第六讲-金属材料的导电性课件

第二章 材料的电学性能 顾修全第二章 材料的电学性能 1第六讲-金属材料的导电性课件2在许多情况下，材料的导电性能比力学性能和热学还重要。导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材料和绝缘材料等都是以材料的导电性能为基础的。在许多情况下，材料的导电性能比力学性能和热学还重要。导电材3n 长距离传输电力的金属导线应该具有很高的导电性，以减少由于电线发热造成的电力损失。举例：n 陶瓷和高分子的绝缘材料必须具有不导电性，以防止产生短路或电弧。n 作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要求更高，以追求尽可能高的太阳能利用效率。长距离传输电力的金属导线应该具有很高的导电性，以减少由于电4本章内容金属的导电性合金的导电性半导体的导电性材料的介电性材料的超导电性本章内容金属的导电性5什么是材料的导电性？导电导电电阻电阻电阻率电阻率电导率电导率能够携带电荷的粒子称为载流子u 金属、半导体和绝缘体中载流子电子 u 离子化合物中的载流子离子 微观机理：材料中带有电荷的粒子响应电场作用发生 定向移动的结果。欧姆定律欧姆定律什么是材料的导电性？导电电阻电阻率电导率能够携带电荷的粒子称6一些材料在室温下的电阻率一些材料在室温下的电阻率7材料按电性能分类:导体、半导体、绝缘体材料按电性能分类:导体、半导体、绝缘体8导导 体体 纯金属的电阻率在108 107 m 金属合金的电阻率为107 105 m半导体半导体 电阻率为103 10+5 m绝缘体绝缘体 电阻率为10+9 10+17 m电阻率的大小取决于材料的结构。导 体 纯金属的电阻率在108 107 9第一节 金属的导电性 晶体的能带理论 金属的导电机制 马基申定则 影响因素 第一节 金属的导电性 晶体的能带理论101.晶体的能带理论 晶体的能带理论是在量子力学研究金属导电理论的基础上发展起来的，它的成功之处是在于定性地阐明了晶体中电子运动的规律。特征：不连续能量分布的价电子在周期性势场中的运动。原子核电子内层电子外层电子离子实价电子构成等效势场1.晶体的能带理论 晶体的能带理论是在量子力学研11能带理论的出发点是固体中的电子不再束缚于个别的原子，而是在整个固体内运动，称为共有化电子。在讨论共有化电子的运动状态时，假定原子实处在平衡位置，而把原子实偏离平衡位置的影响看成微扰。能带理论的基本思想能带理论的出发点是固体中的电子不再束缚于个别的原子，而是在整12晶体的能带价电子的共有化使单个原子的价电子能级分裂，形成了能带。晶体的能带价电子的共有化使单个原子的价电子能级分裂，形成了能13能量能量能带能带能带能带禁带禁带平衡间距平衡间距原子间距原子间距能级能级能级能级孤立原子孤立原子的能级的能级能量能带能带禁带平衡间距原子间距能级能级孤立原子的能级14电子的填充规则n电子填充在一系列准连续分布的能级上，服从泡利不相容原理，即依次从低向上填充，每一个能级上最多可填充2个电子；n电子的分布服从费米-狄拉克分布：n电子占据几率为1/2的能级位置称为费米能级，它反映了电子的填充水平。电子的某一能级上的分布几率：电子的填充规则电子填充在一系列准连续分布的能级上，服从泡利不15费米分布函数0K 时为一折线，在能量高于费米能量的区域几率为零温度的升高将使得少量能量较高的电子跃迁到高能级。费米能级费米分布函数0K 时为一折线，在能量高于费米能量的区域几率为16第六讲-金属材料的导电性课件17金属、半导体及绝缘体的比较导带和价带重叠绝缘体的禁带一般大于 5 eV半导体的禁带一般小于 3 eV金属、半导体及绝缘体的比较导带和价带重叠绝缘体的禁带一般大于18金属绝缘体半导体特征：最高占有带仅部分充满，即除了满带外，存在不满带。特征：电子恰好填满了最低的一系列能带，能量更高的 能带都是空的，而且禁带很宽（大于5 eV）。特征：禁带宽度较窄（低于2.0 eV）。金属绝缘体半导体特征：最高占有带仅部分充满，即除了满带外，存19常用术语导带：最低的不满带价带：最高的满带禁带：价带最高能级与导带最低能级之间的 能量间隙满带：所有能级全被2N个电子所充满的能带空带：无电子填充的能带 允带：允许电子能量存在的范围 常用术语导带：最低的不满带20为什么金属能够导电？无外电场时满带不满带E(k)v(k)kkE(k)kv(k)k在无外电场作用时，无论是满带还是非满带电子对电流的贡献均为零，故晶体中无宏观电流。为什么金属能够导电？无外电场时满带不满带E(k)v(k)kk21E(k)v(k)kk有外电场时满带不满带E(k)kv(k)k在外电场作用下：满带电子没有导电作用；而在非满带中的电子运动可以产生电流。为什么金属能够导电？E(k)v(k)kk有外电场时满带不满带E(k)kv(k)k22第一节 金属的导电性 晶体的能带理论 金属的导电机制 马基申定则 影响因素 第一节 金属的导电性 晶体的能带理论232.金属的导电机制金属纯金属、合金晶态、非晶态纯金属：易于从理论上探讨其物性的共同规律。合金或金属间化合物：可从工程上突出其使用性能。金属电学性能的研究对象2.金属的导电机制金属纯金属、合金晶态、非晶态纯金属：易于24Mg 金属电子能带金属电子能带3s3pNa 金属电子能带金属电子能带3s3pAl 金属电子能带金属电子能带3p3s满满电电子子能能带带半半满满带带满满电电子子能能带带空空带带存在导带存在导带满带和空带重叠满带和空带重叠满满电电子子能能带带允允带带满带和允带重叠满带和允带重叠几种典型金属的能带Mg 金属电子能带3s3pNa 金属电子能带3s3pAl 金25实际晶体总会有杂质，存在缺陷。传导电子在输运过程中的散射：电子电子(电子散射)电子声子(声子散射)电子与杂质原子电子与晶体点阵静态缺陷的相互作用金属中的电阻基本电阻基本电阻0 K下为零理想金属的电阻只与电子散射和声子散射两种机制有关。残余电阻残余电阻实际晶体总会有杂质，存在缺陷。传导电子在输运过程中的散射：金26电子-声子与T 成正比电子-缺陷与T 无关电子-声子与T 成正比27第一节 金属的导电性 晶体的能带理论 金属的导电机制 马基申定则 影响因素 第一节 金属的导电性 晶体的能带理论283.马基申定则为金属的基本电阻率，与温度有关；为化学缺陷和物理缺陷引起的残余电阻率，与温度无关。声子散射和电子散射杂质和缺陷上的散射反映了金属的纯度和完整性3.马基申定则为金属的基本电阻率，与温度有关；为化学缺陷和29常常采用相对电阻率晶体越纯，越完善，相对电阻率越大，许多完整的金属单晶可得到高达2l04的相对电阻率。u 对理想的金属（没有缺陷和杂质），其电阻率在绝对 零度时为零；u 金属的电阻率随温度升高而增大；u 高温时金属的电阻率取决于 ，低温时取决于 。常常采用相对电阻率 对理想的金属（没有缺陷和杂质），其电阻率30金属中的电导与热导魏德曼-弗兰兹定律 传导方式：自由电子运动 热阻或电阻的起因：电子 电子之间的碰撞 低温下的电阻或热阻：都与电子 声子之间的碰撞有关电导率电导率热导率热导率金属中的电导与热导魏德曼-弗兰兹定律 传导方式：自由电31第一节 金属的导电性 晶体的能带理论 金属的导电机制 马基申定则 影响因素 第一节 金属的导电性 晶体的能带理论324.影响导电性的因素温度的影响受力情况的影响冷加工的影响晶体缺陷的影响热处理的影响几何尺寸效应的影响4.影响导电性的因素温度的影响33温度对金属电阻的影响一般规律过渡族金属和多晶型转变铁磁金属的电阻-温度关系的反常温度对金属电阻的影响一般规律34 一般规律1理想金属晶体2含有杂质的金属3含有晶体缺陷的金属 一般规律1理想金属晶体2含有杂质的金属3含有晶35在室温和更高温度在室温和更高温度下，非过渡金属的下，非过渡金属的电阻率：电阻率：非过渡族金属的电阻温度曲线电子-声子散射电子-电子散射电阻温度系数电阻温度关系在低温条件下较复杂，室温以上则较简单。在室温和更高温度非过渡族金属的电阻温度曲线电子-声子散射电36电阻温度系数0 T 温区的平均温度系数在温度T 时的真电阻温度系数为纯金属：纯金属：4103过渡族金属，特别是铁磁性金属过渡族金属，特别是铁磁性金属较高较高Fe：6103Co：6.6103 Ni：6.2103 电阻温度系数0 T 温区的平均温度系数在温度T 时的真37过渡族金属n 过渡族金属的电阻可以认为是由一系列具有不同 温度关系的成分叠加而成。n 过渡族金属 的反常往往是由两类载体的不同 电阻与温度关系决定的。过渡族金属 过渡族金属的电阻可以认为是由一系列具有不同 过渡38多晶型转变多晶型金属电阻率与温度的关系线性关系只保持到350 850 900出现了多晶型转变。空穴导电空穴导电线性关系破坏线性关系破坏多晶型转变多晶型金属电阻率与温度的关系线性关系只保持到35039铁磁金属的电阻-温度关系反常n 铁磁金属在居里点 附近电阻率温度系数存在 着极大值。n 原因：与自发磁化有关铁磁金属的电阻-温度关系反常 铁磁金属在居里点 附近电40Ni和Pd的 与温度的关系Ni和Pd的 与温度的关系41温度对具有磁性转变金属比电阻和电阻温度系数的影响温度对具有磁性转变金属比电阻和电阻温度系数的影响42受力情况的影响n 拉力的影响n 压力的影响在弹性范围内单向拉伸或扭转应力能提高金属的。对大多数金属来说，在受压力情况下电阻率降低。原因：金属在压力作用下，其原子间距缩小，内部缺陷形态、电子结构、费米面和能带结构以及电子散射机制等都将发生变化。为负为正受力情况的影响 拉力的影响 压力的影响在弹性范围内单向拉伸或43n 正常金属元素n 反常金属元素电阻率随压力升高而下降，如Fe、Co、Ni、Rh、Pd、Cu、Ag等。电阻率随压力升高到一定值后下降，即电阻率有极大值，如碱金属、碱土金属、稀土金属和第族的半金属等。与压力作用下的相变有关 正常金属元素 反常金属元素电阻率随压力升高而下降，如Fe、44R/R0R/R0p10-8 Pap10-8 Pa正常元素反常元素R/R0R/R0p10-8 Pap10-8 Pa正常元素45冷加工对金属电阻的影响n 冷加工变形使纯金属电阻率增加n 冷加工变形使一般固溶体电阻增加10-20%，使 有序固溶体增加100%甚至更高n 对Ni-Cu，Ni-Cu-Zn，Fe-Cr-Al等合金，冷加工 变形则使电阻降低低温时用电阻法研究金属的冷加工更为有效冷加工对金属电阻的影响 冷加工变形使纯金属电阻率增加 冷加工46晶体缺陷对电阻的影响n 晶体缺陷（空位、位错、间隙原子等）会使金属 电阻率增加n 点缺陷引起的残余电阻率变化远比线缺陷的影响大n 对多数金属，当形变量不大时，位错引起的电阻率 变化与位错密度变化之间呈线性关系晶体缺陷对电阻的影响 晶体缺陷（空位、位错、间隙原子等）会使47空位、位错对一些金属电阻率的影响空位、位错对一些金属电阻率的影响48热处理对金属电阻的变化一般，淬火使晶格畸变，电阻增加，退火使畸变回复电阻降低。当退火温度接近再结晶温度时，电阻可恢复到接近冷加工前的水平；但当退火温度高过再结晶温度时，电阻反又增大，原因是再结晶后新晶粒的晶界阻碍了电子运动。淬火能够固定金属在高温时空位的浓度，从而产生残余电阻。淬火温度愈高空位浓度愈高，则残余电阻率就越大。热处理对金属电阻的变化一般，淬火使晶格畸变，电阻增加，当退火49冷加工变形Fe的电阻在退火时的变化退火温度退火温度/1形变量99.8%2形变量97.8%3形变量93.5%4形变量80%5形变量44%冷加工变形Fe的电阻在退火时的变化退火温度/1形变量9950几何尺寸的影响随着钼、钨单晶体厚度变薄，4.2 K时晶体的电阻增大薄膜试样的电阻率L电子的散射自由程d薄膜厚度几何尺寸的影响随着钼、钨单晶体厚度变薄，4.2 K时晶体的电51小结 基本概念 金属导电的物理机制 马基申定则 影响金属电阻的因素基本电阻 残余电阻 电阻温度系数 电阻压力系数小结 基本概念基本电阻 残余电阻 电阻温度系数 电阻压52习题 2-1 为什么晶体中的电子不是处于孤立的能级上，而是在准连续的能带上？2-2 金属铜线300 K时的电阻率为1.810-7 cm，假设铜线的成分为理想纯度，计算800 K时的电阻率。习题 2-1 为什么晶体中的电子不是处于孤立的能级上，53