材料科学与工程基础__第四章第三节2013

1、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Electrical Properties of Materials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4.3 材料的电学性能材料的电学性能 不同材料电学性能的差异及其与组成和结构不同材料电学性能的差异及其与组成和结构的关系的关系 电导率和电阻率的定义、电导率和电阻率的定义、电导机制、电导率电导机制、电导率的基本参数及影响因素的基本参数及影响因素 材料的电子能带结构与电导性、光导性和材料的电子能带结构与电导性、光导性和半导电性半导电性 超导电性的定义、超导体的超导电性的

2、定义、超导体的2 2种特性、种特性、3 3个个性能指标性能指标 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 4.3.1 电导率和电阻率电导率和电阻率测定电阻率的装置示意图测定电阻率的装置示意图电阻率分电阻率分： 体积电阻率：体积电阻率： V , m表面电阻率表面电阻率： S , 电阻率电阻率S：西门子：西门子电导率电导率电导率电导率(ele

3、ctrical 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, （.m）-1 根据电导率对材料根据电导率对材料分类分类表表4-19 材料的分类及其电导率、电阻率材料的分类及其电导率、电阻率材料材料电阻率电阻率 m电导率电导率S/m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 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、锗硅、锗 半导体半导体 离子固体（无机非金属）离子固体（无机非金属） 室

4、温绝缘体室温绝缘体 T ， 电导率电导率 高分子高分子 绝缘体，绝缘体，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 ( 物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度) 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

5、截面积的电荷量）通过单位截面积的电荷量 Jnqv 单位：库伦单位：库伦/(m 2s) , J=I/A 根据欧姆定律，及根据欧姆定律，及R=L/A电导率电导率 =J/E=nqv/E =nq载流子的迁移率载流子的迁移率 =v/Eiiiinq影响电导率的因素影响电导率的因素（1）影响）影响离子电导率离子电导率的因素的因素 温度温度 T， 晶体结构晶体结构 结合力大结合力大 ，小小 晶格缺陷晶格缺陷 固体电解质固体电解质杂质离子电导与温度的关系杂质离子电导与温度的关系（2）影响影响电子电导率电子电导率的因素的因素u 温度温度 单质金属：单质金属：电导率的温度关系为 半导体和绝缘体：半导体和绝缘体：电导

6、率随温度变化以指数函数增大 =0exp(-Ec/kT) u杂质及缺陷杂质及缺陷 半导体掺杂使电导率增大。T-1Structures and Conductivity 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 band4.3.2 材料的结构与导电性材料的结构与导电性N个原子，个原子，N个能级个能级能带间存在能隙（禁带）能带间存在能隙（禁带）Section 12.5(a) (b)金属，金属，(c)绝缘体，绝缘体，(d)半导体半导体固体在固体在0K时各种可能的电子能带结构时各种可能的电子能带结构（1）导体导体 conductor 碱金属碱金属 锂、钠、钾

7、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 22S2S2 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激发前激发

8、前激发后激发后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（2）绝缘体绝缘体 insulator13种典型非金属材料的室温电导率种典型非金属材料的室温电导率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 Alan J. HeegerUSAUniversity of Californiaanta Barbara, CA, USAb. 1936发现并发展

9、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 Japan University of Tsukuba Tokyo, Japan b. 1936Alan G. MacDiarmidUSAUniversity of PennsylvaniaPhiladelphia, PA, USAb. 19271974年，白川英树等年，白川英树等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 、Ma

10、cDiarmid 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，其电导率可提高几个蒸气氧化后，其电导率可提高几个数量级。通过改变催化剂的制备方法数量级。通过改变催化剂的制备方法和取向，和取向，电导率可达电导率可达105 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

11、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幅度提高，的电导率大幅度提高，掺杂到掺杂到6.67%时，能隙将消失。时，能隙将消失。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 导电聚合物具有金属导电性，且重量轻、易加工、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的应用半导体器

12、件和发光器件方面的应用 聚合物电池（高分子锂电池）、聚合物电池（高分子锂电池）、 电致变色显示器、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室温下几种半导体材料的能隙、电导率、迁移率室温下几种半导体材料的能隙、电导率、迁移率载流子载流子：自由电子，自由电子，n, 负电荷负电荷 空穴，空穴，hole p, 正电正电荷荷carrierhe杂质半导体杂质半导体 extrinsic

13、 semiconductorn n型半导体型半导体 在在SiSi、GeGe等四价元素等四价元素中掺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 在SiSi、GeGe等四价元素等四价元素中掺入中掺入B B、AlAl等三价元素等三价元素，在四价带附近形成掺杂的能级 空穴型导电空穴型导电 半导体的半导体的电导率电导率与与温度温度的关系的关系T本征本征T-1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

14、子给体基团（如一电子给体基团（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 光电导效应光电导效应（photo-electrical）：由光照而使满带中）：由光照而使满带中 的电子激发到导带的现象。的电子激发到导带的现象。(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光生载流子机理光生载流子机理机理A：直接带-带转变。机理B：单重态激子。机理C：光学退陷阱。机理D：光注射电子或空穴4.3.

15、4 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（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 Federal Republic of Germany IBM Rese

16、arch 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 Switzerland R 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

17、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=1818.5K； Nb3Ge，Tc23.2K， Nb3（AlGe），），Tc20.7K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, 朱经武朱经武、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零三个性能指标三个

18、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。 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) 4.3.4 材料的介电性材料的介电性材料极化材料极化 1电容及介电常数电容及介电常数真空电容真空电容 C0=Q0/V 0 A/ l 介质中电容介质中电容 CQ/V=A/l 0真空电容率(或真空介电常数)，8.85xl0-12 Fm 介质的电容率（或介电常数） permi

19、ttivity(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 介电常数介电常数 dielectric constant, 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。 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： 石英石英3.8； 绝缘陶瓷绝缘陶瓷6.0； PE2.3； PVC3.8高高分子材料的分子材料的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。 表

20、表4-24 某些材料的某些材料的相对介电常数相对介电常数r（ T=25, =106Hz） 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 3.8-3.9 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 2.56 高铅玻璃高铅玻璃 19.0 青石陶瓷青石陶瓷 4.5-5.4有机玻璃有机玻璃

21、 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 3.1-4.0 多铝红柱石多铝红柱石3Al2O3 2SiO2 6.6 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 氧化镁氧化镁 9.65 纸纸 7.0乙酸乙烯酯的介电常数乙酸乙烯酯的介电常数-温度曲线温度曲线频率对介电常数和介电损耗的影响频率对介电常数和介电损耗的影响电介质电介质在在交变电场交变电场作用下作用下,电能转变成热能电能转变成热能而而损耗损耗 漏导电电流、极化电流损耗漏

22、导电电流、极化电流损耗 介电常数介电常数 可用复数表示：可用复数表示： = - i 式中式中 为与电容电流相关的介电常数，实数部分；为与电容电流相关的介电常数，实数部分； 与电阻电流相关的分量，虚数部分，与电阻电流相关的分量，虚数部分，2 dielectric loss.介电损耗介电损耗介电损耗因子介电损耗因子 滞后位相角滞后位相角 损耗角损耗角 损耗角损耗角 的正切：的正切： tg = / 介电损耗介电损耗影响影响tg 的因素的因素(1) 分子结构分子结构 极性大极性大 tg 大大 基团数目多基团数目多 tg 大大 (2) 小分子及小分子及杂质杂质(3) 多相多相体系（界面极化）体系（界面极

23、化）(4) 交变电场交变电场频率（介电损耗峰）频率（介电损耗峰）(5) 温度温度高聚物的介电性能高聚物的介电性能高聚物v体积电阻率体积电阻率（.m）击穿强度击穿强度（MV/m）介电常数介电常数（60Hz）介电损耗角正切介电损耗角正切值值（60Hz）聚乙烯（高密度）聚丙烯聚苯乙烯聚氯乙烯尼龙6尼龙66涤纶聚甲醛聚碳酸酯聚四氟乙烯聚砜丁苯橡胶1014101410141012-10151012-101510121012-10161012101410161014101326-28302415-252215-1918-617-2225-4016-20202.2-2.4 (1016Hz)2.0-2.6 (

24、1016Hz)2.5 (1016Hz)3.2-3.6 (1016Hz)4.14.03.43.73.02.0-2.22.9-3.12.2 0.05 0.001 0.005 0.04-0.08 (1016 Hz) 0.01 0.014 0.021 0.005 0.006 0.0002 0.01-0.006 0.004陶瓷电介质的性能陶瓷电介质的性能材料体积电阻率V .m击穿强度MV/m介电常数介电损耗角正切值tg60Hz105Hz60Hz105Hz绝缘瓷绝缘瓷块滑石块滑石锆英石锆英石氧化铝氧化铝钠钙玻璃钠钙玻璃电气玻璃电气玻璃熔融石英熔融石英1 01 1-10131012约101310121012

25、1015约101220-8080-150100-1501010-1066669-7-4-689743.8 0.01 0.005 0.035 - 0.1 - 0.001-0.0030.0010.00050.010.00060.0001 tg 大，损耗大，材料发热。大，损耗大，材料发热。 电容介质电容介质 大，大，tg 小小 高频焊接：薄膜封口，高频焊接：薄膜封口，tg 大大 高频电缆高频电缆用用PE，而不用，而不用PVC 非极性非极性 极性极性3 介电性的应用介电性的应用强电场中材料破坏。强电场中材料破坏。高分子材料，绝缘材料高分子材料，绝缘材料 重要指标。重要指标。电压升高，超过临界值，电阻率

26、急剧下降，电流升高，电压升高，超过临界值，电阻率急剧下降，电流升高， 材料由绝缘体材料由绝缘体 导体导体击穿强度击穿强度 E穿穿=V穿穿/h V穿穿击穿电压；击穿电压；h 材料厚度。材料厚度。 E穿穿的单位：的单位：MV/m 或或V/cm。介电击穿分类：特征击穿、热击穿、电机械击穿、介电击穿分类：特征击穿、热击穿、电机械击穿、 放电击穿放电击穿4dielectric strength击穿强度击穿强度4.5 材料的光学性能材料的光学性能4.5.1 电磁辐射及其与原子的相互作用4.5.2 反射、吸收和透射4.5.3 材料的光学性质4.5.4 旋光性及非光学性4.5.5 光泽4.5.6 发光4.5.

27、7 光敏性4.5.1 电磁辐射及其与原子的相互作用电磁辐射及其与原子的相互作用hhcE光子的能量光子的能量4.5.2 反射、吸收和透射反射、吸收和透射光的折射光的折射由于介质的电子极化使光速降低由于介质的电子极化使光速降低折射率：折射率：n=c/v相对折射率：相对折射率： rnsin/sin21nr：相对介电常数相对介电常数光的反射光的反射镜反射：光洁表面；漫反射：粗糙表面。反射率反射率R R=IR/I0 212212)/()(nnnnR若介质1为空气，n1=122) 1/() 1(nnR垂直入射光的吸收光的吸收(1) 光吸收的一般规律光吸收的一般规律 朗伯特定律朗伯特定律 不同材料对光的吸收

28、系数吸收系数差别很大。 空气 10-5cm-1 玻璃 10-2cm-1 金属的很大，不透明。axeII0IdxdI（2）光吸收与光波长）光吸收与光波长在可见光区，金属和半导体的吸收系数都很大，但电介质材料吸收系数很小，其在紫外区、红外区出现吸收峰。透明材料的选择性吸收使其呈现不同的颜色。大多数金属的反射率反射率R在0.900.95之间。光的透射光的透射透射率透射率TleRT2)1 (I0=IT+IR+IA和R与入射光的频率有关。4.5.3 材料的光学性质材料的光学性质金属的光学性质金属的光学性质 不透明、高反射率， 值和R值都很大，反射率与入射光的频率有关。非金属材料的光学性质非金属材料的光学

29、性质大多数非金属对红外光线有一定程度的吸收。红外光谱红外光谱IR非金属材料是否具有颜色或透明取决于材料的能带结构以及光线在材料内部的散射。许多半导体吸收可见光辐射，不透明。电介质材料一般对可见辐射是透明的，没有颜色。影响透明性的因素：孔洞； 折射率不同产生光散射。 例：已知碲化锌的Eg=2.26eV，它对哪一部分 可见光透明？解：Eg=hc/ 其中 h=6.6210-34J s；C=3108m/s； 1eV=1.610-19J mmJsmJsEhcg549. 01049. 5106 . 126. 2/1031062. 6719834碲化锌不能吸收波长在0.549m以上的可见光，它对橙红光是透明

30、的。4.5.4 旋光性及非线性光学性旋光性及非线性光学性旋光性旋光性（optical activity） 偏振光、偏振面偏振光、偏振面 旋光性：旋光性：使偏振光的偏振面旋转的性质。 旋光性物质旋光性物质非线性光学性质非线性光学性质激光对介质的极化作用： 诱导极化强度 极化强度 能产生大的二阶或三阶非线性光学效应的物质称二阶或三阶非线性光学材料。应用：具有变频、增幅、开关、记忆等功能，用于调制器、重现器、放大器、光学信号处理等。3203)3(2)2()1(EEEP4.5.5 光泽光泽光泽是物体表面定向选择反射的性质，体现在表面上呈现不同的亮斑或形成重叠于表面的物体的像。光泽度是物体受光照射时表面对光的反射能力。光泽与折射率、表面光洁度有关。 镜面：玻璃表面的光泽度为90%100% 光面：物体表面的光泽度为70%90%； 半光泽表面：物体表面的光泽度为30%70%； 亚光表面（蛋壳光泽表面）：表面的光泽度为10%30%； 无光面：表面的光泽度为2%15%。4.5.6 发光发光发光发光：材料吸收外界能量后，在可见光范围内以一定频率向外发射光子。陶瓷、半导体、共轭聚合物陶瓷、半导体、共轭聚合物可能发光荧光、磷光。荧光、磷光。应用：