材料的电学性能

1、10.2 材料的电学性能材料的电学性能Electrical Properties of Materials电力电力机械、交通机械、交通电子、微电子电子、微电子日常生活日常生活材料的电学性能材料的电学性能(electrical property)直流电场直流电场交变电场交变电场介电性质弱电场弱电场 导电性质强电场强电场 击穿现象 材料表面材料表面静电现象 不同材料电学性能的差异及其与组成和结构的不同材料电学性能的差异及其与组成和结构的关系关系 电导率和电阻率的定义、电导率和电阻率的定义、电导机制、电导率的电导机制、电导率的基本参数及影响因素基本参数及影响因素 材料的电子能带结构与电导性、光导性和

2、半导材料的电子能带结构与电导性、光导性和半导电性公式电性公式 超导电性的定义、超导体的超导电性的定义、超导体的2 2种特性、种特性、3 3个性能个性能指标指标 介电常数的定义、介质极化的三种机制，介电常数的定义、介质极化的三种机制， 交变电场中的介电损耗的成因及影响因素交变电场中的介电损耗的成因及影响因素 击穿强度的定义击穿强度的定义 材料电性能与温度的关系材料电性能与温度的关系电导率电导率(electrical conductivity)和和电阻率电阻率 10.2.1 电导率和电阻率电导率和电阻率电阻率分电阻率分： 体积电阻率：体积电阻率： V , m表面电阻率表面电阻率： S , 电阻率电

3、阻率 1 、西门子西门子电导率电导率电导率电导率(electrical conductivity) (1) 表征表征材料导电性的大小材料导电性的大小。 单位：S. m-1, （.m）-1 根据电导率对材料的根据电导率对材料的分类分类2、 材料的分类及其电导率材料的分类及其电导率材料材料电阻率电阻率电导率电导率超导体超导体导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体010-8-10-510-5-107107-1018105-10810-7-10510-18-10-7 不同材料的电导率不同材料的电导率举例举例金属金属 自由电子自由电子 电导率高电导率高 导电性好导电性好硅硅 半导体半导体离子固体离子固体 室温

4、绝缘体室温绝缘体 T高高 电导率大电导率大 （无机非金属）（无机非金属） 高分子高分子 杂质致有导电性杂质致有导电性 各种材料在室温的电导率各种材料在室温的电导率金属和合金(-1.m-1)非金属（-1.m-1）银银铜铜，工业纯，工业纯金金铝铝,工业纯工业纯 Al-1.2%,Mn 合金合金钠钠钨，钨， 工业纯工业纯黄铜黄铜（70%Cu-30%Zn镍镍,工业纯工业纯纯铁纯铁,工业纯工业纯钛钛,工业纯工业纯TiC不锈钢，不锈钢，301型型镍铬合金镍铬合金 (80%Ni-20%Cr）6.3*1075.85*1074.25*1073.45*1072.96*1072.1*1071.77*1071.66*1

5、071.46*1071.03*1070.24*1070.17*1070.14*1070.093*107石墨石墨SiC锗，纯硅硅，纯苯酚甲醛（电木）窗玻璃 氧化铝（Al2O3）云母甲基丙烯酸甲酯氧化铍（BeO）聚乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯金刚石金刚石石英玻璃石英玻璃聚四氟乙烯聚四氟乙烯105 (平均平均)10 2.24.3*10-410-7-10-1110-1010-10-10-1210-11-10-1510-1210-12-10-1510-1410-1410-1410-1610-16结合原子的电子结构讨论结合原子的电子结构讨论如何理解材料的电导现象如何理解材料的电导现象，必须明，必须明确几个问题确几

6、个问题: 1. 参与迁移的是哪种参与迁移的是哪种载流子载流子有关载有关载流子流子类别类别的问题的问题 2. 载流子载流子的数量有多大的数量有多大有关载流有关载流子浓度、载流子子浓度、载流子产产 生生过程的问题过程的问题 3. 载流子载流子迁移速度的大小迁移速度的大小有关载有关载流子流子输运输运过程的问题过程的问题决定电导率的基本参数决定电导率的基本参数 parameters 载流子类型载流子类型 charge carrier 电子、空穴、正离子、负离子 载流子数载流子数 charge carrier density-n, 个个/m3 载流子迁移率载流子迁移率 electron mobility

7、 ( 物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度) =/E m2/(v.s) 平均漂移速度（平均漂移速度（drift velocity），m/s电流密度电流密度（单位时间（单位时间（1s）通过单位截面积的电荷量）通过单位截面积的电荷量） Jnqv电导率电导率 =J/E=nqvE =nqiiiinq 影响因素影响因素影响影响离子电导率离子电导率的因素的因素 温度温度 晶体结构晶体结构 晶格缺陷晶格缺陷(A)声子声子对迁移率的影响对迁移率的影响,可写成可写成L=aT-3/2 (B)杂质离子杂质离子对迁移率的影响对迁移率的影响,可写成可写成 I=bT3/2 影响影响电子电导率电子电导率的因素的因素温度、

8、杂质、缺陷温度、杂质、缺陷L111单质金属单质金属中主要的散射机制是电声子相互作用,电导率的温度关系为 T-1。半导体和绝缘体半导体和绝缘体的电导率随温度变化以指数函数增大 =0exp(-Eg/2kT) 影响影响半导体电导率半导体电导率的因素：的因素： k为为Boltzmann常数常数=8.62 10-5ev Eg为能带间隙能为能带间隙能材料的结构与导电性材料的结构与导电性Structures and Conductivity1、 材料的材料的电子结构与导电性电子结构与导电性 能带能带 electron energy band10.2.2 材料的结构与导电性材料的结构与导电性外层电子能级外层电

9、子能级N个原子个原子N个能级个能级重迭重迭分离分离Section 12.5(a) (b)金属金属Section 12.5（1）导体导体 conductor 碱金属碱金属 锂、钠、钾锂、钠、钾 钠钠（1S1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S1 1） 碱土金属碱土金属 铍、镁、钙铍、镁、钙 镁（镁（1S1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 2） 3S与与3P重迭重迭 贵金属贵金属 铜、银、金铜、银、金 铜（铜（1S1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2 23P3P6 63d3d10104S4S1 1） 过渡金属过渡金属 铁、镍、钴铁、镍、钴 铁铁（1S1S2 22S

10、2S2 22P2P6 63S3S2 23P3P6 63d3d7 74S4S2 2）重迭重迭金属中的自由电子都能导电吗？金属中的自由电子都能导电吗？费米能级理论费米能级理论影响金属导电性的因素影响金属导电性的因素电阻率电阻率 温度温度: thermal vibration杂质杂质: solid solution塑性形变塑性形变: dislocation散射散射电子局域：离子键电子局域：离子键 共价键共价键（2）绝缘体绝缘体 insulator离子固体的电导性离子固体的电导性离子性晶格缺陷的浓度离子性晶格缺陷的浓度温度温度晶体结构晶体结构聚合物的电导性聚合物的电导性添加型添加型结构型结构型 Ala

11、n J. Heeger 1/3 of the prize USAUniversity of Californiaanta Barbara, CA, USAb. 1936发现并发展了导电聚合物发现并发展了导电聚合物 诺贝尔化学奖获得者诺贝尔化学奖获得者 2000年年白白川川英英树树Hideki Shirakawa 1/3 of the prize Japan University of Tsukuba Tokyo, Japan b. 1936Alan G. MacDiarmid1/3 of the prizeUSAUniversity of PennsylvaniaPhiladelphia, P

12、A, USAb. 19271974年，白川英树等人用年，白川英树等人用Ziegler-Natta催化剂制备催化剂制备聚乙炔薄膜聚乙炔薄膜铜色（铜色（cis-，电导率，电导率108107 Scm1）银色（银色（trans-，电导率，电导率103102 Scm1）1977年，年， Heeger 、MacDiarmid 和白和白川英树、发现当聚乙炔薄膜用川英树、发现当聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或或I2蒸气氧化后，其电导率可提高蒸气氧化后，其电导率可提高几个数量级。通过改变催化剂的制备几个数量级。通过改变催化剂的制备方法和取向，方法和取向，电导率可达电导率可达105 Scm1。（Teflon为为101

13、6 Scm1，Cu为为108 Scm1 ）。）。图 3 三维、二维和一维碳化合物材料共轭共轭能带间隙随聚合能带间隙随聚合物长度的增加而物长度的增加而减小减小掺杂掺杂 在聚合物上在聚合物上去掉或增加去掉或增加电子。电子。 氧化掺杂氧化掺杂（也称（也称P型掺杂）用卤素掺杂型掺杂）用卤素掺杂 还原掺杂还原掺杂（也称（也称n型掺杂）用碱金属进行：型掺杂）用碱金属进行：载流子载流子在共轭聚合物材料中的在共轭聚合物材料中的跃迁跃迁包含：包含： 沿单一共轭体系沿单一共轭体系的运动：阻力小或无的运动：阻力小或无 在在共轭体系之间共轭体系之间的跃迁：阻力大的跃迁：阻力大聚乙炔，其聚乙炔，其掺杂掺杂的电导率大的电

14、导率大幅度提高，掺杂到幅度提高，掺杂到6.67%时，时，能隙将消失。能隙将消失。 聚乙炔链上的共轭缺陷（载流子）聚乙炔链上的共轭缺陷（载流子） 阳离子自由基的产生和移动阳离子自由基的产生和移动 聚乙炔异构化产生孤子及移动聚乙炔异构化产生孤子及移动导电聚合物电导率与温度的关系导电聚合物电导率与温度的关系v 理想情况下，导电聚合物具有金属导电性，且重理想情况下，导电聚合物具有金属导电性，且重量轻、易加工、材料来源广等特点量轻、易加工、材料来源广等特点v 用作用作电极、电磁波屏蔽、抗静电电极、电磁波屏蔽、抗静电材料等材料等v 半导体器件和发光器件方面得应用半导体器件和发光器件方面得应用 聚合物电池、

15、电致变色显示器、聚合物电池、电致变色显示器、 电化学传感器、场效应管、电化学传感器、场效应管、 聚合物发光二极管聚合物发光二极管（LED） 导电聚合物的应用导电聚合物的应用（3）半导体）半导体 Semiconductors 本征半导体本征半导体 Intrinsic semiconductors载流子载流子：自由电子自由电子，n, 负电荷负电荷 空穴空穴，hole p, 正电荷正电荷carrier杂质半导体杂质半导体 extrinsic semiconductorn n型半导体型半导体 n-TYPE EXTRINSIC SEMICONDUCTION 在在SiSi、GeGe等四价元素等四价元素中掺

16、入少量中掺入少量五价元素五价元素P P、SbSb、BiBi、AsAs 在导带附近形成掺杂的能级在导带附近形成掺杂的能级 电子型导电电子型导电 p型半导体型半导体 p-TYPE EXTRINSIC SEMICONDUCTION 在四价的四价的SiSi、GeGe等四价元素中掺入等四价元素中掺入B B、AlAl、ScSc、Y Y，在四价带附近形成掺杂的能级 空穴型导电空穴型导电 半导体的电导率与温度的关系半导体的电导率与温度的关系热激发热激发分子轨道理论分子轨道理论受激态受激态可能的形式 ，* 状态 n，* 状态， 含有N N、O O或或S S CT 状态电荷转移受激态电子给体基团（如一电子给体基团

17、（如一NHNH2 2，一，一0H0H）及受体）及受体基（基（C=0C=0，一，一N0N02 2）之间发生电荷转移）之间发生电荷转移 材料的电子结构与光电导性材料的电子结构与光电导性材料的电子结构与光电导性材料的电子结构与光电导性 photo-electrical(1)分子受激过程与能量交换分子受激过程与能量交换光电流激活能光电流激活能 EEJEIhv两种构型构型: 单重态三重态2（2）光生载流子机理光生载流子机理10.2.3 材料的超导电性材料的超导电性1、 超导电性超导电性- (superconductivity)在一定低温下材料突然失去在一定低温下材料突然失去电阻的现象电阻的现象 （小于（

18、小于10-25cm）液氦，超导现象发现液氦，超导现象发现诺贝尔物理奖获得者诺贝尔物理奖获得者1913年年 Heike Kamerlingh Onnes the Netherlands Leiden University Leiden, the Netherlands b. 1853d. 1926汞，汞，4.2 K J. Georg Bednorz 1/2 of the prizeFederal Republic of Germany IBM Research Laboratoryb. 1950在陶瓷（金属氧化物）中发现超导现象，超导研究取得重大突在陶瓷（金属氧化物）中发现超导现象，超导研究取得

19、重大突破破, 诺贝尔物理奖获得者诺贝尔物理奖获得者 1987年年K. Alexander Muller 1/2 of the prize Switzerland R黶黶chlikon,Switzerland b. 1927超导电性的金属和合金超导电性的金属和合金 Tc 30 K 钛、钒、锆、铌、钼、钽、钨、铼、铋、铝、锡、镉钛、钒、锆、铌、钼、钽、钨、铼、铋、铝、锡、镉等等28种。种。 二元合金二元合金NbTi，Tc810K； NbZr，Tc1011K。三元系合金有铌三元系合金有铌-钛钛-锆，锆，Tc=10 K；铌；铌-钛钛-钽，钽，Tc=910K。超导化合物超导化合物 Nb3Sn，Tc=18

20、185K； Nb3Ge，Tc232K，Nb3（AlGe），），Tc207K等等 超导电性的金属氧化物超导电性的金属氧化物 1960s Ba-Y-Cu-O系，系，35K, 1986, Bednorz, Muller Ba-Y-Cu-O系系, 100 K, 1987, 我国我国赵忠贤赵忠贤等等 Hg-Ba-Cu-O系，系，140 K2 、超导体的两种特性：超导体的两种特性： 完全导电性完全导电性 完全抗磁性完全抗磁性 磁感应强度始终为零磁感应强度始终为零3 、三个性能指标三个性能指标超导转变温度超导转变温度Tc 愈高愈好愈高愈好 临界磁场临界磁场Hc 破坏超导态的最小磁场。破坏超导态的最小磁场。

21、随温度降低，随温度降低，Hc将增加；将增加； 当当TTc时时, Hc=Hc,01-（T/Tc)2 临界电流密度临界电流密度Jc 保持超导状态的最大输入电流保持超导状态的最大输入电流 (与与Hc相关相关)FIGURE 18.22 Critical temperature, current density, and magnetic field boundary separating superconducting and normal conducting states10.2.4 材料的介电性材料的介电性材料极化材料极化 1介质极化、电容、介电常数介质极化、电容、介电常数真空电容真空电容 Co

22、=Qo/V 0 A/ l 介质中电容介质中电容 CQ/V=A/l 。真空电容率(或真空介电常数)，885xl0-12 Fm 介质的电容率（或介电常数） permittivity(dielectric property)原因原因：材料极化极化 极化原因 电子极化电子极化 电子云 偏离中心 离子极化离子极化 取向极化取向极化（2） 介电常数介电常数 dielectric constant, 表征电介质在电场作用下极化程度电介质在电场作用下极化程度的宏观物理量。 电介质的相对介电常数相对介电常数 r = C / C0 = /0 相对电容量，无量纲常数无量纲常数一些材料的一些材料的r 数值：数值： 石

23、英石英3.8； 绝缘陶瓷绝缘陶瓷6.0； PE2.3； PVC3.8高分子材料的高分子材料的r 由主链结构中的键的由主链结构中的键的性能和排列所决定的。性能和排列所决定的。某些材料的某些材料的介电常数介电常数（ T=25 =106Hx） 塑料和有机物塑料和有机物 玻玻 璃璃 无机晶态材料无机晶态材料聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（Tefton）2.1石英玻璃石英玻璃 3.8 氧化钡氧化钡 3.4聚异丁烯聚异丁烯 2.23 耐热玻璃耐热玻璃 38-39 云母云母 3.6聚乙烯聚乙烯 2.35 派勒克斯玻璃派勒克斯玻璃 4.0-6.0 氯化钾氯化钾 4.75聚苯乙烯聚苯乙烯 2.55 碱碱-石灰石灰-硅石玻璃硅石玻璃6.9 溴化钾溴化钾 4.9丁基橡胶丁基橡胶 256 高铅板璃高铅板璃 19.0 青石陶瓷青石陶瓷 4.5-5.4有机玻璃有机玻璃 2.63 （2MgO2Al2O3 3SiO4为基）为基）聚氯乙烯聚氯乙烯 3.3 金刚石金刚石 5.5聚酰胺聚酰胺66 3.33 镁橄榄石镁橄榄石 6.22 (Mg2SiO4） 聚酯聚酯 31-4.0 多铝红柱石多铝红柱石3Al2O3 6.6 2SiO2 酚甲醛酚甲醛 4.75 氟化镍氟化镍 9.0氯丁橡胶氯丁橡胶 6.26