材料电学性能

4-3材料的电学性能(electricalproperty)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4-3-1电导率(electricalconductivity)和电阻率1、电阻率：体积电阻：Ｒv＝Vh／Ｓh：板状样品厚度，mＳ：板状样品的电极面积，m２体积电阻率V,单位为Ω·mV是描写材料电阻性能的参数，它只与材料有关表面电阻：Ｒs＝ＳＬ／bＬ：电极间的距离b：电极的长度表面电阻率S,单位为ΩS不反映材料的性质，它决定于样品表面状态2、电导率(electricalconductivity)(1)电导是指真实电荷在电场作用下在介质中的迁移，它是衡量材料电导能力的表观物理量。单位：S.m-1,即：（Ω.m）-1R=L/S=L/σS⑵根据电导率对材料的分类表4-19材料的分类及其电导率材料电阻率/Ω.m电导率/S.m-1超导体导体半导体绝缘体010-8-10-510-5-107107-1020∞105-10810-7-10510-20-10-7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（３）决定电导率的基本参数parameters电导率与两个基本参数相关，即载流子密度和载流子迁移率载流子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(其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度)即：μ=ν/E单位为m2/(v.s)电流密度（单位时间（1s）通过单位截面积的电荷量）J＝nqvn：单位体积内的载流子数；q：每一载流子的荷电量；v：每一载流子在Ｅ方向发生漂移的平均速度（m/s）电导率σ=J/E=nqv／E=nqμiiiinq更一般的表达式为：iiiinqqi是第i种载流子的荷电量，负电子、正空穴、正负离子都可以是诱导电流的载流子。该式反映电导率σ的微观本质，即宏观电导率σ与微观载流子的浓度n，每一种载流子的电荷量q以及每种载流子的迁移率μ的关系。4-3-2材料的结构与导电性StructuresandConductivity1、材料的电子结构与导电性能带理论重迭分离外层电子能级N个原子N个能级固体理论指出:（1）在无外场作用时,无论绝缘体、半导体或导体都无电流；（2）在外场作用下，不满带导电而满带不导电。由此可得出一个区别导体和绝缘体的原则，即固体中虽然有很多电子，但是如果一个固体中的电子恰好充填某一能带及其下面的一系列能带，并且在此之上相隔一个较宽禁带的其他能带都是空的，那么它就是绝缘体，相反，如果电子未能填满最高的能带，或者能带之间有重叠，结果就会形成导体。导体（半满带）导体（满带与空带有重叠）绝缘体半导体（1）导体conductor碱金属锂、钠、钾钠（1S22S22P63S1）：它是属于不满带的情况，故为导体，其中每个原子都有一个s价电子，众多原子聚合成固体后，s能级将分裂成很宽的s能带，而且是半充满的。碱土金属铍、镁、钙镁（1S22S22P63S2）：虽然每个原子的３s能带是满的，但它不是绝缘体而是导体，因为它们的３s能带与较高的能带3P有交叠的现象，故能导电。但是重叠程度有差异，例如钙的上、下两个能带重叠的部分很小，因而是不良导体。贵金属铜、银、金铜（1S22S22P63S23P63d104S1）：它们都有一个s态价电子，因d层填满，原子恰如钢球，不易压缩，贵金属等的价电子数是奇数，本身的能带也没有填满，故为良导体。过渡金属铁、镍、钴铁（3S23P63d74S2）：具有未满的d层，过渡金属的d层能夺取较高的s带中的电子而使能量降低，即d层和s层往往会产生能级交叉现象，故有导电性。（2）绝缘体insulator绝缘体的能带结构具有下列特征：在满带与导带之间存在一个较大的禁带，约大于6.408×10-19J，禁带宽度依物质不同而异，禁带越宽，绝缘性越好。无机绝缘体对温度的稳定性较好有机绝缘体随温度升高会发生热解，在多数情况下因游离出碳而使绝缘体变性。（3）半导体Semiconductors本征半导体Intrinsicsemiconductors半导体的禁带宽度较小，约在１.６０２×１０－１９Ｊ附近。例如室温下硅为１.７９４×１０－１９Ｊ，故在室温由晶体中原子的振动就可使少量电子受到热激发，从满带跃迁到导带，即在导带底部附近存在少量电子，从而在外电场下显示出一定导电性。半导体在一般条件下就具有一定的导电能力，这是与绝缘体的主要区别。实际上，半导体在外电场下显示出的传导性能，不仅与激发到导带中的电子有关，还与满带的空穴有关。半导体的一个电子从价带激发到导带上，便产生两个载流子，即形成空穴－电子对，这是与金属导电的最大区别。载流子：自由电子，负电荷空穴，hole，正电荷carrier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等，因价电子多出一个，在导带附近会形成由杂质造成的能级。这种杂质能级与导带之间的禁带宽度很窄，故多余的一个电子在室温下就可跃迁到导带上去。这类电子型导电的半导体，称为n型半导体。Section12.11p型半导体p-TYPEEXTRINSICSEMICONDUCTION在四价元素Si、Ge等中掺入少量三价元素B、Al、Sc、Y，在价带附近形成掺杂的能级，因缺少一个电子，以少许的能量就可使电子从价带跃迁到掺杂能级上，相应地在价带中则形成一定数量的空穴，这些空穴可看成是参与导电的带有正电的载流子。这种空穴型导电的半导体，称为p型半导体。本征半导体n型半导体p型半导体半导体的导电性能取决于传导电子数和空穴数。掺入的杂质的种类和数量可控制半导体的导电类型和电导率。本征半导体：在外界能量作用下电子从满带激发到导带从而具有半导体性质，属于电子和空穴的混合导电。温度越高，从满带激发至导带的电子数就越多，导带或满带中的载流子数就越大，导电性就越好。杂质半导体：在硅晶体中掺磷后，磷原子很容易贡献出一个电子进入导带，使硅晶体成为电子型导电。每个杂质磷原子能提供一个参与导电的电子，故称为施主。施主失去电子后成为正离子，其正电荷显然是被束缚的，不能自由移动。施主能级靠近导带的下缘。在硅晶体中加入三价元素硼，则硼原子与相邻的四个硅原子以共价键结合时，尚缺少一个电子。此时硅的满带中的电子由于热激发很容易到达硼原子处，填补所缺的电子。满带中就产生了一个空穴，这个空穴可自由移动，是能导电的自由载流子。由于硼原子很容易吸收满带中的电子，故把硼原子称为受主。所以掺硼的硅半导体是空穴型导电。受主原子获得额外的电子后成为负离子，其负电荷也是束缚电荷。受主能级靠近满带的上缘。4-3-4材料的超导电性(superconductivity)1、超导电性——在一定低温下材料突然失去电阻的现象（小于目前所能检测的最小电阻率10-25Ω·cm）超导现象发现诺贝尔物理奖获得者1913年HeikeKamerlinghOnnestheNetherlandsLeidenUniversityLeiden,theNetherlandsb.1853d.19261908年氮液化--4.2K低温1911年汞，4.2K，电阻消失J.GeorgBednorzK.AlexanderMuller1/2oftheprize1/2oftheprizeFederalRepublicofGermanySwitzerlandIBMResearchLaboratoryR.chlikon,Switzerlandb.1950b.1927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，超导电性的金属和合金临界温度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，～140K超导现象的发现及高温超导材料超导体临界温度随年代的变化19862、超导体的三种特性：完全导电性：例如在室温下把超导体做成圆环放在磁场中，并冷却到低温使其转入超导态，这时把原来的磁场去掉，则通过磁感作用，沿着圆环将感生出电流。由于圆环的电阻为零，故此电流将永不衰减，称为永久电流。零电阻的应用:“持久电流实验”铅环1954年3月到1956年9月费勒和密尔斯核磁共振方法衰减时间不少于10万年超导输电损耗15%1000多亿度制造大型磁铁体积小、能耗少、磁场强安装在长通电缆公司的75m高温超导电缆直流输电高温超导电缆结构示意图完全抗磁性：处于超导状态的材料，不管其经历如何，磁感应强度B始终为零，这就是所谓迈斯纳效应。因此，超导体具有屏蔽磁场和排除磁通的性能。常导态超导态实验:浅平锡盘+体积小磁性强的永久磁铁锡盘出现超导性小磁体离开锡盘表面悬浮空中降温磁场畸变，产生浮力小磁铁悬浮在Ba-La-Cu-O超导体（浸在液氮中）上方的照片小磁铁超导磁悬浮列车：MLX低温超导型磁悬浮列车运行速度可500~600km/h，每次振动偏差上下不超过0．3毫米，左右不超过0．6毫米2000年12月，西南交通大学超导技术研究所研制出了世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车——“世纪号”，悬浮净高大于20毫米，时速最高可达每小时300公里。约瑟夫森效应：1962年，年仅22岁的英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森（BrianDavidJosephson）预言，当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成一个超导结时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。他还总结出：（1）超导结中可以形成无阻的超导电流；（2）超导结两端加电压，将产生高频振荡；没有电压降（3）超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。MPMS(SQUID)VSM磁学测量系统超导量子干涉仪（SQUID）用作磁强计，可精确到10-7T。为了对这个量级有所理解，可以列举一些例子。地磁场的磁感应强度为103T；环境磁噪声的磁感应强度为10-4～10-1T；人们的肺、心、脑都有一定的生物磁感应强度，分别为10-1T、10-2T和10-5T。由此可见，比脑磁场还弱100倍的磁场，SQUID都能准确地测量出来。以心脏为例，心磁图可以衡量直流电效应，而心电图对直流电效应无法感知。并且，磁场测量几乎不受信号源和检测线圈之间夹杂物的影响，所以可以检出局部的信号。•3、三个性能指标•超导转变温度Tc超导体低于某一温度Ｔc时，•便出现完全导电和迈斯纳效应等基本特性。•超导材料转变温度越高越好，越有利于应用。•临界磁场Hc破坏超导态的