材料的電學(xué)性能

1、10.2 材料的電學(xué)性能材料的電學(xué)性能Electrical Properties of Materials電力電力機(jī)械、交通機(jī)械、交通電子、微電子電子、微電子日常生活日常生活材料的電學(xué)性能材料的電學(xué)性能(electrical property)直流電場(chǎng)直流電場(chǎng)交變電場(chǎng)交變電場(chǎng)介電性質(zhì)弱電場(chǎng)弱電場(chǎng) 導(dǎo)電性質(zhì)強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)電場(chǎng) 擊穿現(xiàn)象 材料表面材料表面靜電現(xiàn)象 不同材料電學(xué)性能的差異及其與組成和結(jié)構(gòu)的不同材料電學(xué)性能的差異及其與組成和結(jié)構(gòu)的關(guān)系關(guān)系 電導(dǎo)率和電阻率的定義、電導(dǎo)率和電阻率的定義、電導(dǎo)機(jī)制、電導(dǎo)率的電導(dǎo)機(jī)制、電導(dǎo)率的基本參數(shù)及影響因素基本參數(shù)及影響因素 材料的電子能帶結(jié)構(gòu)與電導(dǎo)性、光導(dǎo)性和

2、半導(dǎo)材料的電子能帶結(jié)構(gòu)與電導(dǎo)性、光導(dǎo)性和半導(dǎo)電性公式電性公式 超導(dǎo)電性的定義、超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性的定義、超導(dǎo)體的2 2種特性、種特性、3 3個(gè)性能個(gè)性能指標(biāo)指標(biāo) 介電常數(shù)的定義、介質(zhì)極化的三種機(jī)制，介電常數(shù)的定義、介質(zhì)極化的三種機(jī)制， 交變電場(chǎng)中的介電損耗的成因及影響因素交變電場(chǎng)中的介電損耗的成因及影響因素 擊穿強(qiáng)度的定義擊穿強(qiáng)度的定義 材料電性能與溫度的關(guān)系材料電性能與溫度的關(guān)系電導(dǎo)率電導(dǎo)率(electrical conductivity)和和電阻率電阻率 10.2.1 電導(dǎo)率和電阻率電導(dǎo)率和電阻率電阻率分電阻率分： 體積電阻率：體積電阻率： V , m表面電阻率表面電阻率： S , 電阻率電

3、阻率 1 、西門(mén)子西門(mén)子電導(dǎo)率電導(dǎo)率電導(dǎo)率電導(dǎo)率(electrical conductivity) (1) 表征表征材料導(dǎo)電性的大小材料導(dǎo)電性的大小。 單位：S. m-1, （.m）-1 根據(jù)電導(dǎo)率對(duì)材料的根據(jù)電導(dǎo)率對(duì)材料的分類(lèi)分類(lèi)2、 材料的分類(lèi)及其電導(dǎo)率材料的分類(lèi)及其電導(dǎo)率材料材料電阻率電阻率電導(dǎo)率電導(dǎo)率超導(dǎo)體超導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體絕緣體010-8-10-510-5-107107-1018105-10810-7-10510-18-10-7 不同材料的電導(dǎo)率不同材料的電導(dǎo)率舉例舉例金屬金屬 自由電子自由電子 電導(dǎo)率高電導(dǎo)率高 導(dǎo)電性好導(dǎo)電性好硅硅 半導(dǎo)體半導(dǎo)體離子固體離子固體 室溫

4、絕緣體室溫絕緣體 T高高 電導(dǎo)率大電導(dǎo)率大 （無(wú)機(jī)非金屬）（無(wú)機(jī)非金屬） 高分子高分子 雜質(zhì)致有導(dǎo)電性雜質(zhì)致有導(dǎo)電性 各種材料在室溫的電導(dǎo)率各種材料在室溫的電導(dǎo)率金屬和合金(-1.m-1)非金屬（-1.m-1）銀銀銅銅，工業(yè)純，工業(yè)純金金鋁鋁,工業(yè)純工業(yè)純 Al-1.2%,Mn 合金合金鈉鈉鎢，鎢， 工業(yè)純工業(yè)純黃銅黃銅（70%Cu-30%Zn鎳鎳,工業(yè)純工業(yè)純純鐵純鐵,工業(yè)純工業(yè)純鈦鈦,工業(yè)純工業(yè)純TiC不銹鋼，不銹鋼，301型型鎳鉻合金鎳鉻合金 (80%Ni-20%Cr）6.3*1075.85*1074.25*1073.45*1072.96*1072.1*1071.77*1071.66*1

5、071.46*1071.03*1070.24*1070.17*1070.14*1070.093*107石墨石墨SiC鍺，純硅硅，純苯酚甲醛（電木）窗玻璃 氧化鋁（Al2O3）云母甲基丙烯酸甲酯氧化鈹（BeO）聚乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯金剛石金剛石石英玻璃石英玻璃聚四氟乙烯聚四氟乙烯105 (平均平均)10 2.24.3*10-410-7-10-1110-1010-10-10-1210-11-10-1510-1210-12-10-1510-1410-1410-1410-1610-16結(jié)合原子的電子結(jié)構(gòu)討論結(jié)合原子的電子結(jié)構(gòu)討論如何理解材料的電導(dǎo)現(xiàn)象如何理解材料的電導(dǎo)現(xiàn)象，必須明，必須明確幾個(gè)問(wèn)題確幾

6、個(gè)問(wèn)題: 1. 參與遷移的是哪種參與遷移的是哪種載流子載流子有關(guān)載有關(guān)載流子流子類(lèi)別類(lèi)別的問(wèn)題的問(wèn)題 2. 載流子載流子的數(shù)量有多大的數(shù)量有多大有關(guān)載流有關(guān)載流子濃度、載流子子濃度、載流子產(chǎn)產(chǎn) 生生過(guò)程的問(wèn)題過(guò)程的問(wèn)題 3. 載流子載流子遷移速度的大小遷移速度的大小有關(guān)載有關(guān)載流子流子輸運(yùn)輸運(yùn)過(guò)程的問(wèn)題過(guò)程的問(wèn)題決定電導(dǎo)率的基本參數(shù)決定電導(dǎo)率的基本參數(shù) parameters 載流子類(lèi)型載流子類(lèi)型 charge carrier 電子、空穴、正離子、負(fù)離子 載流子數(shù)載流子數(shù) charge carrier density-n, 個(gè)個(gè)/m3 載流子遷移率載流子遷移率 electron mobility

7、 ( 物理意義為載流子在單位電場(chǎng)中的遷移速度) =/E m2/(v.s) 平均漂移速度（平均漂移速度（drift velocity），m/s電流密度電流密度（單位時(shí)間（單位時(shí)間（1s）通過(guò)單位截面積的電荷量）通過(guò)單位截面積的電荷量） Jnqv電導(dǎo)率電導(dǎo)率 =J/E=nqvE =nqiiiinq 影響因素影響因素影響影響離子電導(dǎo)率離子電導(dǎo)率的因素的因素 溫度溫度 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 晶格缺陷晶格缺陷(A)聲子聲子對(duì)遷移率的影響對(duì)遷移率的影響,可寫(xiě)成可寫(xiě)成L=aT-3/2 (B)雜質(zhì)離子雜質(zhì)離子對(duì)遷移率的影響對(duì)遷移率的影響,可寫(xiě)成可寫(xiě)成 I=bT3/2 影響影響電子電導(dǎo)率電子電導(dǎo)率的因素的因素溫度、

8、雜質(zhì)、缺陷溫度、雜質(zhì)、缺陷L111單質(zhì)金屬單質(zhì)金屬中主要的散射機(jī)制是電聲子相互作用,電導(dǎo)率的溫度關(guān)系為 T-1。半導(dǎo)體和絕緣體半導(dǎo)體和絕緣體的電導(dǎo)率隨溫度變化以指數(shù)函數(shù)增大 =0exp(-Eg/2kT) 影響影響半導(dǎo)體電導(dǎo)率半導(dǎo)體電導(dǎo)率的因素：的因素： k為為Boltzmann常數(shù)常數(shù)=8.62 10-5ev Eg為能帶間隙能為能帶間隙能材料的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性材料的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性Structures and Conductivity1、 材料的材料的電子結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性電子結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性 能帶能帶 electron energy band10.2.2 材料的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性材料的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性外層電子能級(jí)外層電

9、子能級(jí)N個(gè)原子個(gè)原子N個(gè)能級(jí)個(gè)能級(jí)重迭重迭分離分離Section 12.5(a) (b)金屬金屬Section 12.5（1）導(dǎo)體導(dǎo)體 conductor 堿金屬堿金屬 鋰、鈉、鉀鋰、鈉、鉀 鈉鈉（1S1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S1 1） 堿土金屬堿土金屬 鈹、鎂、鈣鈹、鎂、鈣 鎂（鎂（1S1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 2） 3S與與3P重迭重迭 貴金屬貴金屬 銅、銀、金銅、銀、金 銅（銅（1S1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 23P3P6 63d3d10104S4S1 1） 過(guò)渡金屬過(guò)渡金屬 鐵、鎳、鈷鐵、鎳、鈷 鐵鐵（1S1S2 22S

10、2S2 22P2P6 63S3S2 23P3P6 63d3d7 74S4S2 2）重迭重迭金屬中的自由電子都能導(dǎo)電嗎？金屬中的自由電子都能導(dǎo)電嗎？費(fèi)米能級(jí)理論費(fèi)米能級(jí)理論影響金屬導(dǎo)電性的因素影響金屬導(dǎo)電性的因素電阻率電阻率 溫度溫度: thermal vibration雜質(zhì)雜質(zhì): solid solution塑性形變塑性形變: dislocation散射散射電子局域：離子鍵電子局域：離子鍵 共價(jià)鍵共價(jià)鍵（2）絕緣體絕緣體 insulator離子固體的電導(dǎo)性離子固體的電導(dǎo)性離子性晶格缺陷的濃度離子性晶格缺陷的濃度溫度溫度晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)聚合物的電導(dǎo)性聚合物的電導(dǎo)性添加型添加型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型 Ala

11、n J. Heeger 1/3 of the prize USAUniversity of Californiaanta Barbara, CA, USAb. 1936發(fā)現(xiàn)并發(fā)展了導(dǎo)電聚合物發(fā)現(xiàn)并發(fā)展了導(dǎo)電聚合物 諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者 2000年年白白川川英英樹(shù)樹(shù)Hideki Shirakawa 1/3 of the prize Japan University of Tsukuba Tokyo, Japan b. 1936Alan G. MacDiarmid1/3 of the prizeUSAUniversity of PennsylvaniaPhiladelphia, P

12、A, USAb. 19271974年，白川英樹(shù)等人用年，白川英樹(shù)等人用Ziegler-Natta催化劑制備催化劑制備聚乙炔薄膜聚乙炔薄膜銅色（銅色（cis-，電導(dǎo)率，電導(dǎo)率108107 Scm1）銀色（銀色（trans-，電導(dǎo)率，電導(dǎo)率103102 Scm1）1977年，年， Heeger 、MacDiarmid 和白和白川英樹(shù)、發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚乙炔薄膜用川英樹(shù)、發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或或I2蒸氣氧化后，其電導(dǎo)率可提高蒸氣氧化后，其電導(dǎo)率可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)改變催化劑的制備幾個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)改變催化劑的制備方法和取向，方法和取向，電導(dǎo)率可達(dá)電導(dǎo)率可達(dá)105 Scm1。（Teflon為為101

13、6 Scm1，Cu為為108 Scm1 ）。）。圖 3 三維、二維和一維碳化合物材料共軛共軛能帶間隙隨聚合能帶間隙隨聚合物長(zhǎng)度的增加而物長(zhǎng)度的增加而減小減小摻雜摻雜 在聚合物上在聚合物上去掉或增加去掉或增加電子。電子。 氧化摻雜氧化摻雜（也稱(chēng)（也稱(chēng)P型摻雜）用鹵素?fù)诫s型摻雜）用鹵素?fù)诫s 還原摻雜還原摻雜（也稱(chēng)（也稱(chēng)n型摻雜）用堿金屬進(jìn)行：型摻雜）用堿金屬進(jìn)行：載流子載流子在共軛聚合物材料中的在共軛聚合物材料中的躍遷躍遷包含：包含： 沿單一共軛體系沿單一共軛體系的運(yùn)動(dòng)：阻力小或無(wú)的運(yùn)動(dòng)：阻力小或無(wú) 在在共軛體系之間共軛體系之間的躍遷：阻力大的躍遷：阻力大聚乙炔，其聚乙炔，其摻雜摻雜的電導(dǎo)率大的電

14、導(dǎo)率大幅度提高，摻雜到幅度提高，摻雜到6.67%時(shí)，時(shí)，能隙將消失。能隙將消失。 聚乙炔鏈上的共軛缺陷（載流子）聚乙炔鏈上的共軛缺陷（載流子） 陽(yáng)離子自由基的產(chǎn)生和移動(dòng)陽(yáng)離子自由基的產(chǎn)生和移動(dòng) 聚乙炔異構(gòu)化產(chǎn)生孤子及移動(dòng)聚乙炔異構(gòu)化產(chǎn)生孤子及移動(dòng)導(dǎo)電聚合物電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系導(dǎo)電聚合物電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系v 理想情況下，導(dǎo)電聚合物具有金屬導(dǎo)電性，且重理想情況下，導(dǎo)電聚合物具有金屬導(dǎo)電性，且重量輕、易加工、材料來(lái)源廣等特點(diǎn)量輕、易加工、材料來(lái)源廣等特點(diǎn)v 用作用作電極、電磁波屏蔽、抗靜電電極、電磁波屏蔽、抗靜電材料等材料等v 半導(dǎo)體器件和發(fā)光器件方面得應(yīng)用半導(dǎo)體器件和發(fā)光器件方面得應(yīng)用 聚合物電池、

15、電致變色顯示器、聚合物電池、電致變色顯示器、 電化學(xué)傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管、電化學(xué)傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管、 聚合物發(fā)光二極管聚合物發(fā)光二極管（LED） 導(dǎo)電聚合物的應(yīng)用導(dǎo)電聚合物的應(yīng)用（3）半導(dǎo)體）半導(dǎo)體 Semiconductors 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 Intrinsic semiconductors載流子載流子：自由電子自由電子，n, 負(fù)電荷負(fù)電荷 空穴空穴，hole p, 正電荷正電荷carrier雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 extrinsic semiconductorn n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 n-TYPE EXTRINSIC SEMICONDUCTION 在在SiSi、GeGe等四價(jià)元素等四價(jià)元素中摻

16、入少量中摻入少量五價(jià)元素五價(jià)元素P P、SbSb、BiBi、AsAs 在導(dǎo)帶附近形成摻雜的能級(jí)在導(dǎo)帶附近形成摻雜的能級(jí) 電子型導(dǎo)電電子型導(dǎo)電 p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 p-TYPE EXTRINSIC SEMICONDUCTION 在四價(jià)的四價(jià)的SiSi、GeGe等四價(jià)元素中摻入等四價(jià)元素中摻入B B、AlAl、ScSc、Y Y，在四價(jià)帶附近形成摻雜的能級(jí) 空穴型導(dǎo)電空穴型導(dǎo)電 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系熱激發(fā)熱激發(fā)分子軌道理論分子軌道理論受激態(tài)受激態(tài)可能的形式 ，* 狀態(tài) n，* 狀態(tài)， 含有N N、O O或或S S CT 狀態(tài)電荷轉(zhuǎn)移受激態(tài)電子給體基團(tuán)（如一電子給體基團(tuán)

17、（如一NHNH2 2，一，一0H0H）及受體）及受體基（基（C=0C=0，一，一N0N02 2）之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移）之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移 材料的電子結(jié)構(gòu)與光電導(dǎo)性材料的電子結(jié)構(gòu)與光電導(dǎo)性材料的電子結(jié)構(gòu)與光電導(dǎo)性材料的電子結(jié)構(gòu)與光電導(dǎo)性 photo-electrical(1)分子受激過(guò)程與能量交換分子受激過(guò)程與能量交換光電流激活能光電流激活能 EEJEIhv兩種構(gòu)型構(gòu)型: 單重態(tài)三重態(tài)2（2）光生載流子機(jī)理光生載流子機(jī)理10.2.3 材料的超導(dǎo)電性材料的超導(dǎo)電性1、 超導(dǎo)電性超導(dǎo)電性- (superconductivity)在一定低溫下材料突然失去在一定低溫下材料突然失去電阻的現(xiàn)象電阻的現(xiàn)象 （小于（

18、小于10-25cm）液氦，超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)液氦，超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者1913年年 Heike Kamerlingh Onnes the Netherlands Leiden University Leiden, the Netherlands b. 1853d. 1926汞，汞，4.2 K J. Georg Bednorz 1/2 of the prizeFederal Republic of Germany IBM Research Laboratoryb. 1950在陶瓷（金屬氧化物）中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，超導(dǎo)研究取得重大突在陶瓷（金屬氧化物）中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，超導(dǎo)研究取得

19、重大突破破, 諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者 1987年年K. Alexander Muller 1/2 of the prize Switzerland R黶黶chlikon,Switzerland b. 1927超導(dǎo)電性的金屬和合金超導(dǎo)電性的金屬和合金 Tc 30 K 鈦、釩、鋯、鈮、鉬、鉭、鎢、錸、鉍、鋁、錫、鎘鈦、釩、鋯、鈮、鉬、鉭、鎢、錸、鉍、鋁、錫、鎘等等28種。種。 二元合金二元合金NbTi，Tc810K； NbZr，Tc1011K。三元系合金有鈮三元系合金有鈮-鈦鈦-鋯，鋯，Tc=10 K；鈮；鈮-鈦鈦-鉭，鉭，Tc=910K。超導(dǎo)化合物超導(dǎo)化合物 Nb3Sn，Tc=18

20、185K； Nb3Ge，Tc232K，Nb3（AlGe），），Tc207K等等 超導(dǎo)電性的金屬氧化物超導(dǎo)電性的金屬氧化物 1960s Ba-Y-Cu-O系，系，35K, 1986, Bednorz, Muller Ba-Y-Cu-O系系, 100 K, 1987, 我國(guó)我國(guó)趙忠賢趙忠賢等等 Hg-Ba-Cu-O系，系，140 K2 、超導(dǎo)體的兩種特性：超導(dǎo)體的兩種特性： 完全導(dǎo)電性完全導(dǎo)電性 完全抗磁性完全抗磁性 磁感應(yīng)強(qiáng)度始終為零磁感應(yīng)強(qiáng)度始終為零3 、三個(gè)性能指標(biāo)三個(gè)性能指標(biāo)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc 愈高愈好愈高愈好 臨界磁場(chǎng)臨界磁場(chǎng)Hc 破壞超導(dǎo)態(tài)的最小磁場(chǎng)。破壞超導(dǎo)態(tài)的最小磁場(chǎng)。

21、隨溫度降低，隨溫度降低，Hc將增加；將增加； 當(dāng)當(dāng)TTc時(shí)時(shí), Hc=Hc,01-（T/Tc)2 臨界電流密度臨界電流密度Jc 保持超導(dǎo)狀態(tài)的最大輸入電流保持超導(dǎo)狀態(tài)的最大輸入電流 (與與Hc相關(guān)相關(guān))FIGURE 18.22 Critical temperature, current density, and magnetic field boundary separating superconducting and normal conducting states10.2.4 材料的介電性材料的介電性材料極化材料極化 1介質(zhì)極化、電容、介電常數(shù)介質(zhì)極化、電容、介電常數(shù)真空電容真空電容 Co

22、=Qo/V 0 A/ l 介質(zhì)中電容介質(zhì)中電容 CQ/V=A/l 。真空電容率(或真空介電常數(shù))，885xl0-12 Fm 介質(zhì)的電容率（或介電常數(shù)） permittivity(dielectric property)原因原因：材料極化極化 極化原因 電子極化電子極化 電子云 偏離中心 離子極化離子極化 取向極化取向極化（2） 介電常數(shù)介電常數(shù) dielectric constant, 表征電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下極化程度電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下極化程度的宏觀物理量。 電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù) r = C / C0 = /0 相對(duì)電容量，無(wú)量綱常數(shù)無(wú)量綱常數(shù)一些材料的一些材料的r 數(shù)值：數(shù)值： 石

23、英石英3.8； 絕緣陶瓷絕緣陶瓷6.0； PE2.3； PVC3.8高分子材料的高分子材料的r 由主鏈結(jié)構(gòu)中的鍵的由主鏈結(jié)構(gòu)中的鍵的性能和排列所決定的。性能和排列所決定的。某些材料的某些材料的介電常數(shù)介電常數(shù)（ T=25 =106Hx） 塑料和有機(jī)物塑料和有機(jī)物 玻玻 璃璃 無(wú)機(jī)晶態(tài)材料無(wú)機(jī)晶態(tài)材料聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（Tefton）2.1石英玻璃石英玻璃 3.8 氧化鋇氧化鋇 3.4聚異丁烯聚異丁烯 2.23 耐熱玻璃耐熱玻璃 38-39 云母云母 3.6聚乙烯聚乙烯 2.35 派勒克斯玻璃派勒克斯玻璃 4.0-6.0 氯化鉀氯化鉀 4.75聚苯乙烯聚苯乙烯 2.55 堿堿-石灰石灰-硅石玻璃硅石玻璃6.9 溴化鉀溴化鉀 4.9丁基橡膠丁基橡膠 256 高鉛板璃高鉛板璃 19.0 青石陶瓷青石陶瓷 4.5-5.4有機(jī)玻璃有機(jī)玻璃 2.63 （2MgO2Al2O3 3SiO4為基）為基）聚氯乙烯聚氯乙烯 3.3 金剛石金剛石 5.5聚酰胺聚酰胺66 3.33 鎂橄欖石鎂橄欖石 6.22 (Mg2SiO4） 聚酯聚酯 31-4.0 多鋁紅柱石多鋁紅柱石3Al2O3 6.6 2SiO2 酚甲醛酚甲醛 4.75 氟化鎳氟化鎳 9.0氯丁橡膠氯丁橡膠 6.26