材料的电性能

1、材 料 物 理 性 能授课教师 黄兴民E-mail: Office number2章材料的电性能材料物理性能- 2 -基本概念基本概念金属的电子导电金属的电子导电离子类载流体导电离子类载流体导电半导体导电半导体导电本讲纲要超导体导电机理超导体导电机理电性能测量及其应用电性能测量及其应用第2章材料的电性能材料物理性能- 3 -基本概念 电导率：电导率：表征材料中载流子载流子在电场作用电场作用下传输电荷的能力，即材料导电时，单位电场强度所具有的电流密度。EJEJJ电流密度电流密度E电场强度电场强度载流子：载流子：电荷的载体（电子、空穴、正离子、负离子）。iieh迁移数：

2、迁移数：表征材料导电载流子输运种类对导电贡献的参数。表征材料导电载流子输运种类对导电贡献的参数。Txxt离子导体混合导体第2章材料的电性能材料物理性能- 4 -RSL基本概念 )(cmLRSSLRL电阻元件长度电阻元件长度S电阻元件截面积电阻元件截面积电阻率：电阻率：表征材料导电性能的重要参数，与材料本质有关。)(111cmRSL电导率电导率第2章材料的电性能材料物理性能- 5 -基本概念 108106104102110-210-610-810-1010-1210-1810-14钠钙玻璃锡铝铋银铜金锗硅反式聚炔硼10-4顺式聚炔熔结石英聚氯乙烯白磷10-16聚乙烯硫聚四氟乙烯导体半导体绝缘体(

3、电介质)材料电导率排序第2章材料的电性能材料物理性能- 6 -金属电子导电FFefmlen2金属导电机制nef 单位体积内实际参加传导过程的电子数目；m 电子的有效质量，考虑到晶体点阵对电场作用的结果；只有费米面附近能级的电子才能对导电做出贡献；FlFmlne2经典自由电子理论能带理论第2章材料的电性能材料物理性能- 7 -金属电子导电电子波通过一个理想晶体理想晶体点阵时(0K),不受到散射。理想情况理想情况: :实际情况：实际情况：温度不为0K非理想晶体离子运动（热振动）异类原子、位错、点缺陷等理想晶体点阵周期性被破坏电子波发生散射电子波发生散射Fl第2章材料的电性能材料物理性能- 8 -金

4、属电子导电马西森定律马西森定律221enmlenmefFFefF散射系数T)(TL杂质浓度T与温度有关与杂质浓度、点缺陷、位错有关第2章材料的电性能材料物理性能- 9 -电阻率的影响因素 温度 压力 杂质、缺陷 冷压力加工 固溶体中溶质)1 (0Tt)1 (0ppM位错空位0第2章材料的电性能材料物理性能- 10 -0T/K温度与电阻率1理想金属晶体2含有杂质金属3含有晶体缺陷123)(T)(0T)(0T低温下低温下杂质、晶体缺陷对金属电阻率的影响第2章材料的电性能材料物理性能- 11 -温度与电阻率32T/K金属电阻温度曲线01123T声电5T声电T2/3DTD2T电电T2K第2章材料的电性

5、能材料物理性能- 12 -温度与电阻率Sb,Na,K锑、钾、钠熔化时电阻率变化曲线2001201600804024201612840100300500700900 11004080120160200SbNaKSbNaK第2章材料的电性能材料物理性能- 13 -dTdRTTCTC铁磁体顺磁体铁磁体顺磁体T磁性转变对铁磁性金属电阻的影响2sM温度与电阻率第2章材料的电性能材料物理性能- 14 -1003005000302010dTd0.150.100.05TCT/金属镍的电阻率随温度变化曲线温度与电阻率第2章材料的电性能材料物理性能- 15 -压力与电阻率压力压力p电阻率电阻率020406080p

6、10-8/Pa0RR0.81.0PtVRhTaNb静压压力对金属导电性的影响静压压力对金属导电性的影响0.9第2章材料的电性能材料物理性能- 16 -原子间距原子间距原子的可动性原子的可动性原子的热振动原子的热振动AB原子间距原子间距能带交叠更多并倾于向高能区扩展能带交叠更多并倾于向高能区扩展 EF 可使许多物质由半导体或绝缘体半导体或绝缘体变成导体导体甚至超导体超导体见表2.3压力与电阻率p第2章材料的电性能材料物理性能- 17 -00正常金属正常金属反常金属反常金属)1 (0pp压力与电阻率铁、钴、镍、钯、铂、铱、银、铜、金、锆、铪、钼、钨、镁等见表2.2大部分碱金属和稀土金属，还有钙、锶

7、、锑、铋等。第2章材料的电性能材料物理性能- 18 -冷加工与电阻率冷加工引起金属电阻率增加，与晶格畸变晶格畸变有关。晶格畸变的作用类似原子热振动原子热振动，增加电子散射几率；晶格畸变引起原子间键合的改变，导致原子间距原子间距的改变。如图2.7所示，变形量越大，变形后金属电阻的增量就越大。)%/(RR1000ll变形量AgCuFe第2章材料的电性能材料物理性能- 19 -冷加工与电阻率由马西森定律，冷加工金属的电阻率由马西森定律，冷加工金属的电阻率M剩余电阻率与温度有关的退火金属电阻率位错空位对范性变形对范性变形空位散射见图2.8位错处散射低温退火促使空位扩散以消除低温退火促使空位扩散以消除较

8、高温度退火，保较高温度退火，保留至再结晶温度留至再结晶温度第2章材料的电性能材料物理性能- 20 -缺陷与电阻率空位、间隙原子以及它们的组合、位错等晶体缺陷导致金属电阻率增加。如表2.4、表2.5和图2.9所示。高温淬火和急冷产生大量缺陷，引发附加电阻率。kTEAe/AB研究电阻率随晶体缺陷的变化，可以评估单晶体的结构完整性。反过来，根据晶体缺陷影响电阻率的规律，可开发具有特定电阻值的金属元件。第2章材料的电性能材料物理性能- 21 -固溶体的电阻率溶质浓度溶质浓度畸变畸变如图2.11和图2.12由马西森定律，低浓度固溶体电阻率表达式由马西森定律，低浓度固溶体电阻率表达式固溶体溶剂组元的电阻率

9、固溶体溶剂组元的电阻率C00剩余电阻率剩余电阻率杂质原子含量杂质原子含量1%原子杂质引原子杂质引起的附加电阻率起的附加电阻率第2章材料的电性能材料物理性能- 22 -固溶体的电阻率Pd连续固溶体中合金成分距组元越远，电阻率也越高，在二元合金中最大电阻率常在50原子浓度处，而且可能比组元电阻率高几倍。铁磁性及强顺磁性金属组成的固溶体情况有异常，它的电阻率一般不在50原子处。第2章材料的电性能材料物理性能- 23 -固溶体的电阻率马西森定律固溶体电阻率修正公式：马西森定律固溶体电阻率修正公式：0偏离值偏离值,与温度和溶质浓度有关,溶质浓度越大,偏离愈严重实验表明，除过渡族金属外除过渡族金属外，在同

10、一溶剂中溶入1%原子溶质金属所引起的电阻率的增加，由溶剂和溶质金属的价数而定。诺伯里诺伯里- -林德法则林德法则2)( Zba低浓度合金溶剂和溶质间的价数差低浓度合金溶剂和溶质间的价数差见图2.13第2章材料的电性能材料物理性能- 24 -有序固溶体的有序固溶体的 无序固溶体的无序固溶体的有序固溶体的电阻率固溶体有序化后，合金组元化学作用加强，电子结合比无序状态更强。导电电子数减少，合金剩余电阻率增加。一方面一方面另一方面另一方面晶体离子势场在有序化时更为对称，大大降低了电子散射几率。有序合金的剩余电阻率减小。综合结果第2章材料的电性能材料物理性能- 25 -CuAu合金电阻率曲线CAu/(原

11、子%)151050255075100Cu3AuCuAu1淬火2退火有序固溶体的电阻率第2章材料的电性能材料物理性能- 26 -有序固溶体的电阻率T/Cu3Au合金有序化对电阻率影响121无序（淬火态）无序（淬火态）2有序（退火态）有序（退火态）有序合金Cu3Au的电阻率比无序合金的电阻率低很多有序无序转变温度第2章材料的电性能材料物理性能- 27 -不均匀固溶体(K状态)的电阻率K 状态：状态：固溶体中，原子间距大小显著的波动，组元原子在晶体中不均匀分布。高温淬火合金回火回火过程中出现的电阻升高电阻升高，冷加工冷加工时电阻又反而下降的反常升降行为。K状态电阻状态电阻反常行为反常行为(a)完全无

12、序(b)偏聚(c)短程有序固溶体点阵中只形成原子的聚集原子的聚集，成分不同于固溶体的平均成分。第2章材料的电性能材料物理性能- 28 -不均匀固溶体(K状态)的电阻率28046200T/4006008001000冷却冷却加热加热80Ni20Cr合金加热、冷却电阻率变化曲线（原始态：高温淬火）第2章材料的电性能材料物理性能- 29 -不均匀固溶体(K状态)的电阻率1.061.020.980.940.900.860204060(%)80Ni20Cr合金电阻率同冷加工变形的关系121800水淬+400回火2形变+400回火第2章材料的电性能材料物理性能- 30 -不均匀固溶体(K状态)的电阻率A.

13、回火过程中形成不均匀固溶体（1 000个原子）原子聚集区域几何尺寸大致与同一数量级明显增加电子散射几率，提高电阻率原子的聚集原子的聚集B. 冷加工促使固溶体不均匀组织的，并获得普通无序的固溶体。回火温度超过回火温度超过550550原子聚集消散，回复成均匀固溶体；原子聚集消散，回复成均匀固溶体；第2章材料的电性能材料物理性能- 31 -离子类载流子导电本征导电本征导电（离子导电、空位导电）晶体点阵的基本离子基本离子受热振动而脱离晶格，在外电场作用下，自由离子自由离子和其留下的空位空位作相互反方向的定向运动产生本征导电。杂质导电杂质导电杂质离子杂质离子受热振动脱离晶格，在电场作用下作定向运动。本征

14、导电本征导电高温 晶格与离子的联系低温杂质导电杂质导电第2章材料的电性能材料物理性能- 32 -离子类载流子导电VbV(a)(b)无电场有电场FbzeEbV2121F为作用在离子价为z的离子上的电场力第2章材料的电性能材料物理性能- 33 -离子类载流子导电kTVhkTPexpkTFbPP2exp21kTFbPP2exp21无电场时，无电场时，越过位垒V的几率有电场时有电场时向右运动的几率向左运动的几率平均漂移速度平均漂移速度)2exp()2exp(21)(kTFbkTFbbPPPb第2章材料的电性能材料物理性能- 34 -离子类载流子导电电场强度足够低kTFb2kTFbbPshkTFbkTF

15、bbPPPb2)2exp()2exp(21)(当电场足够强大kTbF2exp常数电阻率取自然对数RTGbeznhdccmexp2222RTGbeznhdc2222lnlnkTPFb22第2章材料的电性能材料物理性能- 35 -离子类载流子导电电导RTGhbezndc2lnln222TB0lnln简化得如果材料中存在多种载流子，其总电导率如果材料中存在多种载流子，其总电导率)exp(TBAiii电阻率TBA log如图2.21 离子玻璃的电阻率第2章材料的电性能材料物理性能- 36 -离子类载流子导电离子导电是离子在电场作用下的现象。扩散畅，离子扩散系数越高，导电率也越高。能斯特能斯特- -爱因

16、斯坦爱因斯坦（Nernst-Einstein）方程方程（推导略）（推导略）描述离子和之间的联系。kTnqD2扩散系数离子荷电量载流子单位体积浓度nqBkTkTqD离子迁移率离子绝对迁移率另一方面另一方面第2章材料的电性能材料物理性能- 37 -离子导电的影响因素温度的影响温度的影响温度温度离子离子加剧加剧TB0lnln时的电导率。）趋于温度（T0BB与材料有关的常数与材料有关的常数1TA211低温区的杂质导电2高温区的本征导电第2章材料的电性能材料物理性能- 38 -离子性质、晶体结构的影响离子性质、晶体结构的影响离子导电的影响因素材料熔点高材料熔点高离子间结合力大离子间结合力大离子活性离子活

17、性导电激活能导电激活能离子半径大离子半径大离子间结合力离子间结合力离子活性离子活性离子价数离子价数离子键力离子键力离子活性离子活性晶体间隙大晶体间隙大离子移动自由程离子移动自由程第2章材料的电性能材料物理性能- 39 -离子导电的影响因素空位、间隙原子或掺杂原子（使空位产生）均可参与导电空位、间隙原子或掺杂原子（使空位产生）均可参与导电缺缺 陷陷当晶体中离子扩散方向与外电场力时，离子的愈大，导电性愈好。浓度梯度浓度梯度dxdvdxdnDqJ第2章材料的电性能材料物理性能- 40 -快离子导体具有离子导电的固体物质。具有离子导电的固体物质。电导率较高的固体电解质。电导率较高的固体电解质。银和铜的

18、卤族和硫族化合物。 金属原子在这些化合物键合键合位置相对随意。位置相对随意。具有-氧化铝结构的高迁移率高迁移率的单价阳离子氧化物。具有氟化钙（CaF2)结构的高浓度缺陷高浓度缺陷氧化物。见图2.25和表2.8第2章材料的电性能材料物理性能- 41 -快离子导体的特征决定其导电的的特征决定其导电的和和的大小的大小。共同特征共同特征(1)晶体结构的主体是由一类占有的离子构成。(2)具有大量的，这些空位数量远高于可移动的离子数。因此，在无序的晶格里总是存在的空位。(3)亚晶格点阵之间具有近乎相等的能量和较低的激活能。(4)在点阵间总是存在着，以至于沿着可以平移。第2章材料的电性能材料物理性能- 42

19、 -立方稳定的氧化锆(ZrO2)氧敏元件氧敏元件监控汽车的排气成分O2-空位基体阳离子(Zr4+)掺杂阳离子(2+&3+)铂导线外电极)ln(421ppFRTE CSZ管内电极参考氧分压 p2待测氧分压p1第2章材料的电性能材料物理性能- 43 -半导体的电学性能半导体的电学性能当检视单质和化合物半导体的电学 性能时，元素周期表中A族的碳(C)，硅(Si)，锗(Ge)，锡(Sn)，铅(Pb)格外引人注目。随着原子量的增加，A族各元素的从金刚石的6eV到灰锡(-Sn)的0.08eV依次。常温下的白锡(-Sn)已是金属，最后一个元素则纯粹是金属金属。第2章材料的电性能材料物理性能- 44

20、-，若A、B位置由不同的原子占据，得到闪锌矿结构纯净碳的金刚石结构在室温是典型的，其禁带宽E=6eV。石墨是由一系列类似于苯环的六角网格晶面组成的层状结构，介于。金刚石结构中每个原子最外层四个电子分别分配给四个最近邻C原子。这四个最近邻C原子处于以该原子为中心的正四面体角上，与其形成共价键。石墨的层状结构金刚石和石墨的导电性金刚石和石墨的导电性第2章材料的电性能材料物理性能- 45 -单质和是当今应用最广泛的半导体材料。锗在所有固体中是能够获得最纯样品并研究得最多的半导体材料。在最纯的锗样品里杂质的含量只有。硅可以达到的纯度比锗大约低一个数量级，但仍然比任何其他物质都纯。具有广阔应用前景的达数

21、十种之多，其中V族，族，族和更得到优先发展。这些材料原子间的结合以共价键为主，其各项性能参数比起族单质半导体有更大的选择余地。半导体的种类半导体的种类第2章材料的电性能材料物理性能- 46 -本征半导体无掺杂无掺杂的纯半导体的纯半导体 依靠依靠热激发热激发或或光子激发光子激发使价带电子越过禁带，变成自由电子进使价带电子越过禁带，变成自由电子进入导带导电。入导带导电。 表 2.9 本征半导体室温下的禁带宽度EgSi的Eg=1.12ev指纯净的无结构缺陷无结构缺陷的半导体单晶。Ge的Eg=0.66ev第2章材料的电性能材料物理性能- 47 -(a) A位置键合破坏产生一个和一个本征Si基本键合示意

22、图(b) B位置键合断裂发生和 第2章材料的电性能材料物理性能- 48 -本征载流子的浓度本征载流子的浓度浓度表达式为浓度表达式为T为绝对温度；)2exp(2/31KTETKpngii式中:ni, pi分别为自由电子和空穴的浓度；K1为常数，其数值为4.821015 K-3/2 ；k为玻尔兹曼常数; Eg为禁带宽度。随着T增加，ni, pi显著增大。T=300K，硅的Eg =1.1 eV，ni=pi=1.51010cm-3;在室温条件下，本征半导体中，它们有一定导电能力导电能力但很微弱微弱。锗的Eg=0.72 eV, ni=pi=2.41013cm-3。第2章材料的电性能材料物理性能- 49

23、-本征半导体的迁移率本征半导体的迁移率本征半导体受热后，载流子不断发生热运动，在各个方向上各个方向上的数量和速度都是均布均布的，不会引起宏观的迁移，也不会产生电流。但在外电场的作用下，载流子就会有定向的漂移运动定向的漂移运动，产生电流产生电流。在漂移过程中，载流子不断地互相碰撞，使得大量载流子定向漂移运动的平均速度平均速度为一个恒定值，并与电场强度E成正比。自由电子自由电子和空穴空穴的分别为：EvnnEvpp式中，比例常数 和分别表示在单位场强(V/cm)下自由电子和空穴的平均漂移速度，称为。自由电子的，故它的迁移率 较大；空穴的漂移实质是价电子依次填补共价键上空位的结果，这种运动内，所以空穴

24、的，迁移率 也小。第2章材料的电性能材料物理性能- 50 -本征半导体的迁移率本征半导体的迁移率室温下室温下)/(19002sVcmp)/(39002sVcmn本征锗单晶中:本征硅单晶中:)/(5002sVcmp)/(14002sVcmn硅迁移率迁移率比锗小是因其载流子浓度载流子浓度ni小。若本征半导体中有电场，其电场强度为E，空穴将沿E方向作定向漂移运动，产生；自由电子将逆电场方向作定向漂移运动，产生。总电流应是两者之和，故总电流密度j为：EqnEqnvqpvqnjjjppiipinipn式中，jn ,jp 分别为自由电子和空穴的电流密度；q 为电子电荷量的绝对值。第2章材料的电性能材料物理

25、性能- 51 -本征半导体的电阻率本征半导体的电阻率)(1ppiippiiinnqEqnEqnEjE300K (室温)时m7107 . 4m31014. 2本征半导体的电学特性本征半导体的电学特性(1)本征激发成对激发成对地产生自由电子和空穴，所以自由电子自由电子浓度与空穴空穴浓度相等，都是等于本征载流子的浓度ni。(2)禁带宽度Eg越大，载流子浓度ni越小。(3)升高时载流子浓度 增大。(4)与相比是极小的，所以本征半导体的很。)2exp(2/31KTETKpngii第2章材料的电性能材料物理性能- 52 -杂质半导体的电学性能杂质半导体的电学性能掺入五价五价元素() 余下了一个价电子价电子

26、掺入元素()大大增加了晶体中空穴空穴浓度第2章材料的电性能材料物理性能- 53 -n型半导体机理：掺入杂质后，产生具有机理：掺入杂质后，产生具有施主能级施主能级能量的多余电子，在能量的多余电子，在激活下激活下跃入导带跃入导带导电。导电。在本征半导体中掺入五价元素的杂质(磷，砷，锑)就可以使晶体中的极大地增加。由于能提供多余价电子，因此把这种称为，ED 称为施主能级，称为施主施主电离能电离能。导带导带价带价带ECEDEiEVDonor ionsEC-EDEg锗中掺磷：0.012eV硅中掺锑：0.039 eV硅中掺砷：0.049 eV在常温下，每个掺入的五价元素原子的多余价电子都具有大于(EC-E

27、D)的能量,可以进入导带成为自由电子,因而导带中的自由电自由电子数子数比本征半导体显著地增多增多。见图2.32第2章材料的电性能材料物理性能- 54 -在n型半导体中，自由电子的浓度大(1.51014cm-3)，故自由电子自由电子称为，简称。n型半导体由于自由电子的浓度大，故空穴被复合掉空穴被复合掉的数量也增多，所以n型半导体中空穴的浓度(1.5106cm-3)反而比本征半导体中的空穴浓度小，故把n型半导体中的空穴空穴称为少数载流子少数载流子，简称。在电场作用下，n型半导体中的电流电流主要由多多自由电子自由电子产生，也就是说，它是以电子导电为主，故n型半导体又称为，施主杂质也称。第2章材料的电

28、性能材料物理性能- 55 -n型半导体的电流密度nno为n型半导体自由电子的浓度EqnjJnnonn 电子迁移率n型半导体的电阻率nDnnonqNqn11ND 为n型半导体的掺杂浓度。如在n型硅半导体中，设ND =1.51014cm-3，当n =1400 cm2(Vs)时n =30cm，相比本征硅半导体，=2.1410-3m，导电能力增强。(=2.14105 cm)第2章材料的电性能材料物理性能- 56 -P型半导体 机理：掺入杂质后，产生机理：掺入杂质后，产生空穴空穴，空穴在，空穴在电子的过程中电子的过程中产生产生飘移飘移而导电。而导电。掺入的杂质元素(硼，铝，镓，铟)，就可以使晶体中大大增

29、加。因为三价元素的原子只有，当它晶格中的一个四价元素原子，并与周围的四个硅(或锗)原子组成四个共价键时，必然一个价电子，形成一个置。第2章材料的电性能材料物理性能- 57 -见图2.33P型半导体导带导带价带价带ECEiEVAcceptor ionsEA-EVEgEA因能接受价电子，把三价元素称为，EA 称为受主能级，(EA-EV ) 称为受主电离能受主电离能。三价元素形成的允许价电子占有的能级EA 非常靠近，即(EA-Ev)远小小于。硅中掺镓:0.065eV硅中掺铟: 0.16eV锗中掺硼或铝:0.01eV在常温下，处于价带中的价电子都可以进入EA能级。所以每一个 三价杂质元素的原子都能，而

30、在价带中产生一个。第2章材料的电性能材料物理性能- 58 -在p型半导体中，因受主杂质能接受价电子产生空穴，使空穴浓度大大提高，为多数多数载流子，电子是载流子。n型半导体的电阻率EqnjJppopnpo 为p型半导体的空穴浓度p型半导体的电阻率p型半导体的电流密度pAppopqNqp11NA为受主杂质浓度在电场的作用下，p型半导体中的电流主要由多数载流子空穴产生，即它是以空穴导电为主，故p型半导体又称，受主杂质又称。第2章材料的电性能材料物理性能- 59 -杂质半导体的特性杂质半导体的特性(1)掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但是却能使载流载流子浓度子浓度极大地，因而导电能力也显著地增强。掺杂

31、浓度愈大，其导电能力也愈强。(2)掺杂只是使载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子导电多子导电。当掺入五价元素(施主杂质)时，主要靠自由电子自由电子导电；当掺入三价元素(受主杂质)时，主要靠导电。第2章材料的电性能材料物理性能- 60 -点阵振点阵振动的动的声声子子散射散射由于点阵振动使发生变化而周期排列，引起的空间起伏，从而使载流子的势能势能随空间变化，导致载流子的散射载流子的散射。温度越高温度越高振动越激烈，对载流子的散射越强，迁移率迁移率下降。由于随温度升高载流子热运动速度载流子热运动速度加大，电离杂质的散射作用散射作用也就相应减弱，导致迁移率增加迁移率增加。(1)在，施主杂质施主杂

32、质并未全部电离。随着温度的升高，电离施主增多使导带电子浓度导带电子浓度增加。与此同时，在该温度区内点阵振动尚较微弱，散射的主要机制主要机制为杂质电离杂质电离，因而载流子的迁移率迁移率随温度的上升而增加增加，使电阻率下降电阻率下降。第2章材料的电性能材料物理性能- 61 -(2)当升高到一定温度后,，称为饱和区饱和区。由于本征激发尚未开始，载流子浓度载流子浓度基本上保持恒定恒定。这时点阵振动的已起主要作用而使迁移率下降迁移率下降，因而导致电电阻率阻率随温度的升高而。(3)温度进一步升高，进入本征区本征区，由于本征激发，载流子载流子随温度而显显著增加著增加的作用已远远超过声子散射的作用，故又使重新

33、下降下降。对n型半导体电阻率logT低温低温区区饱和饱和区区本征本征区区第2章材料的电性能材料物理性能- 62 -超导电性First observation of “” by Onnes (1911)OnnesResistance of Mercury falls suddenly below measurement accuracy at very low temperature.Resistivity of Cu as a function of TemperatureHigh purity copper has larger RRR.第2章材料的电性能材料物理性能- 63 -完全导电性完

34、全导电性完全抗磁性完全抗磁性通量通量(flux)量子化量子化例如，在室温下把超导体做成圆环放在磁场中，并冷却到使其转入。这时把原来的外磁场突然去掉，则通过超导体中的感生电流，由于没有电阻而将长久的存在，成为不衰不衰减电流减电流。据报道，用Nb0.75Zr0.25合金导线制成的超导螺管磁体，估计其超导电流衰减时间不小于10万年万年。处于超导态的材料，不管其经历如何，。这就是所谓的迈斯纳(Meissner)效应，说明超导态的超导体是一抗磁体，此时超导体具有和的功能。当用超导体做成圆球并使之处于正常态时，磁通通过超导体。当球处于超导态时，磁通被排斥到球外，。Meissner第2章材料的电性能材料物理

35、性能- 64 -转变温度愈接近室温接近室温其实用价值实用价值愈高。目前超导材料转变温度最高的是金属氧化物，但也只有140K左右，金属间化合物最高的是Nb3Ge，只有23.2K。临界转变温度Tc 当温度TTc时，将磁场作用于超导体，若磁场强度大于Hc时，磁力线磁力线将穿入穿入超导体，即磁场破坏破坏了超导态，使超导体回到了正常态常态，此时的磁场强度称为临界磁场强度Hc。临界磁场强度Hc除磁场影响超导转变温度外，通过的电流密度也会对超导态起影响作用。当电流超过临界临界电流密度时，超导体回到正常态常态，它们是相互相互依存依存和相互相互影响影响的。临界电流密度第2章材料的电性能材料物理性能- 65 -大

36、多数纯金属(除V、Nb、Ta外)超导体，在超导态下磁通从超导体中被全部逐出，显示完全的抗磁性。在铌、钒及其合金中，允许部分磁通透部分磁通透入入，仍保留超导保留超导电性。Hc2值可以是超导转变热力学计算值Hc的100倍或更高。零电阻的超导电流可以在环绕磁通线圈的超导区中流动，在仍有超导超导电性，故第二类超导体在建造方面有重要的实际意义实际意义。第2章材料的电性能材料物理性能- 66 -超导现象的物理本质超导现象的物理本质超导的BCS理论由巴丁(Bardeen)、库柏(Cooper)和施瑞弗(Sehriffer)三人在1957年揭示。1972年Nobel奖超导现象产生的原因是由于在超导态超导态时，

37、电子之间电子之间存在着特殊的吸引力特殊的吸引力，而不是正常态时电子之间的静电斥力正常态时电子之间的静电斥力。这种吸引力使电子双双结成库柏电子对库柏电子对，它是超导态电子与晶格点阵间晶格点阵间相互作用产生的结果。第2章材料的电性能材料物理性能- 67 -这些在材料中规则地运动时，如果碰到物理物理缺陷缺陷、化学化学缺陷缺陷或热热缺陷缺陷，而这种缺陷所给予电子的能量变化又使“电子对”，则此“电子对”将不损耗能量不损耗能量，即在缺陷处电子不发生散射不发生散射而无阻碍无阻碍地通过。超导现象的物理本质超导现象的物理本质当温度温度或外磁场外磁场强度增加时，电子对获得能量电子对获得能量，当温度或外磁场强度增加

38、到临界值临界值时，电子对全部被拆开拆开成正常态电子常态电子，于是材料即由超导态转变为正常态。温度越低，超导体就越稳定。这就是超导体中存在临界温度临界温度Tc的原因。第2章材料的电性能材料物理性能- 68 -超导应用举例超导应用举例日本超导磁悬浮列车(581km/h)Principle of magnetic levitation第2章材料的电性能材料物理性能- 69 -Superconducting Magnetic Energy Storage超导应用举例超导应用举例SMES Energy Stored Within a Magnet-Real and Reactive Power第2章材料

39、的电性能材料物理性能- 70 -电性能测量及其应用 Rx待测电阻待测电阻 RN标准电阻（高精度电阻）标准电阻（高精度电阻）R1.R3，R2.R4同步可调电阻同步可调电阻第2章材料的电性能材料物理性能- 71 -电性能测量及其应用 合上合上K开关后，调开关后，调R1.R3，R2.R4使使VBD=0这时下列关系成立：这时下列关系成立：11323RIRIRxI21423RIRIRINrIIRRI)()(23432)(432143121RRRRrRRrRRRRRNx第2章材料的电性能材料物理性能- 72 -电性能测量及其应用 04321RRRR)(432143121RRRRrRRrRRRRRNxR1.

40、R3，R2.R4二组电阻采用同步调节，组电阻采用同步调节，始终使始终使R1=R3，R2=R4NxRRRR21测量小电阻（10-110-6）0.2%0.3%精确度，测量大小10-410-3左右金属电阻。第2章材料的电性能材料物理性能- 73 -电阻分析的应用电阻分析的应用 电阻率是对、和的性能，能灵敏地反映材料内部的微弱变化。因此常用测量电阻率的变化来研究材料内部组织结构材料内部组织结构的变化，称为。 由于很容易很容易对材料的许多物理过程进行电阻电阻的跟踪跟踪测量,电阻分析法在材料科学研究中得到广泛应用广泛应用。测定固溶体的溶解度曲线研究合金的时效合金的不均匀固溶体的形成以及有序-无序转变等确定

41、稀土元素在镁合金中的溶解极限研究疲劳和裂纹扩展研究马氏体相变第2章材料的电性能材料物理性能- 74 -电阻分析法测溶解度曲线电阻分析法测溶解度曲线(1)配五种五种不同Mn%的合金Mg-Mn合金A、B、C、D 、E。(2)加热合金A、B、C、D 、E至630并保温后快冷(淬火)至室温。 (3)在室温下测出A、B、C、D, E五五合金的电阻率。(4)绘出电阻率Mn%关系曲线，曲线上的转折点E所对应的Mn%即为630上E点的Mn%（a%）。(5)再用同样的方法作出600、550、500、450下的分界点分界点，并连连接各点点，该连线即为溶解度曲溶解度曲线线。 第2章材料的电性能材料物理性能- 75 -1200,24hr均匀化处理后，从850 淬火淬火至液氮(-196 )得到马氏体马氏体电阻率与时效时间的关系电阻率与时效时间的关系(a)Fe-Ni18%-C0.11%板条状马氏体研究合金时效研究合金时效(b) Fe-Ni21%-C0.4%片状马氏体第2章材料的电性能材料物理性能- 76 -电电阻阻率率时间（或温度时间（或温度)区区区（马氏体时效）（马氏体回火）0研究合金时效和回火研究合金时效和回火III区电阻率继续缓慢地，直至达到时稳定稳定值。I区出现电阻率初始下降初始下降；II区电阻率先增后减先增后减，出现峰值峰值；第2章材料的电性能材