導(dǎo)電性測(cè)量及在材料科學(xué)研究中的 (2)課件

導(dǎo)電性測(cè)量及在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用材料的電阻率和電導(dǎo)率電阻R與導(dǎo)體的長(zhǎng)度成正比,與導(dǎo)體的截面積成反比，因此式中為電阻率，為表示材料導(dǎo)電性質(zhì)的物理參數(shù)。一般在電阻分析中所要測(cè)量的電阻值都很小,故其單位常用(cm)表示。電導(dǎo)率和電阻率的關(guān)系為

上式表明，越小，則越大，材料的導(dǎo)電性能就越好，電導(dǎo)率的單位為(S/m)。根據(jù)導(dǎo)電性能的好壞,常把材料分為導(dǎo)體、非導(dǎo)體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體的值小于10-8m，所有的金屬均屬于良導(dǎo)體，它是金屬的基本特征之一。非導(dǎo)體的值都在1012~1020m，值界于10-4~107m之間的屬于半導(dǎo)體。影響電阻的因素環(huán)境因素的影響環(huán)境因素是指產(chǎn)生晶格點(diǎn)陣畸變的外界條件，主要指溫度和應(yīng)力。一、溫度在理想完整的晶體中，電子的散射只取決于溫度所造成的點(diǎn)陣動(dòng)畸變，即金屬的電阻取決于離子的熱振動(dòng)。當(dāng)溫度高于德拜溫度D時(shí)，純金屬的電阻和溫度成正比。式中，為電阻溫度系數(shù)。過(guò)渡族金屬，特別是鐵磁金屬值較大，約為10-2量級(jí)，其它金屬約為10-3量級(jí)。一般金屬，當(dāng)溫度接近0K時(shí)，仍有一定的電阻。但對(duì)于超導(dǎo)體，當(dāng)溫度低于某臨界溫度時(shí)電阻下降為零。

組織結(jié)構(gòu)的影響組織結(jié)構(gòu)是影響電阻的內(nèi)部因素，金屬的結(jié)構(gòu)取決于塑性形變及熱處理工藝。一、塑性形變塑性形變使金屬的電阻率增大，其原因是由于形變使點(diǎn)陣產(chǎn)生缺陷和畸變，從而導(dǎo)致電子波的散射增強(qiáng)。此外，冷加工還可能引起原子間的結(jié)合性質(zhì)發(fā)生變化，從而對(duì)電阻產(chǎn)生影響。如果用0表示表示未經(jīng)加工硬化金屬的電阻率，表示加工硬化產(chǎn)生的附加電阻率，則金屬加工硬化后的電阻率=

0+從電阻和溫度的關(guān)系可知，當(dāng)溫度降低時(shí)0減小，在0K時(shí)趨近于零。附加電阻率則不然，它只受加工程度的影響，與溫度無(wú)關(guān)，即使是溫度為0K時(shí)它仍然存在，故稱為殘留電阻。/隨溫度的降低而增大，所以用低溫測(cè)量電阻法研究金屬的加工硬化是很合適的。

二、熱處理形變和應(yīng)力都能破壞點(diǎn)陣周期場(chǎng)的規(guī)整性，使電阻增大，若對(duì)加工硬化的金屬進(jìn)行退火，使它產(chǎn)生回復(fù)和再結(jié)晶，電阻就必然下降。例如，純鐵經(jīng)過(guò)加工硬化之后，再進(jìn)行100°C退火處理，電阻便有明顯地降低。如果進(jìn)行500°C退火，電阻便可恢復(fù)到加工硬化前的水平。但是當(dāng)退火溫度高于再結(jié)晶溫度時(shí)，由于再結(jié)晶生成的晶粒很細(xì)小，造成晶界過(guò)多，晶界是一種面缺陷，因此電阻反而有所增高。晶粒愈細(xì)，電阻愈大。淬火、位錯(cuò)、空位和脫位原子等缺陷對(duì)電阻都有貢獻(xiàn)，其中以空位的貢獻(xiàn)為最大。淬火，特別是當(dāng)淬火溫度較高時(shí)，金屬內(nèi)部的空位濃度相當(dāng)高，淬火可以將這些空位凍結(jié)下來(lái)，使電阻有顯著的提高。合金元素及相結(jié)構(gòu)的影響合金的電阻不僅要考慮前邊所提到的各種因素，而且還要考慮由合金元素引起原子間結(jié)合性質(zhì)的變化和組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)所產(chǎn)生的影響。一、固溶體的電阻形成固溶體合金時(shí)，一般的表現(xiàn)是電阻增高。即使是低電阻率的金屬溶于高電阻率的金屬中也有同樣的效果。這是因?yàn)椋?dāng)組成固溶體時(shí)，溶劑的點(diǎn)陣受溶質(zhì)原子的影響產(chǎn)生了靜畸變，從而增大了電子波的散射。另一方面，電阻的增高還與組元之間化學(xué)成分有關(guān)。在二元合金所形成的連續(xù)固溶體中，電阻的增大和成分之間呈曲線關(guān)系，通常在rB等于50%處出現(xiàn)極大值。極大值比純組元的電阻要高出幾倍。固溶體的有序化對(duì)合金的電阻有顯著地影響。異類原子使點(diǎn)陣的周期場(chǎng)遭到破壞而使電阻增加，而固溶體的有序化則有利于改善離子電場(chǎng)的規(guī)整性，從而減少電子的散射。另一方面，有序化使組元之間化學(xué)作用加強(qiáng)，導(dǎo)致傳導(dǎo)電子數(shù)目減少。一般來(lái)講，電場(chǎng)對(duì)稱性增加使電阻下降起著主導(dǎo)作用，所以有序化表現(xiàn)是電阻降低。三、金屬化合物的電阻金屬化合物的導(dǎo)電能力都比較差，它們的電導(dǎo)率比各組元的要小得多。金屬間化合物的導(dǎo)電能力之所以較差是因?yàn)榻M成化合物后，原子間的金屬鍵部分地改換為共價(jià)鍵或離子鍵，使傳導(dǎo)電子數(shù)減少所致。正是由于結(jié)合性質(zhì)發(fā)生了變化，所以還常因?yàn)樾纬闪嘶衔锒兂砂雽?dǎo)體，甚至完全失掉導(dǎo)體的性質(zhì)。鋁化物的電阻比純組元的高，但具有金屬的特性。鋁和同一過(guò)渡族組金屬所組成的化合物中，含鋁量愈少，電阻率愈大。鋁和氧、氫、磷、硒、硫、硼和錳等元素組成的化合物都具有半導(dǎo)體的特性。氮化物、硼化物和碳化物都具有明顯的金屬導(dǎo)電特性，由于碳、氮和硼能給出一部分價(jià)電子參加導(dǎo)電，所以這些相具有金屬特性。硅化物的結(jié)合也和金屬類似，但隨著化合物中硅原子的增多，在硅原子間形成共價(jià)結(jié)合的傾向增大，因此金屬（M）與硅的化合物MSi2和Si一樣具有半導(dǎo)體的性質(zhì)。電阻的測(cè)量

試樣的電阻率是通過(guò)=RS/l的關(guān)系式確定的。因此，實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的是試樣的電阻值（或電壓和電流）及試樣的尺寸。在研究工作中，一般試樣都很小，其電阻也很小，由環(huán)境、組織結(jié)構(gòu)等變化所導(dǎo)致的電阻變化就更小，因此需要選用精密的儀器對(duì)這樣小的電阻測(cè)量。常用的測(cè)量方法有三種：雙電橋法，伏安法，電位差計(jì)法。伏安法原理圖V

RXA高溫超導(dǎo)體Tl2Ba2Ca2Cu3O10超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度P-N結(jié)伏安特性

Cu3Au合金的有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變YBa2Cu3O7-x電阻率隨氣氛的變化情況巨磁阻材料電阻率隨磁場(chǎng)的變化情況產(chǎn)品名稱:

PPMS綜合物性測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)品圖片:

物理性質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)(PPMS)的原理及其應(yīng)用

PPMS是QuantumDesign公司在成功推出MPMS1之后,于20世紀(jì)90年代中期推出的又一款產(chǎn)品。二者有很多的相似之處,同時(shí)又有所差別。下面將通過(guò)與MPMS1的比較來(lái)介紹PPMS的設(shè)計(jì)和使用。一個(gè)完整的PPMS系統(tǒng)也是由一個(gè)基系統(tǒng)和各種選件兩個(gè)部分構(gòu)成,根據(jù)內(nèi)部集成的超導(dǎo)磁體的大小基系統(tǒng)分為7特斯拉、9特斯拉、14特斯拉和16特斯拉系統(tǒng)。但與MPMS專注于磁測(cè)量不同,PPMS在基系統(tǒng)搭建的溫度和磁場(chǎng)平臺(tái)上,利用各種選件進(jìn)行磁測(cè)量、電輸運(yùn)測(cè)量、熱學(xué)參數(shù)測(cè)量和熱電輸運(yùn)測(cè)量?；到y(tǒng)主要包括軟件操作系統(tǒng),溫控系統(tǒng),磁場(chǎng)控制系統(tǒng),樣品操作系統(tǒng)和氣體控制系統(tǒng)。與MPMS在硬件上的