FH14-材料的电学性能1资料.ppt

1、材料性能学,付华 石家庄铁道大学,第14章 材料的电学性能 14.1 导电性能 14.2 热电性能 14.3 半导体导电性的敏感效应 14.4 介质极化与介电性能 14.5 绝缘材料的抗电强度,第二部分 材料的物理性能,14.1 导电性能,电子填充的性质及能带结构； 电阻对材料的组织结构变化十分敏感。,I=U/R R=L/s,：电阻率（m） 10-2m导体 1010m绝缘体 10-2 1010m半导体,物质导电性差异显著-结构：,14.1.1 导电机理,经典自由电子理论,一、 金属及半导体的导电机理,量子自由电子理论,能带理论,解释： 导电机理：电流的产生； 电阻的产生。,1、经典电子理论：,

2、正离子：,价电子：,电阻的产生： 自由电子与正离子碰撞。,形成均匀的电场。,完全自由地分布、运动, 类似经典力学气体分子运动。,一、 金属及半导体的导电机理,导电机理：外电场作用下，自由电子定向运动。,存在问题： n越大，但2/3价金属的导电性比一价差。 据气体动力学，电阻率应该正比于T1/2， 但实际上T。 不能解释超导现象 （认为0K时自由电子能量为0）。,：电子平均运动的速度 ， n：单位体积内的自由电子数， l：电子两次碰撞的平均距离（自由程）,电导率：,t: 相邻电子2次碰撞的时间间隔。,A族：高。,周期系中各元素的变化规律：,A族，A族： 降低。,B 最高 。 AgCuAuAlMg

3、CaNa,2、量子力学自由电子理论,内层电子：处于单个原子时的能量状态。,正离子：,价电子：,均匀的电场。,自由运动，服从量子力学规律，具有 量子化能级，电子波（波函数）。,K：波数频率，表征自由电子具有的能量状态的参数。,薛定谔,电子波运动：,一价金属自由电子的动能E：,不同能级下只存在一对正反方向运动的一对电子。,费米（Fermi）能级Ef ：0 k时电子具有的最高能级； 不同金属有不同的固定值。,电子由低到高 填满能级。,在0 k，自由电子仍具有能量。 （经典电子理论认为0 k时电子能量为0）。,Enrico Fermi （1901-1954 ）,生于意大利罗马，美国物理学家。 兼具杰出

4、的理论家和天才试验家。 “中子物理学之父”。 1934年用中子轰击原子核产生人工放射现象，“慢中子”更易引起核反应。 1938年诺贝尔物理奖 。 1941年底，费米在哥伦比亚大学 主持建造世界上第一座原子反应堆。 1fm=10-15m,无外电场E 电子分布对称，无电流,加外场E， 电子沿+E方向被加速。,绝大多数电子仍对称，不参与导电。 只有接近Ef的少量电子激发到空能级上参与导电（正向运动E）,导电机理,电阻的形成：,电子波在传播过程中被点阵离子散射后相互干涉电阻。,超导现象： 温度0 k，纯理想完整晶体散射为0， 电子波无阻传播，R=0,缺陷、杂质、热振动点阵畸变 散射电子波电阻 R,ne

5、f ：靠近Ef 顶部的少数自由电子， 单位体积内参与导电的有效电子数。,不同材料nef不同， 一价金属的nef比二、三价金属多，导电性好。,电导率：,t：两次反射之间的平均时间； p：单位时间内散射的次数，散射几率。,量子自由电子理论较好地解释了金属导电的本质， 但它假定金属中的离子所产生的势场是均匀的， 与实际情况有一定差异。,3、能带理论,禁带： 允带：满带 空带（导带）,正离子：,价电子：,电场不均匀，呈周期性变化，周期势场。,自由运动，量子化能级，在周期势场 的作用下发生能带分裂；,能带填充：,在外电场作用下电子易从一个能级 转到另一能级上去。,电子 n型,空穴 P型,1价：价电子只填

6、满s能带的一半， S与P重叠区宽， 电子在S或P中 容易跃迁，加速程度大，导电性好。,2价：价电子填满S，少量电子进入P区，导电性良好。 （sp）,3价：2N个电子 填满S， N个电子填充一部分P带。 导电性好于2价（pp）。,二、无机非金属导电机理：,陶瓷、玻璃、高分子材料,带电粒子的定向运动：载流子定向运动：,金属：,无机非：,电子式电导,离子 离子空穴,离子式电导,电子 电子空穴,自由电子,1、离子晶体导电机理：,NaCl，AgBr, MgO 离子与离子空位电导： 离子处于间隙位置，留下空位。,2、玻璃导电机理：,本征离子电导：点阵离子的热运动。 杂质离子电导：低温,-SiO2- 网络绝

7、缘 某些离子在结构中的可动性。Na+钠玻璃,半导体玻璃：电子导电。,14.1.2 超导电性,1911年，Onnes，水银，T=4.2K, R=0 TTcR=0， 超导体是等电位的， 无电场（内）,1、性能特点：,完全导电性； 完全抗磁性：,The Nobel Prize in Physics 1913 for his investigations on the properties of matter at low temperatures which led, inter alia, to the production of liquid helium,Heike Kamerlingh-On

8、nes (1853-1926),2、性能指标：,TTc(临界转变温度),临界磁场Hc： TTc时，HHc时 磁力线破坏超导体。,临界电流密度Jc： 保持超导态的最大 输入电流。,3、理论模型：,超导现象的物理本质：最著名：BCS理论（Bardeen-Cooper-Schriffer）,电子e1的运动使周围正离子被吸引而向其靠拢，该区域正电荷密度增加吸引临近的电子e2，克服静电斥力，使e1,e2结成电子对Cooper电子对。,John Bardeen (1908-1991) Leon Neil Cooper (1930-) and John Robert Schrieffer (1931-),T

9、he Nobel Prize in Physics 1972 for their jointly developed theory of superconductivity, usually called the BCS-theory,电子对间通过晶格点阵振动的格波相互作用， 而不是正常态的静电斥力。 Cooper电子对的总能量相等，电子间的吸引力最大，最稳定。,一个Cooper电子对的能量比它的2个单独正常态的电子能量低2，T=0K时，能隙2最大。,超导态，电子对在运动中的总能量保持不变。 晶格散射e1电子使能量改变时，e2能量产生相反的等量变化。 电阻为0.,14.1.3 影响材料导电性的

10、因素,温度、成分、结构、杂质及缺陷浓度和迁移率。,（一）金属材料,1、温度：,；,对nef /几乎无影响 （Ef及其分布f受T的影响很小）,离子振动加剧，原子无序度，周期势场涨落，t减少，散射几率P增加R.,TD, =0(1+T), ：电阻温度系数，410-3/,TD， T5,T2K, T2。T0,0,散射：电子间的相互作用。 实际上=（残留电阻，点阵畸变/缺陷引起）,Matthiessen Rule:, 为与杂质、晶格缺陷 ( 点/ 线/面缺陷)有 关 的 电 阻 率; t为 与 温 度 有 关 的 电阻率。,=+t,2、冷塑变：,点阵畸变，晶体缺陷/空位散射；,回复，再结晶R；,拉应力原子间距，畸变 压应力 （电子结构，Ef、能带结构发生变化）,极限压力下，金刚石/S/P/Si/Ge等变为导体。,3、合金化：, 固溶体：,A、总规律：晶格畸变，散射， 组元间化学作用nef ,有序化：点阵规律性加强，电子波散射, 金属化合物：,离子键，共价键形成, 多相合金：,对组织结构敏感（组成相的导电性，相对量，形状、大小、分布）,14.1.4 电阻测量及应用,1.单电桥法： 误差较大（附加电阻大）适用110试样。,2、双电桥法： 高灵敏度栓流计， 可测小电阻 10-61。 丝、棒状，尺寸精度高， 真空保护气氛中防氧化。,3、电位差