材料科学与工程基础_顾宜_第四章第四节材料的电学性能.

第四章内容4-1固体材料的机械性能4-2材料的热性能4-3材料的电学性能4-4材料的磁学性能4-5材料的光学性能4-6材料的耐腐蚀性4-7复合材料的性能4-8纳米材料及效应Chapter12ElectricalPropertiesofMaterialsTheelectricalbehaviorsofthevariousmaterialsDescribetherelationshipofelectricalconductivitiesandfourpossibleelectronbandstructuresforsolidmaterials.HowtocalculatetheelectricalconductivitiesDefinedielectricconstantofadielectricmaterialsintermsofpermittivities.4-3材料的电学性能电力机械、交通电子、微电子日常生活材料的电学性能(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——静电现象不同材料电学性能的差异及其与组成和结构的关系电导率和电阻率的定义、电导机制、电导率的基本参数及影响因素材料的电子能带结构与电导性、光导性和半导电性公式超导电性的定义、超导体的2种特性、3个性能指标介电常数的定义、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击穿强度的定义材料电性能与温度的关系电导率(electricalconductivity)和电阻率4-3-1电导率和电阻率电阻率分：体积电阻率：V,Ω·m表面电阻率：S,Ω电阻率1、西门子电导率电导率(electricalconductivity)(1)表征材料导电性的大小。单位：S.m-1,（Ω.m）-1⑵根据电导率对材料的分类2、表4-19材料的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∞105-10810-7-10510-18-10-7⑶不同材料的电导率举例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各种材料在室温的电导率金属和合金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*10-410-7-10-1110-1010-10-10-1210-11-10-15〈10-1210-12-10-15〈10-14〈10-14〈10-14〈10-16〈10-16结合原子的电子结构讨论如何理解材料的电导现象，必须明确几个问题：1.参与迁移的是哪种载流子——有关载流子类别的问题2.载流子的数量有多大——有关载流子浓度、载流子产生过程的问题3.载流子迁移速度的大小——有关载流子输运过程的问题⑷决定电导率的基本参数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的迁移速度)μ=ν/Em2/(v.s)平均漂移速度（driftvelocity）ν，m/s电流密度（单位时间（1s）通过单位截面积的电荷量）J＝nqv电导率σ=J/E=nqv／E=nqμiiiinq⑸影响因素影响离子电导率的因素温度晶体结构晶格缺陷(A)声子对迁移率的影响,可写成μL=aT-3/2(B)杂质离子对迁移率的影响,可写成μI=bT3/2影响电子电导率的因素温度、杂质缺陷L111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σ∝T-1。半导体和绝缘体的电导率随温度变化以指数函数增大σ=σ0exp(-Eg/2kT)影响半导体电导率的因素：温度公式4-106，12.18k为Boltzmann常数=8.6210-5evEg为能带间隙能，Table12.2例题材料的结构与导电性StructuresandConductivity1、材料的电子结构与导电性能带electronenergyband4-3-2材料的结构与导电性外层电子能级N个原子N个能级重迭分离Section12.5(a)(b)金属Section12.5（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）重迭金属中的自由电子都能导电吗？费米能级理论影响金属导电性的因素电阻率温度:thermalvibration杂质:solidsolution塑性形变:dislocation散射电子局域：离子键共价键（2）绝缘体insulator离子固体的电导性离子性晶格缺陷的浓度温度晶体结构聚合物的电导性添加型结构型AlanJ.Heeger1/3oftheprizeUSAUniversityofCaliforniaantaBarbara,CA,USAb.1936发现并发展了导电聚合物诺贝尔化学奖获得者2000年白川英树HidekiShirakawa1/3oftheprizeJapanUniversityofTsukubaTokyo,Japanb.1936AlanG.MacDiarmid1/3oftheprizeUSAUniversityofPennsylvaniaPhiladelphia,PA,USAb.19271974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）1977年，Heeger、MacDiarmid和白川英树、发现当聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或I2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和取向，电导率可达105S·cm－1。（Teflon为10－16S·cm－1，Cu为108S·cm－1）。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的增加而减小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的跃迁包含：沿单一共轭体系的运动：阻力小或无在共轭体系之间的跃迁：阻力大聚乙炔，其掺杂的电导率大幅度提高，掺杂到6.67%时，能隙将消失。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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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）导电聚合物的应用（3）半导体Semiconductors本征半导体Intrinsicsemiconductors载流子：自由电子，n,负电荷空穴，holep,正电荷carrier例题杂质半导体extrinsicsemiconductorn型半导体n-TYPEEXTRINSICSEMICONDUCTION在Si、Ge等四价元素中掺入少量五价元素P、Sb、Bi、As在导带附近形成掺杂的能级电子型导电p型半导体p-TYPEEXTRINSICSEMICONDUCTION在四价的Si、Ge等四价元素中掺入B、Al、Sc、Y，在四价带附近形成掺杂的能级空穴型导电半导体的电导率与温度的关系热激发分子轨道理论受激态可能的形式π，π*状态n，π*状态，含有N、O或SCT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光电流激活能ΔE＝EJ－EI＝hv两种构型:单重态\三重态2．（2）光生载流子机理4-3-4材料的超导电性1、超导电性-(superconductivity)——在一定低温下材料突然失去电阻的现象（小于10-25Ω·cm）液氦，超导现象发现诺贝尔物理奖获得者1913年HeikeKamerlinghOnnestheNetherlandsLeidenUniversityLeiden,theNetherlandsb.1853d.1926汞，4.2KJ.GeorgBednorz1/2oftheprizeFederalRepublicofGermanyIBMResearchLaboratoryb.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破,诺贝尔物理奖获得者1987年K.AlexanderMuller1/2oftheprizeSwitzerlandR黶chlikon,Switzerlandb.1927超导电性的金属和合金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。超导化合物Nb3Sn，Tc=18～18．5K；Nb3Ge，Tc≈23．2K，Nb3（AlGe），Tc≈20．7K等超导电性的金属氧化物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，～140K2、超导体的两种特性：完全导电性完全抗磁性磁感应强度始终为零3、三个性能指标超导转变温度Tc愈高愈好临界磁场Hc破坏超导态的最小磁场。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保持超导状态的最大输入电流(与Hc相关)FIGURE18.22Criticaltemperature,currentdensity,andmagneticfieldboundaryseparatingsuperconductingandnormalconductingstates4-3-5材料的介电性材料极化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)，8．85xl0-12F／mΕ介质的电容率（或介电常数）permittivity(dielectricproperty)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（2）介电常数dielectricconstant,表征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εr=C/C0=ε/ε0相对电容量，无量纲常数一些材料的εr数值：石英——3.8；绝缘陶瓷——6.0；PE——2.3；PVC——3.8高分子材料的εr由主链结构中的键的性能和排列所决定的。表4-3-4某些材料的介电常数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