无机材料物理性能6

无机材料物理性能2023年2月5日第十讲无机材料的电导第六章材料的电学性能主要包括电导：离子电导(非金属材料)

电子电导（金属、半导体）超导（金属、非金属）介电性：

铁电性压电性热释电性材料电学性能应用导体材料：各种电缆电阻和电热材料：取暖器，硅碳棒，硅钼棒热电和光电材料：太阳能板半导体材料：大规模集成电路（无机电容，硅片等）电介质材料：绝缘子，电容中的陶瓷片。无机材料的电导本部分的主要内容电导的物理现象

离子电导

电子电导

无机非金属材料电导

电导的应用无机材料的电导本部分的关键：理解并掌握如下公式的含义5.1电导的物理现象欧姆定律示意图一、电导的宏观参数1、欧姆定律2、电流密度对于形状规则的均匀材料，电流是均匀的，电流密度J在各处是一样的。

定义：单位面积通过的电流，或单位时间通过单位面积的电荷量。表达式：

(A•cm-2)3、电场强度

定义：单位长度上的电势差。表达式：(V•cm-1)4、电阻率：ρ为电阻率，为反映材料电阻性能的参数5、电导率：反映材料的电阻性能。E：V/cm

6、欧姆定律的微分形式

电导的宏观参数7、体积电阻和体积电阻率电流:电阻:体积电阻Rv与材料性质及样品几何尺寸的关系:电导的宏观参数h－板状样品的厚度(cm)S－板状样品的电极面积(cm2)ρv－体积电阻率为描写材料电阻性能的参数电导的宏观参数体积电阻和体积电阻率管状式样电导的宏观参数体积电阻和体积电阻率圆片式样体积电阻率的测量g电导的宏观参数片状试样电导的宏观参数精确测定结果:电导的宏观参数8、表面电阻和表面电阻率板状式样电导的宏观参数圆片试样VIabgr1r2电导的宏观参数直流四端电极法

适用于中高电导率的材料，能消除电极非欧姆接触对测量结果的影响。电导的宏观参数在室温下测量电导率常采用简单的四探针法二、电导的物理特性1、载流子：定义：负载电荷并可形成电流的自由粒子。如：金属中：自由电子；无机材料中：电子，离子，电子空穴，离子空位；电子电导：载流子为电子，电子空穴；离子电导：载流子为离子，离子空位。2、霍尔效应（电子电导特性）现象：沿试样x轴方向通入电流I（电流密度Jx），Z轴方向加一磁场Hz，那么在y轴方向上将产生一电场Ey，这一现象称为霍尔效应。所产生电场为：电导的物理特性电导的物理特性霍尔系数霍尔系数RH为霍尔系数。正负号为载流子带电符号。ni为载流子浓度。实质：运动电荷在磁场中受力所致，但此处的运动电荷只能是电子，因其质量小、运动容易，故此现象只出现于电子电导时，即可用霍尔效应的存在与否检验材料是否存在电子电导。电导的物理特性应用：霍尔效应可检验材料是否存在电子电导；离子电导不呈现霍尔效应的质量比电子大得多，磁场作用力不足以使它产生横向位移，因而纯离子电导不呈现霍尔效应。3、电解效应（离子电导特性）离子的迁移伴随质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产生新的物质。

电导的物理特性法拉第电解定律：

——电解物质的量——通过的电量

——电化当量——法拉第常数实质：类似电解质溶液中的电解。如NaCl溶液的电解。应用：可检验陶瓷材料是否存在离子电导。

4、迁移率和电导率的一般表达式物体的导电现象，其微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。设单位截面积为，在单位体积内载流子数为，每一载流子的电荷量为，则单位体积内参加导电的自由电荷为。如果介质处在外电场中，则作用于每一个载流子的力等于。在这个力的作用下，每一载流子在方向发生漂移，其平均速度为。容易看出，单位时间（1s）通过单位截面的电荷量为J——电流密度根据欧姆定律该式为欧姆定律最一般的形式。因为、只决定于材料的性质，所以电流密度与几何因子无关，这就给讨论电导的物理本质带来了方便。由上式可得到电导率为令（载流子的迁移率）。其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上式反映电导率的微观本质，即宏观电导率与微观载流子的浓度，每一种载流子的电荷量以及每一种载流子的迁移率的关系。5.2离子电导本征电导（固有离子电导）：源于晶体点阵的基本离子的运动。杂质电导：由固定较弱的离子（杂质）的运动造成。离子电导注意：电导的基本公式：只有一种载流子时：有多种载流子时：

离子电导要研究的主要内容：载流子浓度离子迁移率离子电导率影响离子电导率的因素

离子电导一、载流子浓度本征电导：源于晶体点阵的基本离子的运动。固有电导中，载流子由晶体本身的热缺陷提供。载流子浓度晶体的热缺陷主要有两类：弗仑克尔缺陷肖特基缺陷载流子浓度弗仑克尔缺陷：Nf:单位体积内填隙离子数或空位数；N：为单位体积内离子结点数；Ef:为同时生成一个填隙离子和一个空位所需要的能量。载流子浓度肖特基空位浓度Ns：单位体积内正离子或负离子数；N：为单位体积内离子对的数目；Es：为离解一个阴离子和一个阳离子并到达表面所需要的能量。载流子浓度一般肖特基缺陷形成能比弗仑克尔缺陷形成能低许多高温下:离子晶体的电导主要由热缺陷浓度决定低温下:离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定载流子浓度杂质电导：由固定较弱的离子（杂质）的运动造成。杂质电导中，载流子浓度取决于杂质的数量和种类。二、离子迁移率离子电导的微观机构为载流子──离子的扩散。间隙离子的扩散过程就构成了宏观的离子“迁移”。离子扩散机构离子迁移率间隙离子的势垒离子迁移率间隙离子的势垒变化离子迁移率离子迁移与势垒的关系

ν0－间隙原子在半稳定位置上振动频率离子迁移率当外加电场时定向移动次数为：离子迁移率载流子沿电场方向的迁移速度Vδ－相邻半稳定位置间的距离当场强不太大时，ΔU<<kT，则离子迁移率又因为载流子迁移速度载流子迁移率离子电导δ－相邻半稳定位置间的距离（cm）γ0

－间隙离子的振动频率(s-1)q－电荷数(C)k=0.86×10-4(eV/Ｋ)U0

－无外电场时的间隙离子的势垒（eＶ）

上式各物理量的意义三、离子电导率离子电导率的一般表达方式如果本征电导主要由肖特基缺陷引起，其本征电导率为：离子电导率本征离子电导率一般表达式为：若有杂质也可依照上式写出：离子电导率只有一种载流电导率可表示为：写成对数形式:活化能:离子电导率有两种载流子时总电导可表示为:有多种载流子时总电导可表示为:影响离子电导率的因素离子电导率呈指数关系，随温度升高，电导率迅速增

大。

低温下，杂质电导占

主要地位(曲线1)；高温下，固有电导起主要作用。1、温度杂质离子电导与温度的关系影响离子电导率的因素离子电导率2、晶体结构活化能大小取决于晶体间各粒子的结合力。而晶体结合力受如下因素影响：离子半径：离子半径小，结合力大离子电荷，电价高，结合力大堆积程度，结合愈紧密，可供移动的离子数目就少，且移动也要困难些，可导致较低的电导率影响离子电导率的因素离子电导率3、晶格缺陷离子性晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键所在。而影响晶格缺陷生成和浓度的主要有如下因素：热激励生成晶格缺陷(肖特基与弗仑克尔缺陷)不等价固溶掺杂离子晶体中正负离子计量比随气氛的变化发生偏离固体电解质简介定义具有离子电导的固体物质称为固体电解质离子晶体要具有离子电导的