纳米材料的电学特性

1、纳米材料的电学特性纳米材料的电学特性材料的电学性能 导电电荷载流子：电子和阴离子，阳离子，以及电子空穴。 介电绝缘体（电介质），在外电场作用下内部电场不为零，正负电荷分布的中心分离，产生电偶极矩，即发生电极化。载流子的物理特征载流子的物理特征(1) 霍尔效应霍尔效应 电子电导的特征是具有霍尔效应。沿试样电子电导的特征是具有霍尔效应。沿试样x轴方向通轴方向通入电流入电流i（电流效应（电流效应jx），），z轴方向加一磁场轴方向加一磁场hz，那，那么在么在y轴方向将产生一电场轴方向将产生一电场ey，这一现象称为霍尔效，这一现象称为霍尔效应。应。利用霍尔效应可检查材料是否存在电子电导。利用霍尔效应可检

2、查材料是否存在电子电导。 (2) 电解效应电解效应 离子电导的特征是存在电解效应。离子的迁移伴随着离子电导的特征是存在电解效应。离子的迁移伴随着一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产生新的物质，这就是电解现象。产生新的物质，这就是电解现象。 可以检验陶瓷材料是否存在离子电导，并且可以判可以检验陶瓷材料是否存在离子电导，并且可以判定载流子是正离子还是负离子。定载流子是正离子还是负离子。 迁移率和导电率的一般表达式迁移率和导电率的一般表达式 电流密度电流密度(j) :单位时间（单位时间（1s）通过单位截面）通过单位截面s的电荷量的电荷量. j=n

3、qv或或 j=i/s 由由 r =v/i r=h/ s e= v/ h 欧姆定律最一般的形式欧姆定律最一般的形式电导率（电导率（）与迁移率（）与迁移率（）：）：j/enqv/e=nq j=e/=ej：电流密度：电流密度：e：电场强度；：电场强度； ：载流子的迁移率；：载流子的迁移率；q：一个载流子的电荷：一个载流子的电荷n：载流子的浓度：载流子的浓度.iiiiiqn载流子的迁移率的物理意义为：载流子在单位载流子的迁移率的物理意义为：载流子在单位电场中的迁移速度。电导率的一般表达式为电场中的迁移速度。电导率的一般表达式为 该式反映电导率的微观本质，即宏观电导率该式反映电导率的微观本质，即宏观电导

4、率与微观载流子的浓度与微观载流子的浓度n，每一种载流子的电荷量，每一种载流子的电荷量q以及每种载流子的迁移率的关系。以及每种载流子的迁移率的关系。 将主要依据此式来讨论电导的性能。将主要依据此式来讨论电导的性能。离子导电离子导电材料：固体电介质。 阳离子导体：银离子、铜离子、钠离子、锂离子、氢离子等； 阴离子导体：氟离子、氧离子。 快离子相的概念快离子相的概念固体从非传导态进入传导态有三种情况：固体从非传导态进入传导态有三种情况：（1）正常熔化态。）正常熔化态。 （2）非传导态经过一级相变进入导电态。相变前后均保）非传导态经过一级相变进入导电态。相变前后均保持固态特性，仅结构发生变化。称这一特

5、殊导电相为持固态特性，仅结构发生变化。称这一特殊导电相为快离子相。其结构从有序向无序转变或亚晶格熔融。快离子相。其结构从有序向无序转变或亚晶格熔融。如：银离子、铜离子导体。如：银离子、铜离子导体。（3）法拉第转变态，）法拉第转变态， 没有确切的相变温度，没有确切的相变温度， 是一个温度范围，是一个温度范围， 在此温度范围电导率在此温度范围电导率 缓慢上升。例如缓慢上升。例如na2s.1/tlg （1）（2）（3） 以ag+为例， （2）的物理图象为： 低温时，晶格由阴阳离子共同组成； 当温度升上到相变温度时，所构成的阳离子亚晶格发生熔化； 阴离子亚晶格由于阳离子亚晶格的无序而重新排列构成新相的

6、骨架； 阳离子在这些骨架的间隙上随机分布，可动阳离子在这一新相中的间隙位置间很容易运动。体心立方晶格导电通道体心立方晶格导电通道面心立方晶格导电通道面心立方晶格导电通道晶格导电通道概貌晶格导电通道概貌固体电解质的离子传导机理固体电解质的离子传导机理六方密堆积的晶格导电通道六方密堆积的晶格导电通道离子导电的种类离子导电的种类本征导电本征导电-晶格点阵上的离子定向运动（热缺晶格点阵上的离子定向运动（热缺陷的运动）。陷的运动）。 弗仑克尔缺陷为填隙离子弗仑克尔缺陷为填隙离子-空位对。空位对。 肖特基缺陷为阳离子空位肖特基缺陷为阳离子空位-阴离子空位对。阴离子空位对。溶质导电溶质导电-溶质离子的定向运

7、动。溶质离子的定向运动。 填隙离子或置换离子。填隙离子或置换离子。纳米材料对离子电导的影响纳米材料对离子电导的影响热缺陷的运动；间隙离子的电导率： =asexp-(e2 +es/2)/ kbt= asexp-ws/kbt扩散： =dnq2/kt电子导电 按导电性能分为：导体（包括超导体），半导体和绝缘体金属的导电性质的理论解释：电流随电压成正比增加（欧姆定律）；纯金属室温电导率为10-5cm量级；高温（德拜温度以上），电阻随温度成正比上升，低温时大致和t5成正比；含杂质和缺陷的金属的电阻是纯金属电阻加上和温度有关的一个电阻值。金属导电的理论的发展 经典自由电子理论 量子自由电子理论 能带理论

8、kxkykzo状态代表点在状态代表点在k空间中的分布空间中的分布f(e)e的关系曲线的关系曲线 能带理论 上世纪30年代初布洛赫和布里渊等人研究了周期场中运动的电子性质，为固体电子的能带理论奠定了基础。 能带论是以单电子在周期性场中运动的特征来表述晶体中电子的特征，是一个近似理论，但对固体中电子的状态作出了较为正确的物理描述。 两种近似方法近自由电子近似和紧束缚近似。近自由电子近似理论近自由电子近似理论 零级近似时，用势场平均值代替弱周期场v(x)； 所谓弱周期场是指比较小的周期起伏做为微扰处理。r()vr单电子的周期性势场单电子的周期性势场近自由电子近似能带图示近自由电子近似能带图示 一维能

9、带结构简约区图示一维能带结构简约区图示 重复区重复区扩展区扩展区 -3 /a - /a 0 /a 3 /a ke e与与k的关系的关系 能带能带 简约布里渊区简约布里渊区允带允带允带允带允带允带允带允带禁带禁带晶体中电子的能带晶体中电子的能带紧束缚近似理论紧束缚近似理论 原子结合为晶体时，电子的状态发生了根本性的变化，电子从孤立原子的束缚态变为晶体中的共有化状态。电子状态变化的大小取决于电子在某原子附近所受该原子势场的作用与其它诸原子势场作用的相对大小。 若原子所处原子势场的作用较之其它原子势场的作用要大得多，例如对于原子中内层电子，或晶体间距较大时，上面讨论的近自由电子近似就不适用，这时共有

10、化运动状态与束缚态之间有直接联系，即紧束缚近似理论。 紧束缚理论的实质是把原子间相互作用影响看成微扰的简并微扰方法，微扰后的状态是n个简并态的线性组合。 +原子结合成晶体时晶体中电子的共有化运动原子结合成晶体时晶体中电子的共有化运动e原子能级分裂为能带原子能级分裂为能带 原子能级与能带之间的原子能级与能带之间的对应对应j012j1散射：电子与晶体中的声子、杂质离子、缺陷等发生散射：电子与晶体中的声子、杂质离子、缺陷等发生碰撞的过程。碰撞的过程。 散射的原因：周期性势场被破坏。散射的原因：周期性势场被破坏。周期性势场被破坏的原因：半导体内存在附加势场，周期性势场被破坏的原因：半导体内存在附加势场

11、，这一势场使周期性势场发生变化。这一势场使周期性势场发生变化。附加势场的作用：使能带中的电子在不同附加势场的作用：使能带中的电子在不同k状态间跃状态间跃迁，也即原来沿某一个方向以迁，也即原来沿某一个方向以v(k)运动的电子，附加运动的电子，附加势场可以使它散射到其它各个方向，以速度势场可以使它散射到其它各个方向，以速度v(k)运动运动。载流子的散射机构载流子的散射机构在外电场在外电场e的作用下，的作用下，金属中的自由电子的加速度：金属中的自由电子的加速度：a=ee/m e电子每两次碰撞之间的平均时间电子每两次碰撞之间的平均时间2 ；松弛时间松弛时间 ，与晶格缺陷和温度有关，温度越高，与晶格缺陷

12、和温度有关，温度越高，晶体缺陷越多电子散射几率越大，晶体缺陷越多电子散射几率越大， 越小；越小；单位时间平均散射次数单位时间平均散射次数1/2 ；电子质量；电子质量m e；自由电子的平均速度：自由电子的平均速度：v= ee/m e ；自由电子的迁移率：自由电子的迁移率： e=v/e= e/m e ；晶格场中电子的迁移率：晶格场中电子的迁移率： e=v/e= e/m*（有效电子）（有效电子）1. 电离杂质的散射电离杂质的散射+2. 晶格振动的散射晶格振动的散射 半导体的主要散射（附加势场）机构有：半导体的主要散射（附加势场）机构有：晶格中的原子在其平衡位置作微振动，引起周期性晶格中的原子在其平衡

13、位置作微振动，引起周期性势场的破坏，原子振动的具体表现形式为声子，晶势场的破坏，原子振动的具体表现形式为声子，晶格振动的散射可以看作声子与电子的碰撞。格振动的散射可以看作声子与电子的碰撞。3. 其它因素引起的散射其它因素引起的散射（3）载流子之间的散射）载流子之间的散射低温下没有充分电离的杂质散射中性杂质通过对周低温下没有充分电离的杂质散射中性杂质通过对周期性势场的微扰作用引起散射。一般在低温情况下期性势场的微扰作用引起散射。一般在低温情况下起作用。起作用。在刃型位错处，刃口上的原子共价键不饱和，易于俘在刃型位错处，刃口上的原子共价键不饱和，易于俘获电子成为受主中心，在位错线成为一串负电中心，

14、获电子成为受主中心，在位错线成为一串负电中心，在其周围由电离了的施主杂质形成一个圆拄体的正空在其周围由电离了的施主杂质形成一个圆拄体的正空间电荷区。间电荷区。（2）位错散射）位错散射（1）中性杂质的散射）中性杂质的散射+影响金属导电性的因素 温度 应力 冷加工变形 合金元素及相结构纳米材料对于电子电导的影响 能带 载流子散射纳米材料的电学特性 同一种材料，当颗粒达到纳米级时，它的电阻、电阻温度同一种材料，当颗粒达到纳米级时，它的电阻、电阻温度系数都会发生变化。如银是良导体，但是系数都会发生变化。如银是良导体，但是10-15nm10-15nm大小的银大小的银颗粒的电阻会突然升高，失去金属的特征；

15、对于典型的绝颗粒的电阻会突然升高，失去金属的特征；对于典型的绝缘体氮化硅、二氧化硅等，当其颗粒尺寸小到缘体氮化硅、二氧化硅等，当其颗粒尺寸小到15-20nm 15-20nm 时，时，电阻却大大下降使它们具有导电性能。电阻却大大下降使它们具有导电性能。 纳米电子器件的基本现象纳米电子器件的基本现象 电导量子化 库伦阻塞效应 普适电导涨落 量子相干效应材料的介电性能 电介质：绝缘体，半导体。 介电常数 介电损耗纳米材料的介电限域效应介电限域效应 如果量子点材料和基体材料的介电性质不同如果量子点材料和基体材料的介电性质不同,当半导体材当半导体材料从体相减小到可以产生量子尺寸效应以后料从体相减小到可以

16、产生量子尺寸效应以后,量子点中量子点中的电子、空穴和激子等载流子受到由于量子点材料和基的电子、空穴和激子等载流子受到由于量子点材料和基体材料的介电性质不同引起量子点电子结构的变化的影体材料的介电性质不同引起量子点电子结构的变化的影响响,这种效应称为介电受限效应。这种效应称为介电受限效应。 当纳米材料与介质的介电常数值相差较大时，便产生明显的介电限域效应，此时，带电粒子间的库仑作用力增强，结果增强了电子-空穴对之间的结合能和振子强度，减弱了产生量子尺寸效应的主要因素电子-空穴对之间的空间限域能，即此时表面效应引起的能量变化大于空间效应所引起的能量变化，从而使能带间隙减小，反映在光学性质上就是吸收光谱表现出明显的红移现象。纳米材料的介电性 使用纳米材料将大大降低电容器的尺寸。并且纳米电容材料使用纳米材料将大