第八章 材料的电学表征技术

1、1第八章第八章 材料电学表征方法材料电学表征方法2本章讲授的内容本章讲授的内容v1. 导电性能分析导电性能分析v2. 热电势分析热电势分析v3.介电性能分析介电性能分析v4. 压电性能分析压电性能分析38.1 8.1 电阻与导电的基本概念电阻与导电的基本概念v8.1.1 8.1.1 电阻率电阻率v8.1.2 8.1.2 电导率电导率n电阻率和电导率都与材料的尺寸无关，而只决定于它电阻率和电导率都与材料的尺寸无关，而只决定于它们的性质，因此是物质的本征参数，可用来作为表征们的性质，因此是物质的本征参数，可用来作为表征材料导电性的尺度。材料导电性的尺度。48.1.3 根据材料导电性能好坏，可把材料

2、分为：根据材料导电性能好坏，可把材料分为：v导体导体v半导体半导体v绝缘体绝缘体: : 1010-2-2mm : 10 : 10-2-2m m 10 101010mm: : 10 101010mmv不同材料的导电能力相差很大，这是由它们的结不同材料的导电能力相差很大，这是由它们的结构与导电本质所决定的。构与导电本质所决定的。523VCI优点：消除接触电阻r=8.1.4 四探针法测量半导体电阻四探针法测量半导体电阻6为什么要用四根探针呢？因为金属与半导体接触时往往要形成阻挡层，造成很大的接因为金属与半导体接触时往往要形成阻挡层，造成很大的接触电阻，当有电流通过接触处时就会产生很大的电压降。同触电

3、阻，当有电流通过接触处时就会产生很大的电压降。同时，在金属与半导体接触处，当有点电流通过时，也可能发时，在金属与半导体接触处，当有点电流通过时，也可能发生少子注入现象，使得接触处附近的半导体电阻有所变化。生少子注入现象，使得接触处附近的半导体电阻有所变化。因此，如果仅用两根探针，既做电流探针，又做电压探针，因此，如果仅用两根探针，既做电流探针，又做电压探针，则测得的电压就不是真正半导体的电压，二是包含接触电阻则测得的电压就不是真正半导体的电压，二是包含接触电阻和注入效应的电压。但是在电流探针之间再加上两根探针，和注入效应的电压。但是在电流探针之间再加上两根探针，专做测量半导体的电压用，则在很大

4、程度上可消除接触电阻专做测量半导体的电压用，则在很大程度上可消除接触电阻的影响。此外，为了进一步消除电压探针本身的接触电阻和的影响。此外，为了进一步消除电压探针本身的接触电阻和注入效应，往往还采用补偿法来测量电压，使电流不必通过注入效应，往往还采用补偿法来测量电压，使电流不必通过电压探针。这样采用四根探针后，测量的半导体电阻较为准电压探针。这样采用四根探针后，测量的半导体电阻较为准确确。7接触电阻的定义接触电阻的定义u 何为接触电阻？何为接触电阻？接触电阻就是电流流过闭合的接触点对时的电阻接触电阻就是电流流过闭合的接触点对时的电阻.适用产品适用产品: 连接器、继电器线束、开关等元件连接器、继电

5、器线束、开关等元件. 物体电阻的产生物体电阻的产生: 在电场作用下，物体内部电子的振动与原子内其他在电场作用下，物体内部电子的振动与原子内其他物质的振动相互碰撞引起的物质的振动相互碰撞引起的,而接触点由于是两种物质的接触，自然会而接触点由于是两种物质的接触，自然会有更多的杂质和其他物质，这样接触电阻就会产生有更多的杂质和其他物质，这样接触电阻就会产生.u 接触电阻的产生？接触电阻的产生？8 在显微镜下观察连接器接触件的表面，尽管镀金层十分光滑，则仍能观察到5-10微米的凸起部分。会看到插合的一对接触件的接触，并不整个接触面的接触，而是散布在接触面上一些点的接触。实际接触面必然小于理论接触面。根

6、据表面光滑程度及接触压力大小，两者差距有的可达几千倍。实际接触面可分为两部分： 一.真正金属与金属直接接触部分。即金属间无过渡电阻的接触微点，亦称接触斑点，它是由接触压力或热作用破坏界面膜后形成的。此部分约占实际接触面积的5-10%。 二.通过接触界面污染薄膜后相互接触的部分。因为任何金属都有返回 原氧化物状态 的倾向。接触电阻形成原理接触电阻形成原理铜只要铜只要2-3分钟，镍约分钟，镍约30分钟，铝仅需分钟，铝仅需2-3秒钟，其表面便可形成厚度约秒钟，其表面便可形成厚度约2um的氧化膜层的氧化膜层9接触电阻一般由收缩电阻、表面膜电阻和导体电阻组成接触电阻一般由收缩电阻、表面膜电阻和导体电阻组

7、成.收缩电阻收缩电阻 是电流在流经电接触区域时，从原来截面较大的导体 突然转入截面很小的接触点，电流发生剧烈收缩现象（或集中现象），此现象所呈现的附加电阻称为收缩电或集中电阻。表面膜电阻表面膜电阻:由于接触表面氧化膜层及其他污染物所构成的电阻称为膜层电阻或界面电阻。接触电阻的组成接触电阻的组成导体电阻导体电阻: 实际测量电连接器接触件的接触电阻时，都是在接点引出端进行的，故实际测得的接触电阻还包含接触表面以外接触件和引出导线本身的导体电阻。导体电阻主要取决于金属材料本身的导电性能，它与周围环境温度的关系可用温度系数来表征。 为便于区分，将收缩电阻加上表面膜电阻称为真实接触电阻真实接触电阻。而将

8、实际测得包含有导体电阻的称为总接触电阻总接触电阻。R= Rs+ Rf + Rp,式中：式中：Rs收缩电阻；收缩电阻；Rf膜层电阻；膜层电阻；Rp导体电阻。导体电阻。1011128.1.5 直流电位差计法直流电位差计法13优点：直接消除连线和接触电阻，适合测高，低温电阻14v影响电阻的因素1.环境因素的影响温度的影响应力的影响2.组织结构的影响塑性形变的影响热处理的影响3.合金元素及相结构的影响固溶体的电阻不均匀固溶体的电阻金属化合物的电阻多相合金的电阻15 （1）塞贝克效应（1821） 当两种不同金属或合金A,B组成闭合回路时， 若两接触点处温度不同，回路中将产生电流 ，相应的电动势称作热电势

9、。 在热端，电流从低电势流向高电现象：规定：势。 8.2 8.2 热电效应热电效应16热电势由温差电势和接触电势组成。 温差电势：同一导体两端由于温度不同，电子 由高温端向低温端扩散产生的电势。 接触电势：由于不同导体电子浓度/能量不同， 在接触部位因扩散而引起的电势。 解释： 171122,NNInInNNN1121212212121122121122212112温 差 电 势 的 大 小 ： V （ T ， T ） ST， V （ T ， T ） ST S称 作 汤 姆 逊 系 数kTkT接 触 电 势 的 大 小 ： V（ T ） V（ T ） ee 代 表 自 由 电 子 浓 度热 电

10、 动 势 的 大 小 ： V V（ T ） V（ T ） V （ T ， T ） V （ T ， T ） DD18 当两种不同金属或合金A, B组成闭合回路时， 若回路通以电流，则两接触点将产生温度差。 因此帕耳贴效应属于塞贝克效应的逆效应。接触电势对电子做功为正，则接触点放热； 接触电势对电子做功为负，则接触点吸热。现象： 结果： 接触点部位电子的解释: 跃迁。 能级升 高 （2）帕尔贴效应）帕尔贴效应AVBVATB19对帕尔帖效应的物理解释是：对帕尔帖效应的物理解释是：v电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它载体在

11、不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。热的形式吸收或放出。 20帕尔帖热的测量帕尔帖热的测量v先从一个方向通入电流，测的热量先从一个方向通入电流，测的热量QJ+Qp（放热）。然后再从另外一个方向通入电流，（放热）。然后再从另外一个方向通入电流，测的热量为测的热量为QJ-Qp（吸热），二者只差就是（吸热），二者只差就是2Qp，则可得出帕尔帖热。，则可得出帕尔

12、帖热。21对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体组成的电偶型半导体组成的电偶应用：半导体制冷，利用半导体帕尔贴效应大的特点应用：半导体制冷，利用半导体帕尔贴效应大的特点22（3）汤姆逊效应）汤姆逊效应对于同一种金属，若两端的温度不相同，电子也要发生迁移对于同一种金属，若两端的温度不相同，电子也要发生迁移,于是在于是在导体的导体的M与与M两点之间产生一个静电势两点之间产生一个静电势V，见图由于导体，见图由于导体中存在中存在V，若给导体通以电流，若电流方向与热电流的方向一致，若给导体通以电流，若电流方向与热电流的方向一致，则放出热量则放出热量,若方向相反，则吸收热量，这种现象称为汤姆逊效应。若方

13、向相反，则吸收热量，这种现象称为汤姆逊效应。T1MMT2TT+TVV+V23v1909年开始研究热点转换效率，目前热点材年开始研究热点转换效率，目前热点材料已经广泛的应用于加热、制冷和发电等机料已经广泛的应用于加热、制冷和发电等机制中。制中。242526电差位计电差位计27v影响热电势的因素v金属本质的影响v温度的影响v合金化的影响v相变影响288.3 介电性能分析介电性能分析v介质在电场作用下产生感应电荷的现象，称介质在电场作用下产生感应电荷的现象，称为介质的为介质的极化极化。这种材料叫。这种材料叫电介质电介质。v等量异号电荷相距一段距离，这个系统就称等量异号电荷相距一段距离，这个系统就称为

14、为电偶极子电偶极子，电荷和位移的乘积称为这个系，电荷和位移的乘积称为这个系统的统的电偶极矩电偶极矩。8.3.1 极化的概念极化的概念29v非极性粒子非极性粒子正负电荷中心重合，在外电场的正负电荷中心重合，在外电场的作用下形成电偶极子。作用下形成电偶极子。v极性粒子极性粒子本身具有一定的电偶极矩，在外电本身具有一定的电偶极矩，在外电场的作用下定向排列。场的作用下定向排列。电介质粒子分为极性和非极性两类电介质粒子分为极性和非极性两类30真空真空+E+自由电荷自由电荷+偶极子偶极子束缚电荷束缚电荷(1) 具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象 极化现象

15、及其物理量极化现象及其物理量31偶极子的产生有两种基本形式：偶极子的产生有两种基本形式：第一种：弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。第一种：弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。 包括：电子位移极化、离子位移极化。包括：电子位移极化、离子位移极化。 2 2 极化机制极化机制第二种：该极化与热运动有关，其完成需要一定的第二种：该极化与热运动有关，其完成需要一定的 时间时间,且是非弹性的，需要消耗一定的能量。且是非弹性的，需要消耗一定的能量。 包括：松弛极化、取向极化、空间电荷极化包括：松弛极化、取向极化、空间电荷极化322220220161()010eeememS 15在 外 电 场 作 用

16、下 ， 原 子 外 围 的 电 子 云 相 对 于 原 子 核 发 生 相 对 位 移 产 生 的 极 化 。 极 化 率 当， 静 态 极 化 率瞬 间 完 成 ： 10， 不 消 耗 能 量 。 awwwaw=-=（1）电子位移极化：3322202201()iiqMqM1213离子在电场作用下, 偏离平衡位置引起的极化极化率静态下几乎瞬间完成：1010S，不消耗能量 awwaw=-=（2）离子位移极化：34（3） 松弛极化松弛极化松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。子。松弛极化：松弛质点松弛极化：松弛质点 由于热运动使之分布混乱，

17、由于热运动使之分布混乱， 电场电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能，需吸收一定的能量量（10-2 1010-9-9S S ），），是一种是一种非可逆过程非可逆过程。35（4 4）转向极化：转向极化：具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致，与极性分子的热

18、运动达到统计平衡状态，整体与极性分子的热运动达到统计平衡状态，整体表现为宏观偶极矩。表现为宏观偶极矩。极化率极化率比电子高得多，建立时间：比电子高得多，建立时间： 1010-2-21010-10-10 s s36（5）空间电荷极化：）空间电荷极化：在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；在障碍处，自在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般为高压式极化。由电子积聚，形成空间电荷极化，一般为高压式极化。极化率随温度升高而下降。因为温度升高

19、，离子运动加剧，离极化率随温度升高而下降。因为温度升高，离子运动加剧，离子容易扩散，空间电荷减小。子容易扩散，空间电荷减小。极化时间较长，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此空极化时间较长，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此空间电荷极化只对直流和低频下的极化强度有贡献。间电荷极化只对直流和低频下的极化强度有贡献。-+-+-+外电场外电场P37空间电荷极化空间电荷极化松弛极化松弛极化取向极化取向极化离子极化离子极化电子极化电子极化 工频工频 声频声频 无线电无线电 红外红外 紫外紫外极极化化率率或或 极化率和介电常数与频率的关系极化率和介电常数与频率的关系38 各种极化形式的比较各种极化形式的比较极化形式极化形式极化的电极化的电介质种类介质种类极化的频极化的频率范围率范围与温度的关与温度的关系系能量消耗能量消耗电子位移电子位移极化极化一切陶瓷一切陶瓷直流直流光频光频无关无关无无离子位移离子位移极化极化离子结构离子结构直流直流红外红外温度升高极温度升高极化增强化增强很弱很弱离子松弛离子松弛极化极化离子不紧离子不紧密的材料密的材料直流直流超高频超高频随温度变化随温