第五章电子输运1.ppt

1、1,第五章 电子的输运性质,绝缘体(10-8一10-20 -1 cm-1)、 材料 半导体(105一l0-7 -1 cm-1) 导体(106一108 -1 cm-1) 金属键结合的导体，其电导率随温度的升高而减小。 离子键、共价键组成的混合键结合的材料，其电导率随温度的升高而增大。 一些离子晶体导电率和液体电介质相当，被称作快离子导体。,2,5.1 能 带 理 论,“自由电子”理论：金属原子半径较大，价电子较少部分电子脱落，成“自由电子”自由电子与阳离子互相吸引所有金属原子、阳离子胶合为“晶体”。 “自由电子”理论解释了金属的物理性质，如光泽、导电性、导热性、延伸性，都与“自由电子”有关；但不

2、能解释导电的差异性以及导体、半导体与绝缘体的区别等。,3,单一原子中 1.电子的能量是分立的能级;,2.电子的运动有隧道效应。,原子的外层电子(高能级)， 势垒穿透概率较大， 电子可以在整个晶体中运动, 称为共有化电子。,原子的内层电子与原子核结合较紧,一般不是 共有化电子。,4,晶体的能带,晶体具有大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构。,。,晶体中的势场对电子的能态有影响，电子受到周期性势场的作用。晶体中电子的能态不是分立的能级，而是连续的能带,5,一、原子、分子、晶体的能谱,原子之间作用越强，能级分裂越大， 能级越高，能级分裂越大,6,二 . 能带中电子的排布,晶体中的一个电子只能处在

3、某个能带中的 某一能级上。,排布原则：,1. 服从泡里不相容原理（费米子）,2. 服从能量最小原理,设孤立原子的一个能级 Enl ，它最多能容纳 2 (2 +1)个电子。,这一能级分裂成由 N条能级组成的能带后，能带最多能容纳 2N(2l +1)个电子。,7,电子排布时，应从最低的能级排起。,有关能带被占据情况的几个名词：,1满带（排满电子）,2价带（能带中一部分能级排满电子） 亦称导带,3空带（未排电子） 亦称导带,4禁带（不能排电子）,2、3能带，最多容纳 6N个电子。,例如，1、2能带，最多容纳 2N个电子。,2N(2l+1),8,在允许取的 E值（暂且称为能级）之间， 有一些不允许取的

4、 E值（暂且称为能隙）。,9,孤立原子的最外层电子能级可能填满了电子也可能未填满了电子。在形成固体时，其相应的能带也填满了电子或未填满电子。,若孤立原子中较高的电子能级上没有电子， 在形成固体时，其相应的能带上也没有电子。,孤立原子的内层电子能级一般都是填满的， 在形成固体时，其相应的能带也填满了电子。,10,5.2 导体和绝缘体,它们的导电性能不同， 是因为它们的能带结构不同。,晶体按导电性能的高低可以分为,11,导体,导体,导体,半导体,绝缘体,Eg,Eg,Eg,12,在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。,从能带图上来看，是因为其共有化电子 很易从低能级跃

5、迁到高能级上去。,E,导体,13,从能级图上来看，是因为满带与空带之间 有一个较宽的禁带（Eg 约36 eV）， 共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到 高能级（空带）上去。,在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以形不成电流。,能带结构，满带与空带之间也有禁带， 但是禁带很窄（E g 约0.12 eV )。,绝缘体,半导体,14,绝缘体与半导体的击穿,当外电场非常强时，它们的共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中。,绝缘体,半导体,导体,15, 5.3 半导体,半导体中能量最高的满带又叫做价带，能量最低的空带又叫做导带， 按材料成分不同，半导体材料可以分成单元素半导体和化合

6、物半导体两大类。,16,1.单质半导体,单质半导体的结构都是金刚石型结构。 随原子序数的增加，金刚石 Si Ge Sn ，共价键成分逐渐减弱，禁带宽度下降，同时金属键的成分增加，Si、Ge、Sn是带有不同程度金属键成分的共价键晶体。,17,IIIAvA族，GaAs、InSb、GaP、InAs、GaSb； B一 A族，CdS、ZnS等。 这些化合物为闪锌矿型结构， GaAs组成fcc点阵基元由一个Ga原子和一个As原子组成，每个原子被4个异种原子包围，其键合特征仍以共价键为主。 化合物半导体电子沿键轴分布不对称，构成极性键，使GaAs既有共价键的成分，又有离子键的成分。,2.化合物半导体,18,

7、纯元素半导体的电学性能由元素本身的电子结构所决定，叫做本征半导体。 半导体的电学性能是结构敏感的性能，材料中极微量杂质就会引起电学性能的改变。 在纯元素半导体中掺入微量杂质元素，取代晶格中的部分原子，就可改变晶体的能带结构，从而在本征半导体的禁带中出现与杂质元素有关的能级，形成杂质半导体。 按掺杂元素的价电子数，杂质半导体可分成N型和P型两类。,19,20,21,3. 非晶半导体,非晶半导体短程有序、长程无序。 原子相对旋转，产生两种情形： 键长和键角相对于晶态有适当偏离， 非晶态材料中少量共价键被破坏，成为悬键。 光照使非晶硅结构变得不稳定，悬键数目增加。 杂质对非晶半导体的电导率影响不明显

8、。,22,5.4 磁阻效应,1.材料的磁性 材料的磁性来源于电子与磁场的相互作用及电子间的相互作用。,材料的抗磁性：外加磁场的作用下，材料内部电子发生重新取向，保持内磁场不变。抗磁性材料的磁化率为负。,23,磁性原子：具有奇数电子的原子有合成磁矩。,磁原子聚集体中各原子磁矩排列方式的不同分： 顺磁性：所受磁力的方向顺着磁场增强的方向。如：Na、Al、Mg,24,铁磁性：晶格中所有元磁体的自旋自发地平行排列。Fe、Co、Ni 反铁磁性：相邻磁矩反向平行，在无外加磁场时，无净磁矩。MnO、FeS 亚铁磁性：相邻磁矩反向平行，在无外加磁场时，存在净磁矩。Fe3O4,25,2、磁性材料,磁性材料要求其

9、磁性能够保持在一定范围内，磁性过低磁记录信号易受外界干扰，记录密度也难以提高；磁性过高时，记录介质将难以为磁头所磁化或难以将记录信号抹掉。按磁性递增的顺序，磁性材料可以分为软磁材料、磁记忆材料、半硬磁材料、磁记录介质和硬磁材料。,26,B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应,每个 对应不同的 与磁化的过程有关。,起始磁化曲线；,剩磁,饱和磁感应强度,矫顽力,磁滞回线-不可逆过程,在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高的 磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。,铁磁体在交变场的作用下，它的形状会随之变化，称为磁致伸缩（10-5数量级）它可用做换能器，在超声及检测技术中大有作为。,27,(1)

10、软磁材料,软磁材料用于制造包括变压器和继电器磁芯、电动机转子和定子等磁导体元件的磁性材料。主要特性是有较高磁导率、较高饱和磁感应强度、较小矫顽力(约1Am)和较低磁滞损耗；在外加磁场作用下易磁化，外加磁场消失后又容易退磁。 常见软效磁材料：工业纯铁、铁一硅合金、铁一镍合金、立方铁氧体等。,28,(2)硬磁材料,制造永久磁铁的磁性材料，又称永磁材料。主要特性是有较大的矫顽力(105一106Am)和较大剩磁，难以被磁化，一旦被磁化后又难以退磁。硬磁材料主要应用于各类电表和电话、录音机、电视机以及磁性分料器和选矿器等。 大多数永久磁铁都是铁磁体，含有钨和铬的钢广泛作硬磁材料。铁镍铝钴合金和用粉末冶金

11、方法制成的单畴磁体也是常见的硬磁材料。,29,(3)磁头材料和磁记录介质材料,磁记录具有记录密度大、存储容量大、工艺成熟、成本低、可重复使用103一l05次、可多通道记录等优点，磁记录技术中涉及的材料主要包括磁头材料和磁记录介质材料 。,30,（1）磁头材料,磁头材料属于软磁性材料，除有软磁材料的一般特性外，还应有高耐磨性和低应力敏感性。,31,（2）磁记录介质材料,剩余磁感应强度要高，矫顽力适当高。 磁性粒于尺寸均匀、易分散，磁层均匀、厚度适当，记录密度越高，磁层越薄。 基本磁特性温度系数小，不产生明显的加热退磁效应。,32,2.磁场对电阻的影响,具有磁性的金属、半导体材料的电阻率在磁场中发

12、生变化的现象称为磁电阻效应，简称磁阻效应。 电阻率随磁场的加大而增加时，称为正磁阻效应；电阻串随磁场的加大而减小时，为负磁阻效应。 磁场引起的电阻率的变化与未加磁场时电阻率之比( /0 )称为磁电阻率。,33,3. 巨磁阻效应,磁电阻率达百分之几十以至百分之百以上的磁阻效应叫做巨磁阻效应。 低温下FeCr多层膜的电阻随外磁场而加大，变化达50，具有巨磁阻效应。,34,（1）巨磁性多层膜,采用人工的方法，厚度为d1的A种薄膜和厚度为d2的B种薄膜，交替排列，构成了以A d1 B d2为周期的人工超晶格材料。如果有n个A d1 B d2周期，记作（A d1 B d2 )n。,35,反铁磁耦合：相邻

13、铁磁层的磁矩相互反平行。,铁磁耦合：相邻铁磁层的磁矩相互平行。,铁磁耦合随隔离层的厚度呈周期性震荡。,36,电阻：传导电子受到散射引起。,电子有两种自旋方向。,37, 5.5 快离子导体,离子晶体是绝缘体，其离子导电主要由肖特基(schonky)缺陷或弗兰克尔(Frankel)缺陷的迁移产生。 室温下这些缺陷的浓度不高，随温度的升高缺陷的浓度增大，因此，通常电荷载流于数目不大，而且与温度有关。,38,某些离子晶体却有数目相当大的载流子，载流子浓度与温度无明显关系，其平均自由程大，离子导电激活能低，(0.4ev)。它们的离子电导率与液体电解质差不多，甚至更高。这类离子化合物叫做快离子导体。,39

14、,某些离子晶体中阳离子与点阵的结合很弱，阳离子的热振动振幅的大小可以与它们可能占据的晶体学位置间的距离相当，因此，这些阳离子很容易从一个位置迁移到另一个位置。,40,AgI属立方晶系，空间解为Im3m， AgI单胞中含有两个AgI分子，I-离子占据立方晶格的顶角和体心位置，形成体心立方点降，两个Ag离子无序地分布在42个间隙位置上，即6个碘离子八面体的(b)位置、12个碘离子四面体的(d)位置和24个碘离子三方双锥体的(h)位置。,1. AgI离子晶体,41,2. 锂离子导体,用A1取代石英中一半的Si，并加入Li+进行电荷补偿，可以得到类石英结构的理霞石，它的分子式为 LiAlSiO4。在垂

15、直于c轴的方向上，Al和Si原子交替地作层状有序排列，因而 LiAlSiO4的单位晶胞和石英相比在c轴方向上是双倍的。,42, 5.6 超导电性,43,44,迈斯纳效应,迈斯纳(Meissner)发现超导材料具有完全排斥磁力线的能力，因此，把超导体完全排斥磁力线的现象叫做迈斯纳效应。将一个超导体球放在适当的磁场中，随后降低超导体的温度，当TTc时，由于磁力线不能穿透超导体，而使超导体悬浮在磁场中。 当温度升高到了Tc 后，材料转变成非超导体时，磁力线又会进入球体中，球体不能悬浮在磁场中。,45,46,在磁场强度为H的外磁场中，材料的磁化强度M与磁感应强度B之间满足下面的关系式：,超导状态下，B

16、 = 0 M = -H = -1,47,48,迈斯纳效应和零电阻毫无关系？,在电磁学里，我们知道，电和磁之间关系服从法拉第电磁感应定律，然而，在超导电性中，零电阻无法解释迈斯纳效应，同样，迈斯纳效应无法解释零电阻现象。最关键的问题是，在电磁感应定律中，变化的磁场感应电流，然而，在超导态时，稳定磁场却感应出超导涡漩电流。迈斯纳效应和零电阻竟然毫无关系！,49,50,BCS理论,电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量

17、，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。,51,目前研究热点,建立明确的微观机制是高温超导研究的最高目标。因为只有认清了高温超导发生的真正原因，才能找到有效提高临界温度Tc以及临界电流密度Jc等参数的有效途径，为制备室温超导体和投入广泛应用奠定理论基础。只要高温超导的应用未达到人类的理想境界，理论研究将一直是最热门的话题之一。,52,-w型超导体,Nb3Sn是-w型结构、具有实用价值的超导材料。 -w型化合物A3B中，B原子占体心立方位置，单胞每个面上有2个A原子，A原子距最近顶点的B原子的距离为(32)，只有当原 子半径比满足0.97 rBrA1.065时结构

18、 才稳定。 -w型化合物原 子的平均电子数 为4.7，6.5时， Tc最高。,53,高温超导体,Tc 77K，属第二类超导体， 在氧化物超导材料中有的在240K出现超导迹象。由镧、锶、铜和氧组成的陶瓷材料在287K的温度下存在超导现象，这为超导材料的应用开辟了广阔的前景。,54,高温超导体主要指铜酸盐类，它们的结构具有钙钛矿型结构的基本特征，可用ABO3表示，A为半径较大的金属离子，B为半径较小的过渡金属离子，A、B离子价数之和为6。 钙铁矿型结构存在氧缺位，造成结构畸变，形成一维、二维的CuO4 ，AO氯化钠型结构与 ABO3这两种结构交替堆积便构成了铜酸盐结构的高温超导体。,55,高温超导

19、属层状结构的二维导体，具有明显的各向异性，CuO 2层被CuO链或其他金属或金属氧化物MO分开。CuO 2层是导电层，相邻层起作载流子库的作用，为CuO 2层提供载流子。,56,四、 超导材料的应用,1.超导磁体 可在大的空间内获得较强磁场。磁场的均匀性好。磁场的稳定性好。节约能源。重量轻，体积小。 2. 磁悬浮在列车 快速、安全、舒适 （振动小，噪音低） 3. 核磁共振 灵敏度高。 4. 输电电缆,57,第6章 材料的介电性能,将大部分非金属材料插入两个导体之间，会起分隔作用，既材料中不会产生电荷的长程迁移，但存在电荷的短程位移与运动。这类能产生电荷的短程位移与运动材料称为电介质材料。 材料的介电性能主要描述与电荷的短程位移与运动相关的物理性能。, 6.1 电介质基本概念,58,一、极化,电 介质在外加电场Ev/m作用下，正负电荷中心将发生偏移，即产生电偶极矩pcm。,单位体积中电偶极矩的总和称为极化强度PC/m2。即电介质中的电荷短程位移将抵消部分外电场。,总电荷中的自由电荷部分将构成一个与外电场同相的电场，而被极化抵消的另一部分电荷构成一与外电场