材料电学性能材料科学基础课件

4-3材料的电学性能(electricalproperty)交变电场——介电性质弱电场——导电性质——击穿现象

材料表面——静电现象4-3-1电导率(electricalconductivity)和电阻率1、电阻率：

体积电阻：Ｒv＝Vh／Ｓh：板状样品厚度，mＳ：板状样品的电极面积，m２体积电阻率V,单位为Ω·mV是描写材料电阻性能的参数，它只与材料有关

表面电阻：Ｒs＝ＳＬ／bＬ：电极间的距离

b：电极的长度表面电阻率S,单位为ΩS不反映材料的性质，它决定于样品表面状态根据电流I=IV+IS

(其中，IV为体积电流；IS为表面电流)得出总电阻与体积电阻和表面电阻之间的关系：１／Ｒ＝１／ＲＶ＋１／ＲＳ2、电导率(electricalconductivity)(1)电导是指真实电荷在电场作用下在介质中的迁移，它是衡量材料电导能力的表观物理量。单位：S.m-1,

即：（Ω.m）-1R=L/S=L/σS⑵根据电导率对材料的分类表4-19材料的分类及其电导率材料电阻率/Ω.m电导率/S.m-1超导体导体半导体绝缘体010-8-10-510-5-107107-1020∞105-10810-7-10510-20-10-7（３）决定电导率的基本参数parameters电导率与两个基本参数相关，即载流子密度和载流子迁移率

载流子

chargecarrier——电子、空穴、正离子、负离子载流子数chargecarrierdensity----n,个/m3

载流子迁移率electronmobility

(其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度)

即：μ=ν/E

单位为m2/(v.s)电流密度（单位时间（1s）通过单位截面积的电荷量）

J＝nqvn：单位体积内的载流子数；q：每一载流子的荷电量；v：每一载流子在Ｅ方向发生漂移的平均速度（m/s）电导率σ=J/E=nqv／E=nqμ

更一般的表达式为：qi是第i种载流子的荷电量，负电子、正空穴、正负离子都可以是诱导电流的载流子。该式反映电导率σ的微观本质，即宏观电导率σ与微观载流子的浓度n，每一种载流子的电荷量q以及每种载流子的迁移率μ的关系。4-3-2材料的结构与导电性StructuresandConductivity1、材料的电子结构与导电性能带理论重迭分离外层电子能级N个原子N个能级固体理论指出:（1）在无外场作用时,无论绝缘体、半导体或导体都无电流；（2）在外场作用下，不满带导电而满带不导电。由此可得出一个区别导体和绝缘体的原则，即固体中虽然有很多电子，但是如果一个固体中的电子恰好充填某一能带及其下面的一系列能带，并且在此之上相隔一个较宽禁带的其他能带都是空的，那么它就是绝缘体，相反，如果电子未能填满最高的能带，或者能带之间有重叠，结果就会形成导体。（1）导体conductor

碱金属锂、钠、钾钠（1S22S22P63S1）：它是属于不满带的情况，故为导体，其中每个原子都有一个s价电子，众多原子聚合成固体后，s能级将分裂成很宽的s能带，而且是半充满的。

碱土金属铍、镁、钙镁（1S22S22P63S2）：虽然每个原子的３s能带是满的，但它不是绝缘体而是导体，因为它们的３s能带与较高的能带3P有交叠的现象，故能导电。但是重叠程度有差异，例如钙的上、下两个能带重叠的部分很小，因而是不良导体。

贵金属铜、银、金铜（1S22S22P63S23P63d104S1）：它们都有一个s态价电子，因d层填满，原子恰如钢球，不易压缩，贵金属等的价电子数是奇数，本身的能带也没有填满，故为良导体。

过渡金属铁、镍、钴铁（3S23P63d74S2）：具有未满的d层，过渡金属的d层能夺取较高的s带中的电子而使能量降低，即d层和s层往往会产生能级交叉现象，故有导电性。（2）绝缘体insulator绝缘体的能带结构具有下列特征：在满带与导带之间存在一个较大的禁带，约大于6.408×10-19J，禁带宽度依物质不同而异，禁带越宽，绝缘性越好。无机绝缘体对温度的稳定性较好，有机绝缘体随温度升高会发生热解，在多数情况下因游离出碳而使绝缘体变性。（3）半导体Semiconductors本征半导体Intrinsicsemiconductors半导体的禁带宽度较小，约在１.６０２×１０－１９Ｊ附近。例如室温下硅为１.７９４×１０－１９Ｊ，故在室温由晶体中原子的振动就可使少量电子受到热激发，从满带跃迁到导带，即在导带底部附近存在少量电子，从而在外电场下显示出一定导电性。半导体在一般条件下就具有一定的导电能力，这是与绝缘体的主要区别。实际上，半导体在外电场下显示出的传导性能，不仅与激发到导带中的电子有关，还与满带的空穴有关。半导体的一个电子从价带激发到导带上，便产生两个载流子，即形成空穴－电子对，这是与金属导电的最大区别。杂质半导体extrinsicsemiconductorn型半导体

n-TYPEEXTRINSICSEMICONDUCTION在Si、Ge等四价元素中掺入少量五价元素P、Sb、Bi、As等，因价电子多出一个，在导带附近会形成由杂质造成的能级。这种杂质能级与导带之间的禁带宽度很窄，故多余的一个电子在室温下就可跃迁到导带上去。这类电子型导电的半导体，称为n型半导体。Section12.11p型半导体

p-TYPEEXTRINSICSEMICONDUCTION在四价元素Si、Ge等中掺入少量三价元素B、Al、Sc、Y，在价带附近形成掺杂的能级，因缺少一个电子，以少许的能量就可使电子从价带跃迁到掺杂能级上，相应地在价带中则形成一定数量的空穴，这些空穴可看成是参与导电的带有正电的载流子。这种空穴型导电的半导体，称为p型半导体。本征半导体n型半导体p型半导体4-3-4材料的超导电性(superconductivity)1、超导电性——在一定低温下材料突然失去电阻的现象（小于目前所能检测的最小电阻率10-25Ω·cm）超导现象发现诺贝尔物理奖获得者1913年HeikeKamerlinghOnnes

theNetherlands

LeidenUniversity

Leiden,theNetherlandsb.1853

d.1926汞，4.2K

J.GeorgBednorz

K.AlexanderMuller

1/2oftheprize1/2oftheprizeFederalRepublicofGermanySwitzerland

IBMResearchLaboratoryR.chlikon,Switzerlandb.1950b.1927在陶瓷（金属氧化物）中发现超导现象，超导研究取得重大突破诺贝尔物理奖获得者1987年，超导电性的金属和合金临界温度Tc＜30K钛、钒、锆、铌、钼、钽、钨、铼、铋、铝、锡、镉等28种。二元合金NbTi，Tc＝8～10K；NbZr，Tc≈10～11K。三元系合金有铌-钛-锆，Tc=10K；铌-钛-钽，Tc=9～10K。超导化合物

Nb3Sn，Tc=18～18．5K；Nb3Ge，Tc≈23．2K，Nb3（AlGe），Tc≈20．7K等超导电性的金属氧化物1960‘sBa-Y-Cu-O系，35K,1986,Bednorz,MullerBa-Y-Cu-O系,100K,1987,我国赵忠贤等Hg-Ba-Cu-O系，～140K3、三个性能指标超导转变温度Tc超导体低于某一温度Ｔc时，便出现完全导电和迈斯纳效应等基本特性。超导材料转变温度越高越好，越有利于应用。临界磁场Hc

破坏超导态的最小磁场。随温度降低，Hc将增加；当T＜Tc时,Hc=Hc,0[1-（T/Tc)2]

临界电流密度Jc保持超导状态的最大输入电流(与Hc相关）随着外磁场增加，Jc必须相应减小，以使它们的总和不超过Hc值，从而保持超导态以上三个性能指标是相互关联的。目标：常温超导材料4-3-5材料的介电性(dielectricproperty)

1．介质极化、电容、介电常数真空电容Co=Qo/V＝ε0A/l介质中电容C＝Q/V=εA/lε。真空电容率(或真空介电常数)，8．85xl0-12

F／m

ε

介质的电容率（或介电常数）A：极板面积；l：极板间距离把电介质引入真空电容器，引起极板上电荷量增加，电容增大，这是由于在电场作用下，电介质中的电荷发生了再分布，靠近极板的介质表面上将产生表面束缚电荷，结果使介质出现宏观的偶极，这一现象称为电介质的极化。极化原因：电子极化在外电场作用下，围绕核的电子云中心发生偏离

离子极化在外电场作用下，阳离子沿电场方向移动，阴离子沿电场的反方向移动，结果使每个化学式单元具有净余偶极矩。

取向极化具有永久电偶极矩的分子倾向于沿外电场排列表4-3-4某些材料的介电常数ε（T=25℃）

塑料和有机物玻璃无机晶态材料聚四氟乙烯（Tefton）2.1 石英玻璃 3.8 氧化钡 3.4聚异丁烯 2.23 耐热玻璃 3．8-3．9 云母 3.6聚乙烯 2.35 派勒克斯玻璃 4.0-6.0 氯化钾 4.75聚苯乙烯 2.55 碱-石灰-硅石玻璃 6.9 溴化钾 4．9丁基橡胶 2．56 高铅板璃 19.0 青石陶瓷 4．5-5.4有机玻璃 2.63 （2MgO·2Al2O33SiO42为基）聚氯乙烯 3.3 金刚石 5.5聚酰胺66 3.33镁橄榄石 6.22 (Mg2SiO4）聚酯 3．1-4.0 多铝红柱石3Al2O36.62SiO2

酚甲醛 4.75 氟化镍 9.0氯丁橡胶 6.26 氧化镁 9.65纸 70（3）介电损耗电介质在交变电场作用下，由于发热而消耗的能量称为介电损耗。产生介电损耗的原因有两个：一是电介质中微量杂质而引起的漏导电流，另一个原因是电介质在电场中发生极化取向时，由于极化取向与外加电场有相位差而产生的极化电流损耗，这是主要原因。在通常情况下，只有极性材料才有明显的介电损耗。对非极性材料，极性杂质常常是介电损耗的主要原因。表4-3-5高聚物的介电性能高聚物ρv体积电阻率（.m）击穿强度（MV/m）介电常数（60Hz）介电损耗角正切值（60Hz）聚乙烯（高密度）聚丙烯聚苯乙烯聚氯乙烯尼龙6尼龙66涤纶聚甲醛聚碳酸酯聚四氟乙烯聚砜丁苯橡胶1014

>101410141012-10151012-101510121012-10161012101410161014101326-28

302415-252215