多媒體教案-材料物理性能學(xué)-02-材料的電性能-201609-au

1、材料物理性能學(xué)-02材料的電性能材料科學(xué)與工程學(xué)院：馬永昌 第二章 材料的電性能 2.0 引言 2.1 電子類(lèi)載流子導(dǎo)電 2.2 離子類(lèi)載流子導(dǎo)電 2.3 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制 2.4 超導(dǎo)電性簡(jiǎn)介 2.5 電性能測(cè)量2.0 引言 材料的導(dǎo)電性能是材料的重要物理性能之一 電流是電荷的定向運(yùn)動(dòng)；電荷的載體稱(chēng)為載流子 載流子可以是電子、空穴或正負(fù)離子。 表征某種載流子對(duì)于總體電導(dǎo)貢獻(xiàn)的是輸運(yùn)數(shù)：tx=x/ T 各種載流子的遷移數(shù)ti+，ti-，th+，te- 當(dāng)ti0.99時(shí)，這樣的材料成為離子(電)導(dǎo)體， 0ti0.99 的材料稱(chēng)為混合(電)導(dǎo)體。 表征材料電性能的主要參量是電導(dǎo)率。 電導(dǎo)率由歐姆定

2、律給出：J=E，V=I R 材料的電阻：R=L/S 工程中也用相對(duì)電導(dǎo)率IACS%來(lái)表征導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。 將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軟純銅（20C下電阻率為=0.01724mm2/m）的電導(dǎo)率作為100%，例如Fe的IACS為17%，Al為65%思考： 通常狀況下，某一種材料的IACS可大于100%？IACS=International Annealed Copper Standard 國(guó)際退火(軟)銅標(biāo)準(zhǔn)vmlnee2vmlenFef*2vmlnee2 實(shí)際的金屬中一定會(huì)含有少量的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)原子使得金屬晶體正常有序的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，這將引起散射：-1=-1T+-1D，其中前者與僅溫度有關(guān)，由晶格振

3、動(dòng)引起，后者僅與雜質(zhì)濃度有關(guān)?？傠娮璋ń饘俚幕倦娮韬碗s質(zhì)濃度引起的電阻 MatthiessenMatthiessen Rule Rule.高溫時(shí)，-1T為主，低溫時(shí)，-1D為主。稀磁合金的低溫電阻反常現(xiàn)象：近藤(Kondo)效應(yīng)。（磁性雜質(zhì)的貢獻(xiàn)）REVIEWS OF MODERN PHYSICS, VOLUME 75, 2003 鐵磁性金屬在發(fā)生鐵磁性轉(zhuǎn)變時(shí)，電阻率將會(huì)出現(xiàn)反常。 R-T的線(xiàn)性關(guān)系在居里點(diǎn)以上適用，而在居里點(diǎn)以下不適用。研究表明在接近居里點(diǎn)時(shí)，鐵磁金屬或合金的電阻率反常降低量與其自發(fā)磁化的強(qiáng)度Ms的平方成正比。鐵磁金屬或合金的電阻率與d 電子和s電子的相互作用有關(guān)。2.1

4、.2 電阻率與壓力的關(guān)系 在流體靜壓壓縮時(shí)（高達(dá)1.2 GPa），大多數(shù)金屬的電阻率都會(huì)下降。這是由于巨大壓力條件下，金屬晶體的原子間距縮小，內(nèi)部的缺陷形態(tài)、電子結(jié)構(gòu)和費(fèi)米能級(jí)都會(huì)發(fā)生變化，顯然會(huì)影響金屬的導(dǎo)電性能。 從壓力對(duì)電阻率的影響角度來(lái)看，有正常金屬（壓力增加，電阻率下降）和反常金屬（壓力增加，電阻率增加）。 堿金屬和稀土金屬大多屬反常情況，還有Ca、Sr、Bi等。2.1.3 冷加工和缺陷對(duì)于電阻率的影響 冷加工一般使得金屬的電阻率增加，原因是冷加工后的金屬晶體內(nèi)缺陷和晶格畸變將會(huì)大大增加。導(dǎo)致材料降低到0 K時(shí)會(huì)存在有剩余電阻。2.1.4 電阻率的尺寸效應(yīng) 我們前面所說(shuō)的是宏觀物質(zhì)。

5、當(dāng)電子的平均自由程與樣品的尺寸可比時(shí)，試樣的尺寸效應(yīng)就會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。2.1.5 電阻率的各向異性 主要是在單晶體中體現(xiàn)出。但是一般來(lái)說(shuō)在對(duì)稱(chēng)性較高的立方晶系中電阻為各向同性，各向異性主要體現(xiàn)在對(duì)稱(chēng)性較低的六方、四方、斜方和菱面體中。 例如高溫超導(dǎo)體，過(guò)渡金屬氧化物等。2.1.6 固溶體的電阻率 什么是固溶體？ 形成固溶體時(shí)，合金的導(dǎo)電性能降低。 分析固溶體電阻率時(shí)的核心：是有序的晶格點(diǎn)陣還是無(wú)序的點(diǎn)陣對(duì)電子的散射。有序時(shí)散射弱，電阻率降低；無(wú)序則散射強(qiáng)，電阻率增加。* 簡(jiǎn)單金屬的交流電導(dǎo)率 可變頻率電場(chǎng)下，金屬的交流電導(dǎo)率公式：一定要知道該如何求的方法。 參見(jiàn)求直流電導(dǎo)率的方法。趨膚效應(yīng):亦稱(chēng)為

6、“集膚效應(yīng)”。交變電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，由于感應(yīng)作用引起導(dǎo)體截面上電流分布不均勻，愈近導(dǎo)體表面電流密度越大。這種現(xiàn)象稱(chēng)“趨膚效應(yīng)”。趨膚效應(yīng)使導(dǎo)體的有效電阻增加。當(dāng)電流的頻率在1kHz以下時(shí)，趨膚效應(yīng)不明顯，而達(dá)到100kHz時(shí)，電流明顯地集中于表面附近。 頻率越高，趨膚效應(yīng)越顯著。當(dāng)頻率很高的電流通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，可以認(rèn)為電流只在導(dǎo)線(xiàn)表面上很薄的一層中流過(guò)，這等效于導(dǎo)線(xiàn)的截面減小，電阻增大。既然導(dǎo)線(xiàn)的中心部分幾乎沒(méi)有電流通過(guò)，就可以把這中心部分除去以節(jié)約材料。因此，在高頻電路中可以采用空心導(dǎo)線(xiàn)代替實(shí)心導(dǎo)線(xiàn)。此外，為了削弱趨膚效應(yīng)，在高頻電路中也往往使用多股相互絕緣細(xì)導(dǎo)線(xiàn)編織成束來(lái)代替同樣截面積的粗導(dǎo)線(xiàn)，

7、這種多股線(xiàn)束稱(chēng)為辮線(xiàn)。2.2 離子類(lèi)載流子導(dǎo)電我們?yōu)槭裁匆芯侩x子的導(dǎo)電性能？ 離子導(dǎo)電是帶有電荷的離子載流子在電場(chǎng)的作用下發(fā)生的電荷定向運(yùn)動(dòng)。 熱振動(dòng)形成的熱缺陷導(dǎo)電，本征導(dǎo)電。（高溫下顯著） 與晶格聯(lián)系較弱的雜質(zhì)離子導(dǎo)電。（低溫下顯著）2.2.1 離子電導(dǎo)理論 離子導(dǎo)電性可以認(rèn)為是離子類(lèi)載流子在電場(chǎng)的作用下發(fā)生的長(zhǎng)距離的遷移。 電荷載流子是材料內(nèi)最容易移動(dòng)的離子。 對(duì)于硅化物玻璃，一價(jià)的堿金屬陽(yáng)離子最容易移動(dòng)；對(duì)于多晶陶瓷材料，晶界處堿金屬離子的遷移是離子導(dǎo)電的主體，同樣它也是快離子導(dǎo)體中的主要導(dǎo)電機(jī)制。xuABdxuABdTkuhTkPBBexp 加入電場(chǎng)后，勢(shì)壘能量的降低量為：zeEd

8、/2。這樣，離子在x方向越過(guò)勢(shì)壘向右躍遷的幾率PR為：TkzeEduhTkPBBR2/exp21因此在電場(chǎng)的方向上將存在一個(gè)平均的漂移速度v。 v=常數(shù)expzeEd/(2kBT) 其中z為離子的電荷數(shù)，d為勢(shì)阱之間的距離。2.2.2 離子電導(dǎo)與擴(kuò)散 離子的尺寸和質(zhì)量都比電子要大得多，在固體體系中其運(yùn)動(dòng)方式是從一個(gè)平衡位置（勢(shì)阱）到另一個(gè)平衡位置（勢(shì)阱）。從另外一個(gè)角度看，可以認(rèn)為離子導(dǎo)電是離子在電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散現(xiàn)象。由Nernst-Einstein方程描述。離子導(dǎo)電的影響因素 1）溫度的影響：從前面的公式可以看出，溫度是以指數(shù)的形式影響其電導(dǎo)率。低溫時(shí)，雜質(zhì)導(dǎo)電；高溫時(shí)，本征導(dǎo)電。 2）離子

9、性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)的影響：離子不同、晶格結(jié)構(gòu)不同都會(huì)導(dǎo)致離子導(dǎo)電的激活能不同，（離子要想導(dǎo)電必須激活后才可以）。熔點(diǎn)高的晶體如金剛石、離子化合物等，它們的原子間鍵合力大，相應(yīng)的導(dǎo)電激活能就高，電導(dǎo)率就低。 例如：NaFNaClNaI 216169118 (kJ/mol) 一價(jià)正離子尺寸小，電荷少，活化能低；高價(jià)則鍵合強(qiáng)，激活能高，電導(dǎo)率小。 晶格結(jié)構(gòu)的影響是提供有利還是不利的離子移動(dòng)“通路”。離子在晶格間隙大的體系中容易移動(dòng)。 不同尺寸的二價(jià)離子在20Na2O20MO60SiO2對(duì)體系電阻率的影響。2.2.3 快離子導(dǎo)體 快離子導(dǎo)體的一般特征：具有離子導(dǎo)電的固體物質(zhì)稱(chēng)為固體電解質(zhì)。有些固體電解質(zhì)的

10、電導(dǎo)率比正常離子化合物的電導(dǎo)率高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，稱(chēng)為快離子導(dǎo)體或最佳離子導(dǎo)體或超離子導(dǎo)體。 1/ Ag和Cu的鹵族和硫族化合物，這些物質(zhì)里金屬原子鍵合位置相對(duì)隨意；2/ 具有-氧化鋁結(jié)構(gòu)的高遷移率的單價(jià)陽(yáng)離子氧化物；3/ 具有CaF結(jié)構(gòu)的高濃度缺陷氧化物如：CaOZrO2等。2.3 半導(dǎo)體材料帶隙較小的絕緣體材料，在室溫時(shí)會(huì)有熱激發(fā)到導(dǎo)帶的電子參與導(dǎo)電，同時(shí)價(jià)帶留下的空穴也參與導(dǎo)電?？昭▽?dǎo)電的本質(zhì)依然是電子的運(yùn)動(dòng)。滿(mǎn)帶電子不導(dǎo)電，要想導(dǎo)電就要有非滿(mǎn)帶。滿(mǎn)帶電子不導(dǎo)電，要想導(dǎo)電就要有非滿(mǎn)帶。要么就不是電子機(jī)制的導(dǎo)電。要么就不是電子機(jī)制的導(dǎo)電。 絕緣體：insulator 半導(dǎo)體：semi-condu

11、ctor 導(dǎo)體：conductor 超導(dǎo)體：super-conductor* 能隙：gap 費(fèi)米能級(jí)：Fermi level 空穴：hole 正(負(fù))電荷：positive (negative) charge 晶體管：transistor 二極管：diode 一提到半導(dǎo)體，就離不開(kāi)晶體管。管這個(gè)概念是從電子管借過(guò)來(lái)用的，現(xiàn)在的半導(dǎo)體元件管狀的不多見(jiàn)，尤其集成電路中。晶體管的發(fā)明 肖克萊、巴丁、布拉頓（美國(guó)）貝爾實(shí)驗(yàn)肖克萊、巴丁、布拉頓（美國(guó)）貝爾實(shí)驗(yàn)室，室，1948年年6月正式申請(qǐng)專(zhuān)利。月正式申請(qǐng)專(zhuān)利。 BARDEEN, John1908 (Madison, Wisconsin, USA)-

12、1991; Contribution to the understanding of electrical conductivity in semiconductors and metals and co-invention of the transistor; The Nobel Prize in Physics 1956 (transistor) and 1972 (superconductors).各自的布里淵區(qū)是什么？本征半導(dǎo)體 就是純凈的半導(dǎo)體，是對(duì)應(yīng)摻雜而言的。 半導(dǎo)體中載流子數(shù)量的計(jì)算（0k時(shí)有嗎？） 費(fèi)米能級(jí)的位置 本征半導(dǎo)體的激發(fā)（光激發(fā)和熱激發(fā)）處在基態(tài)和激發(fā)態(tài)的半導(dǎo)體近滿(mǎn)

13、帶近滿(mǎn)帶本征半導(dǎo)體的摻雜類(lèi)氫模型摻雜半導(dǎo)體-雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體P-N結(jié)P-N結(jié)2.4 超導(dǎo)體2.4.1 超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)2.4.2 超導(dǎo)體的屬性特征2.4.3 超導(dǎo)電性的模型2.4.4 超導(dǎo)體的應(yīng)用Heike Kamerlingh Onnes（1853-1926）1913 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)： 對(duì)物質(zhì)低溫性質(zhì)的研究和液氦的制備1908年He液化，1911發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性超導(dǎo)電性荷蘭 萊頓實(shí)驗(yàn)室近年，零電阻上限：近年，零電阻上限：1010-26 -26 （cmcm）1. 超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)2. 超導(dǎo)體的基本特征 1零電阻特性：臨界溫度以下體系電阻為零 2完全抗磁性：臨界溫度以下體系磁化率為

14、1 以上兩者缺一不可。 超導(dǎo)電性可以用“二流體模型”描述。超導(dǎo)態(tài)體系的總能量要低于正常態(tài)體系的總能量。 考慮一塊純凈的金屬單晶體，在0K下，它的電阻為零嗎？它是超導(dǎo)體嗎？（在現(xiàn)有理論下）超導(dǎo)體完全抗磁性實(shí)驗(yàn)，磁體在超導(dǎo)相變后懸浮nature physics | VOL 2 | 2006 | 133|EDITORIAL3. 二流體模型 二流體模型是1934年戈特和卡西米爾提出的一種唯象理論模型，為了解釋零電阻、完全抗磁性和比熱容躍變等。 該模型認(rèn)為： 超導(dǎo)體中存在有兩類(lèi)共有化電子，一類(lèi)是超導(dǎo)電子，另一類(lèi)是正常電子。超導(dǎo)電子與晶格振動(dòng)無(wú)相互作用，無(wú)能量動(dòng)量的交換，即不受聲子的散射，不攜帶熵。而正常

15、電子則剛好與之相反。溫度越低，超導(dǎo)電子數(shù)密度越大，體系能量越低，越是有序。 實(shí)驗(yàn)得出：ns/n=1-(T/Tc)4超導(dǎo)體的倫敦穿透深度 = （m/0nse2）1/2 ，由于ns與溫度有關(guān)，所以與溫度也就有關(guān)系。 (T)=0/1-(T/Tc)41/2，接近Tc時(shí)趨于無(wú)窮 兩類(lèi)超導(dǎo)體，磁通量子化，三個(gè)臨界參數(shù)，比熱容躍變，相干長(zhǎng)度等。 合金或金屬多數(shù)屬于低溫超導(dǎo)范疇。直到1986年以前，是1973年發(fā)現(xiàn)的Nb3Ge為T(mén)c最高，23.2K。超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的進(jìn)展液氮77 K4. 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 強(qiáng)電應(yīng)用：超導(dǎo)儲(chǔ)能，核磁共振儀，強(qiáng)磁性方面的應(yīng)用； 弱電應(yīng)用：極弱磁信號(hào)的檢測(cè)，超導(dǎo)開(kāi)關(guān)； 新電壓標(biāo)準(zhǔn)等。 正

16、式掛網(wǎng)運(yùn)行的35kV/90MVA超導(dǎo)限流器2.5 電阻測(cè)試方法 雙電橋法：?jiǎn)伪垭姌蜻m合測(cè)量范圍10106歐姆（引線(xiàn)電阻和接觸電阻影響其測(cè)量范圍和靈敏度）；而雙臂電橋的測(cè)量范圍可以達(dá)到10-110-6歐姆。電位差計(jì)法 比較雙臂電橋和電位差計(jì)法，當(dāng)樣品電阻隨溫度發(fā)生變化時(shí)，用電位差計(jì)法比雙電橋法精度高，這是因?yàn)殡p電橋法在高溫和低溫電阻時(shí)，較長(zhǎng)的陰線(xiàn)和接觸電阻很難消除。電位差計(jì)法的優(yōu)點(diǎn)在于導(dǎo)線(xiàn)或引線(xiàn)的電阻不影響電位差計(jì)的電勢(shì)Vx和Vn的測(cè)量。精密電位差計(jì)可以測(cè)量0.1微伏的微小電勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)四電極法*載流子集體運(yùn)動(dòng)對(duì)體系載流子集體運(yùn)動(dòng)對(duì)體系電輸運(yùn)性能的影響電輸運(yùn)性能的影響天津理工大學(xué)天津理工大學(xué) 材料科

17、學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 馬永昌馬永昌 典型的電荷密度波材料結(jié)構(gòu)(a)K2Pt(CN)4Br0.3 3.2H2O (b)(NbSe4)2I (c)K0.3MoO3。共同特征具有一維的鏈狀結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)一維體系電荷密度波材料的形態(tài)(a)一維線(xiàn)性金屬正常的狀態(tài)。(b) 一維線(xiàn)性金屬基態(tài)。晶格中原子遠(yuǎn)-近-遠(yuǎn)-近交替分配，空間電荷密度周期性分布。( (格波動(dòng)則密度波動(dòng)格波動(dòng)則密度波動(dòng)) )正常時(shí)，密度波被雜質(zhì)或缺陷釘扎；如果外界電勢(shì)差高于VT,則密度波這個(gè)電子集團(tuán)開(kāi)始滑移PRL 59,1849 (1987)S. Bhattacharya et. alPHYSICAL REVIEW B 88, 125

18、144 (2013)S. G. Zybtsev and V. Ya. Pokrovskii電荷集體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致頻率鎖定，直流交流干涉效應(yīng)，開(kāi)關(guān)效應(yīng)，射頻微波探測(cè)；類(lèi)孤子波傳輸類(lèi)孤子波傳輸。本征型的。PRL 108, 036404 (2012)J. H. Miller, Jr. et. al電荷密度波樣品制備準(zhǔn)3維Sr3Ir4Sn13, Ca3Ir4Sn13,BaBiO3準(zhǔn)2維NbSe2, TaSe2, TaS2, NbS2, TiSe2, RETe3人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的電荷密度波材料準(zhǔn)1維NbSe3, TaSe3, TaS3, NbS3, (TaSe4)2I, (NbSe4)2I, NbTe4, TaT

19、e4,ZrTe5, K0.3MoO3,Tl0.3MoO3, TTF-TCNQ2.6 電介質(zhì)材料簡(jiǎn)介 真空理想平行板電容器真空理想平行板電容器+真空理想的平行板電容器模型真空理想的平行板電容器模型外加電壓外加電壓U0，充入電荷，充入電荷Q0以此為基，看插入電介質(zhì)后的平行板電容器以此為基，看插入電介質(zhì)后的平行板電容器外加電場(chǎng)外加電場(chǎng)E，使得電容器充電，使得電容器充電外加電場(chǎng)后，電介質(zhì)極化，產(chǎn)生附加內(nèi)電場(chǎng)外加電場(chǎng)后，電介質(zhì)極化，產(chǎn)生附加內(nèi)電場(chǎng)E*這是一個(gè)永遠(yuǎn)都會(huì)成立的自然規(guī)律，只要電介質(zhì)這是一個(gè)永遠(yuǎn)都會(huì)成立的自然規(guī)律，只要電介質(zhì)在微觀上是由正負(fù)電荷組成即可。在微觀上是由正負(fù)電荷組成即可。附加內(nèi)電場(chǎng)附加內(nèi)電場(chǎng)E*產(chǎn)生