：某些材料随温度下降电阻率突然减小到0 的现象，将具有超导现象的材料叫做超导材料。与普通材料不同，超导体在临界温度附近电阻突变，是一种转变，并不是电阻连续变化的结果。超导体具有极低的电阻率特性，即零电阻特性。图2-39 Hg电阻率随温度变电阻率随温度变化化第一类超导材料 抗磁性（Meissn

8、er）：超导态的超导体收到外部磁场作用，发生电磁感应，自身所建立的磁场与外部磁场相排斥。重要特征：超导体内部的合磁感强度尽量低。 完全抗磁性：表现出将磁力线排斥在自身以外的现象。磁感应强度B=0.如图2-40所示.图2-40 第一类超导材料的meissner效应示意图正常状态下磁场的磁通线分布超导状态下对超导线的排斥作用第二类超导体 外部磁场较弱时，呈现完全抗磁性，完全与第一类超导体相同；当外界磁场超过某个临界值时，超导体内部某些区域仍保持磁感应强度为0，另外一些区域有磁感线穿过，而这些区域呈现规则分布。此时，超导体处于混合态，无磁通区域为超导区域，有磁通区域为非超导区。超导体整体上处于零电阻状态。如图2-41。图2-42 以磁强化强度M随着所处磁场H的变化的磁化曲线方式，对两种不同的超导体处于不同的状态下的磁化情况进行了对比。图2-42 两类不同类型的超导体磁化曲线对比（a）第一类超导体的磁化曲线第二类超导体的磁化曲线 超导体在磁场中完全抗磁性强化，用经典的电磁学理论处理；外部磁场中的抗磁性，是因为电磁感应束缚电场建立磁场的结果。束缚电流的强度从外表面向内