材料電學(xué)性能unit2-浙江大學(xué)材料物理性能筆記

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上2.1. 固體電子理論1.經(jīng)典自由電子學(xué)說自由電子在晶體中的行為如同氣體，故又稱電子氣體困難： 1）實(shí)測(cè)的電子對(duì)熱容的貢獻(xiàn)比經(jīng)典自由電子學(xué)說估計(jì)值小得多 2）實(shí)際測(cè)量的電子平均自由程比經(jīng)典理論估計(jì)值大許多 3）絕緣體、半導(dǎo)體、金屬導(dǎo)體導(dǎo)電性為何存在巨大差異2.量子自由電子學(xué)說電子的能量是不連續(xù)的，而是存在一準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)量子自由電子學(xué)說尚無法解釋為何絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的導(dǎo)電性能存在巨大差異量子自由電子學(xué)說的局限是忽略了周期勢(shì)場(chǎng)的影響態(tài)密度物理意義：?jiǎn)挝荒芰糠秶鷥?nèi)所能容納的電子數(shù)費(fèi)米能表示0K時(shí)基態(tài)系統(tǒng)電子所占有的最高能級(jí)的能量, 可以認(rèn)為費(fèi)米能不隨溫度變化3. 有了能

2、帶概念，就可以說明金屬和絕緣體的區(qū)別，并且由能帶理論預(yù)言了介于兩者之間的半導(dǎo)體的存在單電子近似:假定固體中的原子核不動(dòng)，并設(shè)想每個(gè)電子是在固定的原子核的勢(shì)場(chǎng)中及其它電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，這樣就把問題簡(jiǎn)化成單電子問題，這種方法稱為單電子近似能帶論: 用單電子近似法處理晶體中電子能譜的理論緊束縛近似:如果用相反的思維過程，即先考慮電子完全被原子核束縛，然后再考慮近似束縛的電子，也可以得到能帶概念，這種方法稱為緊束縛近似原子基態(tài)價(jià)電子能級(jí)分裂而成的能帶稱為價(jià)帶，相應(yīng)于價(jià)帶以上的能帶（即第一激發(fā)態(tài)）稱為導(dǎo)帶金屬:熱能（T>0K）或電場(chǎng)所產(chǎn)生的能量足以將大量電子激發(fā)成為自由電子絕緣體與半導(dǎo)體:半導(dǎo)

3、體與絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)相同，差別僅在于禁帶的寬度價(jià)帶頂部并無空能級(jí)，要產(chǎn)生自由電子和電子空穴必須使電子跨越禁帶以進(jìn)入導(dǎo)帶，所需能量較大。一般地，激發(fā)能量由熱或光提供，而非由電場(chǎng)提供非晶態(tài)： 擴(kuò)展態(tài)：電子可在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)的電子態(tài) 定域化 定域態(tài)的能量被局限在一個(gè)范圍內(nèi) 遷移率邊：擴(kuò)展態(tài)和定域態(tài)之間有一個(gè)能量的分界2.2. 材料電導(dǎo)性能電導(dǎo)率：=nze（v/E） n為單位體積電粒子數(shù)目=v/E 遷移率 （單位電場(chǎng)作用下帶電粒子漂移速度）=nze散射越弱，(松弛時(shí)間)越大，遷移率也就越高晶格散射：晶格振動(dòng)引起的散射。溫度，晶格振動(dòng)，晶格散射對(duì)于低摻雜半導(dǎo)體：隨T升高而大幅度下降電離雜質(zhì)散射：電離雜質(zhì)

4、產(chǎn)生的正負(fù)電中心對(duì)載流子的吸引或排斥作用產(chǎn)生的散射。溫度，載流子運(yùn)動(dòng)速度，所受吸引和排斥作用的影響，散射作用對(duì)于高摻雜：隨T升高變化小本征半導(dǎo)體：載流子只由半導(dǎo)體晶格本身提供，即電性由純物質(zhì)本身電子結(jié)構(gòu)決定本征電導(dǎo)：導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電和價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電同時(shí)存在的電導(dǎo)現(xiàn)象特征：本征電導(dǎo)的載流子電子和空穴的濃度是相等的，載流子是由熱激發(fā)產(chǎn)生的，載流子濃度與溫度成指數(shù)關(guān)系n=Nexp-Eg/(2kT) N為等效狀態(tài)密度可見，對(duì)于本征半導(dǎo)體，載流子濃度隨禁帶寬度的增加而快速減小，隨溫度增大而快速增加“多余”的電子所處雜質(zhì)能級(jí)稱為施主能級(jí),摻入施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體空穴所處雜質(zhì)能級(jí)稱為受主能級(jí)，摻

5、入受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度與溫度的關(guān)系也符合指數(shù)規(guī)律本征電導(dǎo)率：=0exp-Eg/(2kT)低溫時(shí)，本征項(xiàng)起主要作用高溫時(shí)，雜質(zhì)項(xiàng)起主要作用離子導(dǎo)電：離子電導(dǎo)的微觀機(jī)制為離子的擴(kuò)散影響因素：1）溫度 2）晶體結(jié)構(gòu)：Tm/結(jié)構(gòu)緊密，晶體結(jié)合力，活化能，電導(dǎo)率3）晶格缺陷： 熱激活缺陷 不等價(jià)固溶缺陷 非化學(xué)計(jì)量比缺陷在含有堿金屬離子的玻璃中，基本上表現(xiàn)為離子電導(dǎo)雙堿效應(yīng)：是指當(dāng)玻璃中堿金屬離子總濃度較大時(shí)（占玻璃組成2530%），在堿金屬離子總濃度相同的情況下，含兩種堿金屬離子比含一種堿金屬離子的玻璃電導(dǎo)率要小。當(dāng)兩種堿金屬濃度比例適當(dāng)時(shí)，電導(dǎo)率可以降到很低壓堿效應(yīng)：

6、是指含堿玻璃中加入二價(jià)金屬氧化物，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導(dǎo)率降低。相應(yīng)的陽離子半徑越大，這種效應(yīng)越強(qiáng)電子波的散射是金屬中存在電阻的根本原因?qū)е律⑸湓颍壕Ц裾駝?dòng)，晶體缺陷在一定的低溫條件下材料突然失去電阻的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性 超導(dǎo)體兩特性 完全導(dǎo)電性 完全抗磁性 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc：低于Tc時(shí)，超導(dǎo)體便出現(xiàn)完全導(dǎo)電和邁斯納效應(yīng)等基本特三個(gè)性能指標(biāo) 臨界磁場(chǎng)Bc：磁場(chǎng)高于Bc，磁力線穿入超導(dǎo)體，超導(dǎo)體被破壞，成為正常態(tài) 臨界電流密度Jc：Jc為保持超導(dǎo)狀態(tài)的最大輸入電流，輸入電流密度JC所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)之和超過BC，超導(dǎo)態(tài)遭到破壞 2.3.材料介電性能電介質(zhì)(或介電質(zhì))：電場(chǎng)作用下，能建

7、立極化的一切物質(zhì)（電絕緣物質(zhì)）電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象C=S/d r大小反映了電介質(zhì)極化的能力 為介電常數(shù)極化：介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)(原子、分子、離子)正負(fù)電荷中心的分離，轉(zhuǎn)變成偶極子的現(xiàn)象極化的基本特征是介質(zhì)內(nèi)部感應(yīng)出電偶極矩，介質(zhì)表面出現(xiàn)宏觀束縛電荷 電子位移極化極化的種類有 離子位移極化 固有電偶極子轉(zhuǎn)向極化 D = E =E + P P= E =r-1為介電磁化率極化的基本形式可分為兩種：位移式極化：是一種彈性的、瞬時(shí)完成的極化，不消耗能量，電子位移極化、離子位移極化屬這種情況松弛式極化：極化與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，完成這種極化需要一定的時(shí)間，而且是非彈性的，因而要消耗一定的能量

8、，電子松弛極化、離子松弛極化屬這種類型1)電子位移極化：在外電場(chǎng)作用下，原子或離子外圍的電子云相對(duì)于正電荷原子核發(fā)生位移形成的極化叫電子位移極化。一切電介質(zhì)中都存在，Tr 表現(xiàn)為負(fù)溫度系數(shù)2)離子位移極化：由離子構(gòu)成的電介質(zhì)，在電場(chǎng)作用下，正負(fù)離子發(fā)生相對(duì)位移，產(chǎn)生感應(yīng)電偶極矩，即為離子位移極化Tr，表現(xiàn)為正溫度系數(shù)3)材料中存在著弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛質(zhì)點(diǎn)時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)使這些松弛質(zhì)點(diǎn)分布混亂而無電偶極矩，在電場(chǎng)作用下，質(zhì)點(diǎn)沿電場(chǎng)方向做不均勻分布而在一定的溫度下形成電偶極矩，使介質(zhì)發(fā)生極化。這種極化具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，叫做熱松弛極化離子參加極化的幾率遠(yuǎn)大于參加電導(dǎo)的幾率離子松弛極化率比電子位移極

9、化率和離子位移極化率大一個(gè)數(shù)量級(jí)，因而導(dǎo)致較大的介電常數(shù)頻率很高時(shí)，離子松弛極化來不及建立，只存在電子和離子位移極化。因而介電常數(shù)隨頻率升高明顯下降 外加電場(chǎng)力圖使弱束縛電子的轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)具有方向性，這就形成了極化狀態(tài)。這種極化與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，也是一個(gè)熱松弛過程，所以叫電子松弛極化。電子松弛極化的過程是不可逆的，必然有能量的損耗 弱束縛電子和自由電子也不同：不能自由運(yùn)動(dòng)，即不能遠(yuǎn)程遷移4)轉(zhuǎn)向極化主要發(fā)生在極性分子介質(zhì)中，具有恒定偶極矩p0的分子稱為極性分子當(dāng)極性分子受到外電場(chǎng)作用時(shí)，偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)向，趨于和外加電場(chǎng)方向一致，介質(zhì)整體出現(xiàn)宏觀偶極矩，這種極化現(xiàn)象稱為偶極子轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化一般需要較長(zhǎng)時(shí)

10、間，介電常數(shù)具有負(fù)溫度系數(shù)5)在電場(chǎng)作用下，不均勻介質(zhì)內(nèi)部的正負(fù)間隙離子分別向負(fù)、正極移動(dòng)，引起介質(zhì)內(nèi)各點(diǎn)離子密度變化，即出現(xiàn)電偶極矩，這種極化叫做空間電荷極化空間電荷極化隨溫度升高而下降?？臻g電荷的建立需要較長(zhǎng)的時(shí)間6)自發(fā)極化：每個(gè)晶胞里存在固有電偶極矩的晶體稱為極性晶體電介質(zhì)損耗：Q越大，損耗越小 介質(zhì)損耗的微觀機(jī)理:1）電導(dǎo)（漏導(dǎo)）損耗 電場(chǎng)頻率w很小時(shí)，所有極化都能建立，最大2）極化損耗 w升高時(shí)，松弛極化減弱，會(huì)減弱 w很高時(shí)，趨于平衡 3）共振吸收損耗 當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱介電強(qiáng)度的破壞，或叫介質(zhì)的擊穿，相應(yīng)的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度稱為介電強(qiáng)度

11、，或稱為擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度 電擊穿：少數(shù)電導(dǎo)的電子在被加速，碰撞打出電子，或者說激發(fā)了價(jià)帶中的 擊穿類型 電子到導(dǎo)帶上去了。形成雪崩，產(chǎn)生電擊穿 熱擊穿 局部放電擊穿2.4.材料鐵電性能機(jī)械作用使某些電介質(zhì)晶體變形而發(fā)生極化，并導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷為壓電效應(yīng)溫度的變化也可使某些晶體產(chǎn)生極化，在其表面上產(chǎn)生數(shù)量相等符號(hào)相反的電荷為熱釋電效應(yīng)鐵電體：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化性質(zhì)，并且自發(fā)極化方向可隨外電場(chǎng)作可逆轉(zhuǎn)動(dòng)的晶體鐵電性：鐵電體所具有的自發(fā)極化性質(zhì)鐵電晶體一定是極性晶體，但并非所有的極性晶體都具有這種自發(fā)極化可隨外電場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的性質(zhì)鐵電晶體可分為：有序無序型鐵電體和位移型鐵電體自

12、發(fā)極化包括兩部分：1）直接由離子位移而產(chǎn)生，約占總極化的392）由離子的電子云的形變而產(chǎn)生出現(xiàn)自發(fā)極化的必要條件是：晶體結(jié)構(gòu)不具有對(duì)稱中心不具有對(duì)稱中心的晶體并非都有自發(fā)極化效應(yīng)。如CaTiO3但在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，各晶胞的自發(fā)極化方向都相同，這個(gè)小區(qū)域稱為鐵電疇，兩疇之間的界壁稱為疇壁鐵電疇在外電場(chǎng)作用下，總是要趨向于與外電場(chǎng)方向一致，這形象地稱作電疇的“轉(zhuǎn)向”人工極化：鐵電疇在外電場(chǎng)作用下的“轉(zhuǎn)向”，使得鐵電材料具有宏觀極化強(qiáng)度的工藝過程剩余極化：當(dāng)外加電場(chǎng)撤去后，有小部分電疇偏離極化方向，恢復(fù)原位，大部分電疇則停留在新轉(zhuǎn)向的極化方向上，使材料仍具有宏觀剩余極化強(qiáng)度PS：飽和極化強(qiáng)度或自發(fā)極化強(qiáng)度； Pr：剩余極化強(qiáng)度； EC：矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度還有一