材料的電學性能基礎-西工大

材料的電學性能基礎查鋼強zha_gq@導電性、超導電性、介電、壓電、鐵電、熱電思考電流的本質是電荷的定向移動（準確與否？？）自由電子的運動速度？電荷定向移動的速度？

電（電流）的傳播速度？60000m/s10m/s@1V/cm,1000cm2/Vs3.0×108m/s1、經(jīng)典電子理論

離子構成了晶格點陣,價電子是自由電子,遵循經(jīng)典力學氣體分子的運動規(guī)律；自由電子定向運動中，不斷與正離子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生電阻；金屬的導電性取決于自由電子的數(shù)量、平均自由程和平均運動速度；n－電子密度；e－電子電量；l－平均自由程；v－電子運動平均速度；m－電子質量導電理論的發(fā)展經(jīng)典電子理論－量子電子理論－能帶理論公式推導自由電子平均運動速度電子定向運動平均速度2、量子自由電子理論根本區(qū)別是自由電子的運動必須服從量子力學的規(guī)律。運動著的電子作為物質波。從粒子的觀點看，曲線表示自由電子的能量與速度(或動量)之間的關系；從波動的觀點看，曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關系；電子的波數(shù)越大，則能量越高；沒有加外加電場時自由電子沿正、反方向運動著電子數(shù)量相同，沒有電流產(chǎn)生；2、量子自由電子理論根本區(qū)別是自由電子的運動必須服從量子力學的規(guī)律。電子是費米子，導電的只是費米能級附近的電子，原子的內(nèi)層電子保持著單個原子時的能量狀態(tài)，價電子按量子化具有不同的能級電子具有波粒二象性．運動為著的電子作為物質波，有關系式：一價金屬中自由電子的動能EK為波數(shù)頻率，表征自由電子可能具有的能量狀態(tài)參數(shù)從粒子的觀點看，曲線表示自由電子的能量與速度(或動量)之間的關系；從波動的觀點看，曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關系；電子的波數(shù)越大，則能量越高；沒有加外加電場時自由電子沿正、反方向運動著電子數(shù)量相同，沒有電流產(chǎn)生；自由電子的E－K曲線在0K以上只有少數(shù)能量接近費米能的自由電子才可能躍遷到較高的能級中去。在室溫下大約只有1%的自由電子才能實現(xiàn)這個躍遷。這就成功地解釋了自由電子對比熱容的貢獻為何只是經(jīng)典電子理論計算出來的百分之一。不是所有的自由電子都能參與導電，在外電場的作用下，只有能量接近費密能的少部分電子，方有可能被激發(fā)到空能級上去而參與導電。這種真正參加導電的自由電子數(shù)被稱為有效電子數(shù)。

在外加電場的作用下，使正反向運動的電子數(shù)不等，使金屬導電，只有處于較高能態(tài)的自由電子參與導電；缺陷和雜質產(chǎn)生的靜態(tài)點陣畸變和熱振動引起的動態(tài)點陣畸變，對電磁波造成散射，形成電阻；nef－單位體積內(nèi)實際參加傳導的電子數(shù)；e－電子電量；l－平均自由程；v－電子運動平均速度；m*－電子有效質量μ－散射系數(shù)電場對E－K曲線的影響

3、能帶理論量子自由電子模型與實際情況有差別，例如：Mg是二價金屬，導電性比一價銅差；另外，量子力學認為電子有隧道效應，一切價電子都可以位移，為什么固體的導電性差別巨大？能帶理論解決；價電子是公有化、能量量子化，和量子自由電子理論一致；

金屬中由離子所造成的勢場不是均勻的，這個勢能不是常數(shù)，是位置的函數(shù)，采用單電子近似求解薛定鍔方程，得出電子在晶體中的能量狀態(tài)，將在能級的準連續(xù)譜上出現(xiàn)能隙，分為禁帶和允帶；價電子在金屬中的運動要受到周期場的作用;能帶發(fā)生分裂，即有某些能態(tài)是電子不能取值的;圖9-3周期場中電子運動的對E－K曲線及能帶電子和空穴空穴的定義空穴的性質有效質量霍爾效應空穴的定義電子從一個能帶躍遷到上一個能帶中去，在原能帶中留下一個空軌道，這個空軌道稱為空穴，空穴是一個幾乎充滿的能帶中的空軌道，它是在波矢空間的能帶中的概念，不是真實空間中失去電子后的空位，也不是原子離開原位置后留下的空位缺陷，在外加電磁場下，空穴的行為猶如一個帶電量為+e的粒子。

空穴的性質

（1）空穴的波矢是失去的哪個電子波矢的負值，既一個能帶若失去了一個空軌道，稱為空穴，空穴的波矢

空穴是描述失去了電子的能帶的簡捷方法，一個充滿的能帶失去了電子就產(chǎn)生了空軌道，空軌道的性質是與失去電子的能帶中的集體行為聯(lián)系在一起的（即拿一個電子，剩下2N-1個電子），也就是說失去了一個電子的能帶既可以用2N-1個電子的集體行為來描寫，也可以用一個空穴來描寫，空穴的行為是與2N-1個電子的集體行為聯(lián)系在一起的?？昭ㄊ羌傧蟮牧Ｗ樱菧孰x子，主要是為了處理問題方便而引入的，空穴的性質由幾乎充滿的電子的集體行為所決定。

有效質量的定義晶體中電子在恒定電場作用下*波包速度的詳細推導參加黃昆版《固體物理》*電子的有效質量由電子的能帶曲線的曲率來定義：

有效質量是波矢k的函數(shù)，通常[空穴和電子的]能帶曲線有中心反演對稱性，這兩條曲線的曲率是大小相等符號相反的，則可得到

負有效質量的意義：電子在移動中，從外電場中獲得的動量小于它傳給晶格的動量，所以其總動量減小?？昭ㄔ诖艌鲋械倪\動在外加電磁場中空穴的運動方程如一個帶電荷為+e的粒子的運動方程：布洛赫波的群速度：霍爾效應測得的是多電子體系在磁場中和周期性勢場作用下的電子作用

在外加電場的作用下，使正反向運動的電子數(shù)不等，從而導電；缺陷和雜質產(chǎn)生的靜態(tài)點陣畸變和熱振動引起的動態(tài)點陣畸變，對電子波造成散射，形成電阻；半滿帶導電，滿帶不導電能量傳遞的角度解釋滿帶不導電

能帶結構:允帶和禁帶交替，允帶中每個能級只能允許有兩個自旋相反的電子存在；滿帶電子不導電；

空能級：允帶中未被填滿電子的能級，空能級電子是自由的，參與導電，稱為導帶；

周期勢場的變化幅度越大，禁帶越寬導體、絕緣體、半導體能帶結構特點

能帶填充情況示意圖導體

允帶內(nèi)的能級未被填滿，允帶之間沒有禁帶或允帶相互重疊在外電場的作用下電子很容易從一個能級轉到另一個能級上去而產(chǎn)生電流．絕緣體

一個滿帶上面相鄰的是一個較寬的禁帶，由于滿帶中的電子沒有活動的余地，即使禁帶上面的能帶完全是空的，在外電場的作用下電子也很難跳過禁帶，即不能產(chǎn)生電流。半導體

半導體的能帶結構與絕緣體相同，不同的是它的禁帶比較窄半導體的能帶在外界作用下，價帶中的電子就有能量可能躍遷到導帶中去半導體材料能帶特征價帶、導帶及能帶間隙絕緣體、半導體和導體的簡化能帶圖a）絕緣體b）半導體c）導體半導體的平衡載流子濃度熱平衡狀態(tài)下，導帶中的電子濃度電子費米分布函數(shù)溫度T時，能量為E的量子態(tài)被一個電子占據(jù)的幾率空穴費米分布函數(shù)溫度T時，能量為E的量子態(tài)不被一個電子占據(jù)的幾率，（被空占據(jù)的幾率）電子的玻耳茲曼分布函數(shù)空穴的玻耳茲曼分布函數(shù)若E

-EF》k0T若EF-E》k0T導帶底附近的狀態(tài)密度價帶頂附近的狀態(tài)密度=NcNc：導帶的有效狀態(tài)密度，可以理解為把導帶中的所有量子態(tài)都集中在導帶底EC，而它的狀帶密度是Nc。熱平衡狀態(tài)下，價帶中的空穴濃度Nv：價帶的有效狀態(tài)密度，可以理解為把價帶中的所有量子態(tài)都集中在價帶頂EV，而它的狀帶密度是NV。n0和p0隨著溫度T和費米能級EF的不同而變化。電子和空穴的濃度乘積和費米能級無關。對一定的半導體材料，n0p0只取決于溫度T，與所含雜質無關。思考和理解：什么是費米能級？？本征半導體的載流子濃度

本征半導體中電子空穴成對出現(xiàn)，電子、空穴濃度相等，它們的濃度稱本征載流子濃度ni

ni=n0=p0結論：ni

與Eg關系密切，Eg

越大，ni

越小ni

與T關系密切，T越高，ni

越大半導體電學性能的三個基本方程靜電方程：電流密度方程：電流連續(xù)性方程：經(jīng)常也被稱為泊松方程，對于理解空間電荷、內(nèi)建電場、能帶彎曲、勢壘高度等是個基本的過程。尤其對于高阻半導體或者電介質材料的電學性能或者導電機理，作用更為明顯主要考慮的漂移電流和擴散電流，其中漂移電流部分是大家熟知的簡化的電導率公式，在應用過程中，有時需要特別注意擴散電流的影響。主要考慮的載流子的產(chǎn)生、復合和擴散

無機非金屬材料導電機理絕緣材料、電介質材料的電導機理離子晶體的導電機理導電高分子材料影響材料導電性的因素金屬材料：溫度、缺陷、組織、結構半導體材料溫度：熱敏光照：光敏壓力：壓敏磁場：磁敏氣氛：氣敏導電性的測量與測量

1908年Leiden大學的Kamerlingh－Onnes獲得了液氦，得到1K低溫。1911年發(fā)現(xiàn)在4.2K附件，水銀的電阻突然消失無法檢測，這種在一定溫度下材料失去電阻的現(xiàn)象。小于目前能檢測到的最小電阻率10-29Ω·cm

Tc：臨界轉變溫度可廣泛應用在NMR、粒子加速器、推進發(fā)動機、發(fā)電機、磁懸浮列車、核聚變、電能儲存系統(tǒng)、變壓器等§2材料的超導性能2.1

超導的概念Superconductor1911,OnnesfoundtheSupercondutormercury(Hg@4.2K)Resistivityis0.(<10-29Ω·cm)1933,Meissnereffect,B=0.1957,Bardeen,Cooper&Schrieffer(BCS)1972,BCS,Nobelprize1986,Ceramic,1987Nobelprize1987,YBCO2008,Iron-BasedSuperconductor2.2

超導的特點圖9-5超導態(tài)對磁通的排斥超導體的兩個基本特征1、完全導電性永久電流NbZr合金超導線制成的螺線管，估計超導電流衰減時間大于10萬年；超導體室溫放入磁場中，冷卻到低溫進入超導態(tài)，移開原磁場，感生電流沒有電阻長久存在；2、完全抗磁性邁斯納效應磁感應強度為0，屏蔽磁場和排除磁通，磁場穿透深度只有幾十nm。2.3

超導的性能指標超導體的三個性能指標1、臨界轉變溫度Tc

越高越好，有利于應用；目前金屬間氧化物轉變溫度最高的140K左右，金屬間化合物最高的Nb3Ge為23.3K；2、臨界磁場Hc

Tc以下將磁場作用于超導體，當磁場強度大于Hc時，磁力線穿入超導體，即磁場破壞了超導態(tài)；3、臨界電流密度

材料保持超導態(tài)的最大臨界電流密度

一些金屬低溫超導的臨界溫度和臨界磁場材料臨界溫度Tc(K)臨界磁場Hc(奧斯特)發(fā)現(xiàn)年代鎢(W)0.01299

鋁(Al)1.174293

銦(In)3.416412

汞(Hg)4.158031911鉛(Pb)7.219501913鈮(Nb)9.26

1930釩三硅(V3Si)17.024,5001953鈮三錫(Nb3Sn)18.1

1954鈮鋁鍺(Nb3Al0.75Ge0.35)21.0420,0001967鈮三鍺(Nb3Ge)23.2

19732.4

超導的理論模型1、庫柏電子對(BCS)

電子—聲子相互作用所產(chǎn)生電子對雜質原子和缺陷對電子對不能進行有效的散射并且預言在金屬和金屬間化合物中的超導體的Tc不超過30K2、高溫超導體模型

液氮溫度以上，如YBa2Cu3O7目前尚無統(tǒng)一的模型解釋其超導機理

1986年，日本田中昭二小組得到了LaBaCuO在30K以上的抗磁轉變和23K以上的零電阻轉變。由此引發(fā)了世界性的“高溫超導熱”。1987年美國朱經(jīng)武等用稀土元素Y代替Ba，獲得YBaCuO陶瓷的起始轉化溫度為100K，我國中科院趙忠賢小組也同時獨立發(fā)現(xiàn)了YBaCuO的超導性。結構基本特征是兩個CuO2平面中間有一層Y原子面，上下是BaO原子面，上下底是含Cu－O鏈的平面。Y、Ba占據(jù)A位置，Cu占據(jù)B位置，故也稱類鈣鈦礦結構。

2.5

高溫超導材料的研究現(xiàn)狀LaOFeAs是一種由絕緣的氧化鑭層（LaO）和金屬導電的砷鐵（FeAs）層交錯層疊而成、具有結晶構造的層狀化合物。氟離子的置換量超過3％后即會顯現(xiàn)出超導狀態(tài)，在11％左右得到了32K的最高臨界溫度。

2008年3月29日，趙忠賢院士領導的小組發(fā)現(xiàn)摻氟鐠氧鐵砷化合物的超導臨界溫度可達52K，4月初，該小組又發(fā)現(xiàn)在壓力環(huán)境下合成的無氟缺氧釤氧鐵砷化合物，其超導臨界溫度可進一步提升至55K?！?材料的介電特性3.1

介質極化一、極化概念

極化：介質在電場作用下產(chǎn)生感應電荷現(xiàn)象電介質(dielectric)：電場下能極化的材料電介質分類

1）非極性介質無外電場作用時．正負電荷中心重合,外電場越強，粒子的電偶極矩qu越大

2）極性介質分子存在固有電偶極矩電偶極矩轉向外電場方向外電場越強，電極化的程度越高電介質極化示意圖3)介質極化率α

單位電場強度下，介質粒子的電偶極矩的大小，表征材料的極化能力(F·m2)，只與材料的性質有關，是微觀極化參數(shù)4)介質極化強度P

電介質材料在電場作用下的極化程度，單位體積中的感生電偶極矩對于線性極化

n0－單位體積中的偶極子數(shù)；－偶極子平均電偶極矩位移式極化、松弛極化、轉向極化

1.位移極化

1）電子位移極化：電子云相對于原子核發(fā)生位移電子極化率依賴于頻率、與溫度無關

2）離子位移極化：交變電場作用下離子位移極化率與離子結構有關、與溫度無關二、極化基本形式2.松弛極化

與粒子的熱運動有關，是不可逆過程；1）電子松弛極化由弱束縛電子引起的電子能態(tài)發(fā)生變化，伴隨有能量的損耗，電子松弛極化建立的時間10-2-10-9s；2）離子松弛極化弱聯(lián)系離子產(chǎn)生的，僅作有限距離的遷移；

3.轉向極化

主要發(fā)生在極性介質中，偶極子在外電場中轉向，趨于一致；建立時間較長10-2-10-10s，轉向極化率比電子極化率高得多；三、介電常數(shù)1介電常數(shù)的概念

平板電容間有電介質時電容增加倍數(shù)（ε），是反映電介質極化行為的一個主要宏觀物理量；2恒定電場介電常數(shù)

1）電位移

方向從自由正電荷指向自由負電荷，極板間充以電介質后，電介質的極化作用，電位移加上極化強度P，D為電位移，ε0為真空介電常數(shù)，SI單位制中ε0＝8.85×10-12F/m；P為電極化強度，χ為電介質宏觀極化率，E為宏觀平均電場無介質下有電介質下2）相對介電常數(shù)

3交變電場介電常數(shù)復數(shù)矢量，矢量D和P滯后于矢量E，介電常數(shù)變成復數(shù)，若D滯后E一個相位角δ，損耗角，則a^ix=cos(x*lna)+isin(x*lna)

材料εr材料εr石蠟2.0-2.5LiF晶體9.27聚乙烯2.26云母晶體5.4-6.2聚氯乙烯4.45TiO2晶體86-170天然橡膠2.6-2.9TiO2陶瓷80-110酚醛樹脂5.1-8.6CaTiO3陶瓷130-150石英晶體4.27-4.34BaTiO3晶體1600-4500氧化鋁陶瓷9.5-11.2BaTiO3陶瓷1700NaCl晶體6.12常用材料的相對介電常數(shù)1)極化類型的影響2)溫度的影響3)頻率的影響電子極化發(fā)生在任何頻率；紫外光范圍只有電子位移極化，紅外光范圍，離子(原子)極化；頻率降低，各種極化有；4影響介電常數(shù)的因素介質損耗的基本概念

電介質在電場的作用下電能轉變熱能，單位時間內(nèi)因發(fā)熱損耗能量介質損耗越小越好，損耗不但耗能，而且由于溫度上升影響元器件正常工作。

3.2

介質損耗一、介質損耗概念1電導(或漏導)損耗存在漏電流，弱聯(lián)系帶電粒子(或空位)引起

2極化損耗松弛極化：建立時間較長10-2~10-3s所造成的介質損耗比較大；造成損耗原因：電矩滯后于外加電場引起

低頻率不產(chǎn)生極化損耗高頻率產(chǎn)生極化損耗3電離損耗由氣體電離所引起氣孔中承受的電場強度比固態(tài)絕緣物中所承受平均值要大；應盡量減少介質中的氣孔4結構損耗

晶體結構、缺陷雜質5宏觀結構不均勻的介質損耗

工程介質材料大多數(shù)是不均勻介質二、介質損耗分類1對漏導（電導）損耗的影響

溫度的升高，介質的電導率增大，所以損耗增大與頻率無關2對極化損耗的影響快極化無損耗，緩慢極化產(chǎn)生損耗頻率很低時介質損耗為零損耗隨著頻率的增大而增大頻率很高時僅由起始電導率決定損耗(極化過程無法建立)三、介質損耗影響因素

3溫度影響

溫度升高，使松弛極化容易發(fā)生溫度很低時，弛豫時間很長，弛豫極化來不及建立，所以損耗很小。損耗隨著溫度升高而增大當溫度升高至某一值時，弛豫時間減小到使弛豫極化在外加電壓的半周內(nèi)完全建立，此時損耗出現(xiàn)一極大值電導損耗往往與弛豫極化損耗同時存在

1介電強度：承受的最大電場強度2固體介質的擊穿是不可逆過程3氣體及液體介質的擊穿是可逆過程4擊穿電壓與材料本身和外界因素有關5電介質的擊穿形式電擊穿、熱擊穿、化學擊穿6擊穿形式取決于器件的缺陷和電場的特性和工作條件

一個器件的擊穿通常有一種是主要、決定的形式

一、絕緣材料的破壞3.3

絕緣材料的抗電強度§4材料的熱電性能§

4.1

材料的熱電效應一、塞貝克效應

溫度作用改變材料電性能參數(shù)

1821年，德國物理學家塞貝克發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，兩接觸處的溫度不同時，回路中會產(chǎn)生電流，稱作“塞貝克效應（Seebeckeffect），其實質由于不同的金屬材料所具有的自由電子密度不同，當兩種不同的金屬導體接觸時，在接觸面上就會發(fā)生電子擴散。電子的擴散速率與兩導體的電子密度和接觸區(qū)的溫度成正比。二、帕爾帖效應

1834年，法國Peltier用銅線－鉍線實驗發(fā)現(xiàn)，接觸點處有熱量變化，稱為帕爾帖效應；1837年，俄國物理學家愣次又發(fā)現(xiàn)，電流的方向決定了吸收還是產(chǎn)生熱量，發(fā)熱（制冷）量的多少與電流的大小成正比;

原因：實質是兩種金屬接觸時存在接觸電勢，正向通電時，吸熱，反向放熱。電流是電子的運動。在不同的導電材料中，電子所處能級并不相同。若從低能級運動至高能級，就需要將部分動能轉化為勢能，速度降低。微觀運動速度是溫度的表征，表現(xiàn)在宏觀上，就是溫度的下降。反之則是溫度升高。吸收和放出的熱量稱為帕爾帖熱QP：PAB為帕爾帖系數(shù)，和金屬性質溫度有關，I－電流，t－通電時間；實驗測定時，正反通電流，測得的熱量減掉焦耳熱；

帕耳帖效應是Seebeck效應的逆過程。Seebeck效應是在兩種導電材料的接合處通過溫差來產(chǎn)生電壓，帕耳帖效應就是讓施加有電壓的兩種導電材料產(chǎn)生溫差。通過改變電流的方向，讓設備產(chǎn)熱或是制冷?，F(xiàn)在選擇半導體材料，一端連接P型半導體，一端連N型。通常P型的帕耳帖系數(shù)為正，N型為負，這樣就可以保證相對系數(shù)較大，增大產(chǎn)生的溫差。－飲水機制冷，CCD制冷(代替液氮)、電子冰箱；制冷優(yōu)點：首先是環(huán)保，無氟利昂泄露，也沒有壓縮機噪音。其次結構可靠，本身沒有移動部件，簡單電路，制作維護方便。另外成本低廉。缺點是制冷效應效率低、制冷速度慢，并不適合追求大面積或是高速的場合。三、湯姆遜效應

1851年，湯姆遜利用他所創(chuàng)立的熱力學原理將塞貝克效應和帕爾帖系數(shù)之間建立了聯(lián)系，從理論上預言了一種新的溫差電效應，即當電流在溫度不均勻的導體中流過時，導體除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱為湯姆遜熱）?；蛘叻催^來，當一根金屬棒的兩端溫度不同時，金屬棒兩端會形成電勢差。這一現(xiàn)象叫湯姆遜效應（Thomsoneffect）；解釋：金屬中溫度不均勻時，溫度高處的自由電子比溫度低處的自由電子動能大。像氣體一樣，當溫度不均勻時會產(chǎn)生熱擴散，因此自由電子從溫度高端向溫度低端擴散，在低溫端堆積起來，從而在導體內(nèi)形成電場，在金屬棒兩端便引成一個電勢差。這種自由電子的擴散作用一直進行到電場力對電子的作用與電子的熱擴散平衡為止。湯姆遜效應是導體兩端有溫差時產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象，帕爾帖效應是帶電導體的兩端產(chǎn)生溫差（其中的一端產(chǎn)生熱量，另一端吸收熱量）的現(xiàn)象，兩者結合起來就構成了塞貝克效應。

§4.2

熱電效應的應用包括以下幾個方面：1、通過熱電性測試，分析金屬材料組織結構轉變，如合金時效、馬氏體回火；2、利用賽貝克效應制作熱電偶測溫；3、利用帕爾帖效應實現(xiàn)電致冷；兩支異種材料焊接，要求：它們的熱電勢與溫度關系具有良好的線性關系；具有較大的熱電勢系數(shù)；具有穩(wěn)定的可重復性；應用之一：熱電偶常用的熱電偶型號材料使用溫度使用氣氛S鉑銠10-鉑1300氧化、惰性R鉑銠13-鉑1300氧化、惰性B鉑銠30-鉑銠61600氧化、惰性N鎳鉻硅-鎳硅-200~1300℃氧化、惰性K鎳鉻-鎳硅-200~1200℃氧化、惰性E鎳鉻10-銅鎳(55:45)-250~870℃氧化、惰性J鐵-銅鎳-200~750℃真空，氧化，還原和惰性T銅-銅鎳-200~350℃真空/還原/惰性W-ReW/(W-26Re)、(W-3Re)/(W-25Re)、(W-5Re)/(W-26Re)、(W-5Re)/(W-20Re)-1800~2200℃真空/還原/惰性應用之二：熱電制冷1、制冷效果公式：2、目前常用的熱電材料，按照溫度分三類：1)低溫區(qū)(300-400℃):Bi2Te3、Sb2Te3、HgTe、Bi2Se3、ZnSb；2)中溫區(qū)(400-700℃):PbTe、SbTe、Bi(SiSb2)3)高溫區(qū)(＞700℃):CrSi2、FeSi2、CoSip、n分別是p、n型半導體材料，Tc－熱端溫度，ΔTj－連接處溫差，Z－熱電材料靈敏值，S、κe、ρ分別為賽貝克系數(shù)、熱導率、電阻率電子制冷低溫培養(yǎng)箱4.4熱釋電效應一、概念與機理(Pyroelectricity)定義：由于溫度的改變使材料極化強度改變的現(xiàn)象；一般出現(xiàn)在不對稱的、具有自發(fā)極化的鈣鈦礦晶體上，如BaTiO3；電氣石－成分復雜的硼硅酸鹽礦物，俗稱碧璽，[(Na,Ca)(Mg,Fe)3B3Al6Si6(O,OH,Fe)31]原因：溫度改變導致離子間距、鍵角變化，自發(fā)極化強度P變化，被自發(fā)極化束縛在表面的屏蔽電荷失去平衡，使得晶體呈現(xiàn)出帶電狀態(tài)或者在閉合回路中產(chǎn)生電流；電氣石二、熱釋電性能參數(shù)熱釋電常數(shù)p：自發(fā)極化強度改變量除以溫差：ΔP/ΔT，單位C/cm2·K三、常用熱釋電材料TGS：硫酸三甘肽[(NH2CH2COOH)3H2SO4,在大部分紅外區(qū)域都有良好的吸收特性，在室溫下是目前已知材料中最大的熱電系數(shù)。它適于制作快速寬頻紅外熱電探測器和視象管，可用于二氧化碳激光(10.6μm)和氫化氰(337μm)的適當材料。TGS晶體材料熱釋電常數(shù)p相對介電常數(shù)居里溫度(℃)TGS4.8×1083549SBN6.5380115PbTiO36.0200470LiTiO32.334618PZT2.0380270LiNbO30.4301200PVF20.2411120部分熱釋電材料的性能熱釋電材料的應用－熱釋電探測器

采用鐵鈦酸鉛汞陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘酞等配合濾光鏡片窗口，其極化隨溫度的變化而變化。對熱釋電材料的要求是:吸收能量后可以使溫度迅速升高，而溫度變化引起的自發(fā)極化變化大，吸收紅外光的能力極強，介電常數(shù)小并且損耗小。采用TGS晶體制作能夠長期穩(wěn)定的工作，靈敏度高，抗干擾性強；適合于人體感應，因此常被用來根據(jù)人體的感應實現(xiàn)自動電燈開關、自動洗手龍頭開關、自動門開關、防火防盜報警開關、自動統(tǒng)計人流量計等功能。

由PZT材料作為傳感器的敏感元件，在它的上下兩面制作電極，并在表面涂敷一層黑色氧化膜以提高其轉化效率。當PZT材料有紅外線照射時，其表面溫度發(fā)生變化，晶體內(nèi)部原子排列也隨之發(fā)生變化，因而引發(fā)極化電荷，產(chǎn)生電壓輸出?？梢詮V泛地用于各種“開關型”控制電路中?！?材料的壓電和鐵電性能§

5.1

壓電性能一、概念和原理1880年居里兄弟α石英單晶上發(fā)現(xiàn)，特定方向加力，在力的垂直方向出現(xiàn)束縛電荷；定義：沒有電場作用由機械應力作用而使電介質晶體產(chǎn)生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象正壓電：晶體受力時一定方向產(chǎn)生束縛電荷，電荷密度大小與所加力大小正比；機械能轉變?yōu)殡娔苣鎵弘姡和怆妶鲎饔孟拢w某些方向產(chǎn)生形變(諧振)的現(xiàn)象；電能轉變?yōu)闄C械能piezoelectric

晶體不受外力作用，正、負電荷的中心重合，因而晶體表面無荷電．對晶體施加機械力時，晶體會發(fā)生形變，改變了原子相對位置，晶體若有對稱中心，只要作用力沒有破壞其對稱結構，正負電荷對稱排列不改變，不會產(chǎn)生凈電偶極矩；若晶體無對稱中心，加上外力后，正負電荷中心不再重合，產(chǎn)生凈電偶極矩，因此，壓電體必須是離子晶體或者離子團組成的分子晶體；二、壓電材料性能參數(shù)1介電常數(shù)反映材料的介電性質(或極化性能),受力下不同2介質損耗表征介電發(fā)熱導致的能量損耗3彈性系數(shù)壓電體是一個彈性體，服從虎克定律4壓電常數(shù)機械能轉變?yōu)殡娔芑螂娔苻D變?yōu)闄C械能的轉換系數(shù)5機械品質因數(shù)表征諧振時因克服內(nèi)摩擦而消耗的能量Qm6機電耦合系數(shù)表征機械能與電能相互轉換能力三、常用壓電材料及應用1、無機壓電材料分為壓電陶瓷和壓電晶體，壓電陶瓷包括鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等；壓電晶體包括石英晶體、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鈮酸鋰、鉭酸鋰等。壓電陶瓷壓電性強、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀，但機械品質因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應用，但對高頻、高穩(wěn)定應用不理想。石英等壓電單晶壓電性弱，介電常數(shù)很低，存在尺寸局限，但穩(wěn)定性很高，機械品質因子高，多用來作標準頻率控制的振子、高選擇性的濾波器以及高頻、高溫超聲換能器等。2、有機壓電材料，又稱壓電聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）。這類材料材質柔韌，低密度，低阻抗和高壓電常數(shù)，現(xiàn)在水聲超聲測量，壓力傳感，引燃引爆等方面獲得應用。不足之處是壓電應變常數(shù)（d）偏低，使之作為有源發(fā)射換能器受到很大的限制。

3、復合壓電材料，這類材料是在有機聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、或粉末狀壓電材料構成的。至今已在水聲、電聲、超聲、醫(yī)學等領域得到廣泛的應用。它制成的水聲換能器，不僅具有高的靜水壓響應速率，而且耐沖擊，不易受損?！?/p>

5.2

鐵電性能一、概念和特點鈦酸鋇(ferroelectricity)概念：晶體具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化有兩個或多個可能的取向，在電場作用下其取向可以隨電場改變,非線性變化；特點：①具有電滯回線②具有結構相變溫度，即居里點Tc③具有臨界特性概念：鐵電體的極化強度P與外加電場E之間呈非線性關系，極化強度隨外電場反向而反向．電滯回線

外電場增加時，電疇擴大，極化強度增加(OA)；當電場增大到所有反向電疇均反轉到外場方向時，晶體成單疇體，晶體的極化達到飽和(C)，極化強度最大值Pmax,在縱軸上的外推線性截距Ps稱為飽和極化強度．當電場開始減小時，極化強度將沿CB曲線逐漸下降．E=0，極化強度下降到某一數(shù)值Pr(鐵電體的剩余極化強度)．改變電場方向，沿負方向增加到Ec時，P降至零，反向電場再繼續(xù)增加，極化強度反向，Ec稱為鐵電體的矯頑場強．隨著反向電場的繼續(xù)增加，極化強度沿負方向繼續(xù)增加，并達到負方向的飽和值(-Ps)，晶體變?yōu)樨撓驑O化的單疇晶體.

當電場由高的負值變化到高的正值時，正向電疇又形成生長，直至整個晶體再一次變成具有正向極化的單疇晶體，極化強度沿曲線FGH回到C點。電滯回線oABCGHFEPTc：溫度達到某一溫度以上時，由于熱運動的結果，偶極子從電場的束縛中解放出來，使自由能G下降．當T＞Tc自發(fā)極化為零，非鐵電相或順電相，當T＜Tc存在自發(fā)極化，晶體呈現(xiàn)鐵電性，為鐵電相。①居里點晶體存在兩個或多個鐵電相時，順電—鐵電相變溫度②相變溫度或過渡溫度晶體從一個鐵電相到另一個鐵電相的轉變溫度③上、下鐵電居里溫度Tc

有的晶體在一溫度區(qū)間內(nèi)為鐵電相，這類晶體有上下兩個鐵電居里溫度Tc，如羅息鹽(KNaC4H4O6·4H2O),在24～－18℃之間為鐵電相，24℃為上鐵電溫度，－18℃下Tc居里溫度定義：晶體在相變點附近所發(fā)生的各種性能反常變化，包括介電性質、壓電性、彈性、光學性質、熱學性質臨界特性

鐵電晶體在發(fā)生順電－鐵電相變時，最重要的是材料介電性能的變化．遵循居里－外斯定律：BaTiO3的介電常數(shù)與溫度的關系二、鐵電疇1）電疇的基本概念鐵電體內(nèi)部自發(fā)極化方向一致的區(qū)域稱為電疇或鐵電疇；相鄰兩電疇之間的過渡層（即界面）稱為疇壁。產(chǎn)生電滯回線原因：鐵電體是由鐵電疇組