材料科学和工程基础顾宜材料的电学性能市公开课金奖市赛课一等奖课件

第四章

内容4-1固体材料机械性能4-2材料热性能4-3材料电学性能4-4材料磁学性能4-5材料光学性能4-6材料耐腐蚀性4-7复合材料性能4-8纳米材料及效应第1页Chapter12ElectricalPropertiesofMaterials

TheelectricalbehaviorsofthevariousmaterialsDescribetherelationshipofelectricalconductivitiesandfourpossibleelectronbandstructuresforsolidmaterials.

HowtocalculatetheelectricalconductivitiesDefinedielectricconstantofadielectricmaterials

intermsofpermittivities.4-3材料电学性能第2页电力机械、交通电子、微电子日常生活材料电学性能(electricalproperty)直流电场交变电场——介电性质弱电场

——导电性质强电场

——击穿现象

材料表面——静电现象第3页不一样材料电学性能差异及其与组成和结构关系电导率和电阻率定义、电导机制、电导率基本参数及影响原因

材料电子能带结构与电导性、光导性和半导电性公式

超导电性定义、超导体2种特征、3个性能指标

介电常数定义、介质极化三种机制，

交变电场中介电损耗成因及影响原因

击穿强度定义材料电性能与温度关系第4页电导率(electricalconductivity)和电阻率

4-3-1电导率和电阻率第5页电阻率分：

体积电阻率：V,Ω·m表面电阻率：S,Ω电阻率

1、第6页西门子电导率电导率(electricalconductivity)(1)表征材料导电性大小。

单位：S.m-1,

（Ω.m）-1⑵

依据电导率对材料分类2、第7页表4-19

材料分类及其电导率材料电阻率电导率超导体导体半导体绝缘体010-8-10-510-5-107107-1018∞105-10810-7-10510-18-10-7第8页⑶

不一样材料电导率举例①金属

自由电子

电导率高

导电性好②硅

半导体③离子固体

室温绝缘体

T高

电导率大

（无机非金属）

④高分子

杂质致有导电性第9页

各种材料在室温电导率金属和合金Σ(Ω-1.m-1)非金属σ（Ω-1.m-1）银铜，工业纯金铝,工业纯

Al-1.2%,Mn合金钠钨，

工业纯黄铜（70%Cu-30%Zn镍,工业纯纯铁,工业纯钛,工业纯TiC不锈钢，301型镍铬合金

(80%Ni-20%Cr）6.3*1075.85*1074.25*1073.45*1072.96*1072.1*1071.77*1071.66*1071.46*1071.03*1070.24*1070.17*1070.14*1070.093*107石墨SiC锗，纯硅，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）聚乙烯聚苯乙烯金刚石石英玻璃聚四氟乙烯105(平均)102.24.3*10-410-7-10-11<10-1010-10-10-1210-11-10-15〈10-1210-12-10-15〈10-14〈10-14〈10-14〈10-16〈10-16结合原子电子结构讨论第10页怎样了解材料电导现象，必须明确几个问题：

1.参加迁移是哪种载流子——相关载流子类别问题

2.

载流子数量有多大——相关载流子浓度、载流子产

生过程问题

3.

载流子迁移速度大小——相关载流子输运过程问题第11页⑷决定电导率基本参数

parameters

载流子类型

chargecarrier——

电子、空穴、正离子、负离子

载流子数

chargecarrierdensity----n,个/m3

载流子迁移率

electronmobility(物理意义为载流子在单位电场中迁移速度)

μ=ν/E

m2/(v.s)

平均漂移速度（driftvelocity）ν，m/s第12页电流密度（单位时间（1s）经过单位截面积电荷量）

J＝nqv电导率

σ=J/E=nqv／E=nqμ第13页⑸

影响原因影响离子电导率原因

温度

晶体结构

晶格缺点第14页第15页(A)声子对迁移率影响,可写成μL=aT-3/2

(B)杂质离子对迁移率影响,可写成

μI=bT3/2

影响电子电导率原因温度、杂质缺点第16页单质金属中主要散射机制是电声子相互作用,电导率温度关系为

σ∝T-1。半导体和绝缘体电导率随温度改变以指数函数增大

σ=σ0exp(-Eg/2kT)第17页影响半导体电导率原因：温度

公式4-106，12.18

k为Boltzmann常数=8.6210-5evEg为能带间隙能，Table12.2第18页例题第19页材料结构与导电性StructuresandConductivity1、

材料电子结构与导电性

能带

electronenergyband4-3-2材料结构与导电性第20页外层电子能级N个原子N个能级重迭分离第21页Section12.5第22页(a)(b)金属Section12.5第23页（1）导体

conductor

碱金属

锂、钠、钾

钠（1S22S22P63S1）

碱土金属

铍、镁、钙镁（1S22S22P63S2）

3S与3P重迭

贵金属

铜、银、金铜（1S22S22P63S23P63d104S1）

过渡金属

铁、镍、钴

铁（1S22S22P63S23P63d74S2）重迭第24页金属中自由电子都能导电吗？费米能级理论第25页影响金属导电性原因电阻率

温度:thermalvibration杂质:solidsolution塑性形变:dislocation第26页散射第27页第28页电子局域：离子键

共价键（2）绝缘体

insulator第29页第30页离子固体电导性离子性晶格缺点浓度温度晶体结构聚合物电导性添加型结构型第31页

AlanJ.Heeger1/3oftheprizeUSAUniversityofCaliforniaantaBarbara,CA,USAb.1936发觉并发展了导电聚合物诺贝尔化学奖取得者白川英树HidekiShirakawa

1/3oftheprizeJapanUniversityofTsukubaTokyo,Japan

b.1936AlanG.MacDiarmid1/3oftheprizeUSAUniversityofPennsylvaniaPhiladelphia,PA,USAb.1927第32页1974年，白川英树等人用Ziegler-Natta催化剂制备聚乙炔薄膜铜色（cis-，电导率10－8～10－7S·cm－1）银色（trans-，电导率10－3～10－2S·cm－1）第33页1977年，

Heeger、MacDiarmid和白川英树、发觉当聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或I2蒸气氧化后，其电导率可提升几个数量级。经过改变催化剂制备方法和取向，电导率可达105S·cm－1。（Teflon为10－16S·cm－1，Cu为108S·cm－1）。第34页图

3三维、二维和一维碳化合物材料共轭能带间隙随聚合物长度增加而减小第35页第36页掺杂

在聚合物上去掉或增加电子。

氧化掺杂（也称P型掺杂）用卤素掺杂

还原掺杂（也称n型掺杂）用碱金属进行：载流子在共轭聚合物材料中跃迁包含：

沿单一共轭体系运动：阻力小或无

在共轭体系之间跃迁：阻力大第37页聚乙炔，其掺杂电导率大幅度提升，掺杂到6.67%时，能隙将消失。第38页

聚乙炔链上共轭缺点（载流子）第39页

阳离子自由基产生和移动

聚乙炔异构化产生孤子及移动第40页导电聚合物电导率与温度关系第41页理想情况下，导电聚合物含有金属导电性，且重量轻、易加工、材料起源广等特点用作电极、电磁波屏蔽、抗静电材料等半导体器件和发光器件方面得应用

聚合物电池、电致变色显示器、

电化学传感器、场效应管、

聚合物发光二极管（LED）

导电聚合物应用第42页（3）半导体

Semiconductors

本征半导体

Intrinsicsemiconductors第43页载流子：自由电子，n,负电荷

空穴，hole

p,正电荷carrier第44页例题第45页杂质半导体

extrinsicsemiconductorn型半导体

n-TYPEEXTRINSICSEMICONDUCTION

在Si、Ge等四价元素中掺入少许五价元素P、Sb、Bi、As

在导带附近形成掺杂能级

电子型导电

第46页p型半导体

p-TYPEEXTRINSICSEMICONDUCTION

在四价Si、Ge等四价元素中掺入B、Al、Sc、Y，在四价带附近形成掺杂能级

空穴型导电

第47页半导体电导率与温度关系第48页第49页第50页热激发第51页分子轨道理论受激态可能形式

π，π*状态

n，π*状态，

含有N、O或S

CT状态——电荷转移受激态电子给体基团（如一NH2，一0H）及受体基（＞C=0，一N02）之间发生电荷转移

材料电子结构与光电导性材料电子结构与光电导性

photo-electrical(1)分子受激过程与能量交换光电流激活能

ΔE＝EJ－EI＝hv两种构型:

单重态\三重态2．第52页第53页（2）光生载流子机理第54页4-3-4材料超导电性1、

超导电性-(superconductivity)——在一定低温下材料突然失去电阻现象

（小于10-25Ω·cm）第55页液氦，超导现象发觉诺贝尔物理奖取得者19HeikeKamerlinghOnnes

theNetherlands

LeidenUniversity

Leiden,theNetherlandsb.1853

d.1926汞，4.2K第56页

J.GeorgBednorz1/2oftheprizeFederalRepublicofGermanyIBMResearchLaboratoryb.1950在陶瓷（金属氧化物）中发觉超导现象，超导研究取得重大突破,诺贝尔物理奖取得者

1987年K.AlexanderMuller

1/2oftheprizeSwitzerlandR黶chlikon,Switzerlandb.1927第57页超导电性金属和合金

Tc＜30K

钛、钒、锆、铌、钼、钽、钨、铼、铋、铝、锡、镉等28种。

二元合金NbTi，Tc＝8～10K；

NbZr，Tc≈10～11K。三元系合金有铌-钛-锆，Tc=10K；铌-钛-钽，Tc=9～10K。第58页超导化合物

Nb3Sn，Tc=18～18．5K；

Nb3Ge，Tc≈23．2K，Nb3（AlGe），Tc≈20．7K等

超导电性金属氧化物

1960‘sBa-Y-Cu-O系，35K,1986,Bednorz,MullerBa-Y-Cu-O系,100K,1987,我国赵忠贤等

Hg-Ba-Cu-O系，～140K第59页2、超导体两种特征：

完全导电性

完全抗磁性

磁感应强度一直为零第60页3、三个性能指标超导转变温度Tc

愈高愈好

临界磁场Hc

破坏超导态最小磁场。

随温度降低，Hc将增加；

当T＜Tc时,

Hc=Hc,0[1-（T/Tc)2]

临界电流密度Jc

保持超导状态最大输入电流

(与Hc相关)第61页FIGURE18.22

Criticaltemperature,currentdensity,andmagneticfieldboundaryseparatingsuperconductingandnormalconductingstates第62页第63页4-3-5

材料介电性材料极化

1．介质极化、电容、介电常数真空电容

Co=Qo/V＝ε0A/l介质中电容

C＝Q/V=εA/lε。真空电容率(或真空介电常数)，8．85xl0-12

F／mΕ

介质电容率（或介电常数）

permittivity(dielectricproperty)第64页原因：材料极化

极化原因

电子极化

电子云

偏离中心

离子极化

取向极化第65页（2）

介电常数

dielectricconstant,

表征电介质在电场作用下极化程度宏观物理量。

电介质相对介电常数

εr=C/C0=ε/ε0

相对电容量，无量纲常数第66页一些材料εr

数值：

石英——3.8；

绝缘陶瓷——6.0；

PE——2.3；

PVC——3.8高分子材料εr

由主链结构中键性能和排列所决定。第67页

表4-3-4一些材料介电常数ε（

T=25℃

ν=106Hx）

塑料和有机物

玻

璃

无机晶态材料聚四氟乙烯（Tefton）2.1

石英玻璃

3.8氧化钡

3.4聚异丁烯

2.23 耐热玻璃

3．8-3．9 云母

3.6聚乙烯

2.35 派勒克斯玻璃

4.0-6.0 氯化钾

4.75聚苯乙烯

2.55 碱-石灰-硅石玻璃

6.9 溴化钾

4.9丁基橡胶

2．56 高铅板璃

19.0

青石陶瓷

4.5-5.4有机玻璃

2.63 （2MgO·2Al2O33SiO4为基）聚氯乙烯

3.3

金刚石

5.5聚酰胺66 3.33镁橄榄石

6.22 (Mg2SiO4）

聚酯

3．1-4.0 多铝红柱石3Al2O36.62SiO2

酚甲醛

4.75 氟化镍

9.0氯丁橡胶

6.26

氧化镁

9.65纸

70第68页第69页第70页电介质在交变电场作用下,电能转变成热能而损耗

漏电导电流\极化电流损耗

介电常数可用复数表示：

=’-i

’’式中’为与电容电流相关介电常数，实数部分；

’’与电阻电流相关分量，虚数部分，2．

dielectricloss.介电损耗第71页介电损耗因子

滞后相位角

——损耗角

损耗角

正切：

tg=’’/’

介电损耗第72页影响tg

原因(1)

分子结构

极性

大

tg

大

基团数目

多

tg

大

(2)小分子及杂质(3)多相体系(4)交变电场频率(5)温度第73页表4-3-5高聚物介电性能高聚物ρv体积电阻率（.m）击穿强度（MV/m）介电常数（60Hz）介电损耗角正切值（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1014

>101410141012-10151012-101510121012-10161012101410161014101326-28

302415-252215-19

18-617-2225-4016-20202.2-2.4(1016Hz)

2.0-2.6(1016Hz)2.5(1016Hz)3.2-3.6(1016Hz)4.14.03.43.73.0