导电性测量及在材料科学研究中的

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,导电性测量及在材料科学研究中的应用,1,材料的电阻率和电导率,电阻R与导体的长度成正比,与导体的截面积成反比，因此,式中,为电阻率，为表示材料导电性质的物理参数。一般在电阻分析中所要测量的电阻值都很小,故其单位常用(cm)表示。,电导率和电阻率的关系为,上式表明，,越小，则越大，材料的导电性能就越好，电导率的单位为(S/m)。,根据导电性能的好坏,常把材料分为导体、非导体和半导体。导体的,值小于10,-8,m，所有的金属均属于良导体，它是金属的基本特征之一。非导体的值都在10,12,10,20,m， 值界于10,-4,10,7,m之间的属于半导体。,2,影响电阻的因素,环境因素的影响,环境因素是指产生晶格点阵畸变的外界条件，主要指温度和应力。,一、温度,在理想完整的晶体中，电子的散射只取决于温度所造成的点阵动畸变，即金属的电阻取决于离子的热振动。当温度高于德拜温度,D,时，纯金属的电阻和温度成正比。,式中，为电阻温度系数。过渡族金属，特别是铁磁金属值较大，约为10,-2,量级，其它金属约为10,-3,量级。,一般金属，当温度接近0K时，仍有一定的电阻。但对于超导体，当温度低于某临界温度时电阻下降为零。,3,二、应力,弹性范围内的单向拉应力，能使原子间的距离增大，点阵的动畸变增大，由此导致金属的电阻增大。电阻率与应力之间有如下的关系,T,为拉应力作用下的电阻率，,0,为未加负载时的电阻率，,T,为应力系数，,T,为拉应力。,铁在室温下的应力系数约为2.1110,-11,2.13,10,-11,/Pa。,压应力对电阻的影响恰好与拉应力相反，由于压应力使原子间距变小，,点阵畸变减小，大多数金属在三向压力（低于1200MPa）的作用下，电阻率都下降，并且有如下的规律,式中，,p,为三向压力的电阻率，,v,为真空下的电阻率，,p,为压应力，为压力系数，是负值。,铁的压力系数为,Fe,= -2.7 10,-11,/Pa。,4,组织结构的影响,组织结构是影响电阻的内部因素，金属的结构取决于塑性形变及热处理工艺。,一、塑性形变,塑性形变使金属的电阻率增大，其原因是由于形变使点阵产生缺陷和畸变，从而导致电子波的散射增强。此外，冷加工还可能引起原子间的结合性质发生变化，从而对电阻产生影响。如果用,0,表示表示未经加工硬化金属的,电阻率，,表示加工硬化产生的附加,电阻率，则金属加工硬化后的电阻率, =,0,+ ,从电阻和温度的关系可知，当温度降低时,0,减小，在0K时趋近于零。附加电阻率则不然，它只受加工程度的影响，与温度无关，即使是温度为0K时它仍然存在，故称为残留电阻。 / 随温度的降低而增大，所以用低温测量电阻法研究金属的加工硬化是很合适的。,5,二、热处理,形变和应力都能破坏点阵周期场的规整性，使电阻增大，若对加工硬化的金属进行退火，使它产生回复和再结晶，电阻就必然下降。例如，纯铁经过加工硬化之后，再进行100,C,退火处理，电阻便有明显地降低。如果进行500,C,退火，电阻便可恢复到加工硬化前的水平。但是当退火温度高于再结晶温度时，由于再结晶生成的晶粒很细小，造成晶界过多，晶界是一种面缺陷，因此电阻反而有所增高。晶粒愈细，电阻愈大。,淬火、位错、空位和脱位原子等缺陷对电阻都有贡献，其中以空位的贡献为最大。,淬火，特别是当淬火温度较高时，金属内部的空位浓度相当高，淬火可以将这些空位冻结下来，使电阻有显著的提高。,6,合金元素及相结构的影响,合金的电阻不仅要考虑前边所提到的各种因素，而且还要考虑由合金元素引起原子间结合性质的变化和组织结构状态所产生的影响。,一、固溶体的电阻,形成固溶体合金时，一般的表现是电阻增高。即使是低电阻率的金属溶于高电阻率的金属中也有同样的效果。这是因为，当组成固溶体时，溶剂的点阵受溶质原子的影响产生了静畸变，从而增大了电子波的散射。另一方面，电阻的增高还与组元之间化学成分有关。在二元合金所形成的连续固溶体中，电阻的增大和成分之间呈曲线关系，通常在r,B,等于50%处出现极大值。极大值比纯组元的电阻要高出几倍。,固溶体的有序化对合金的电阻有显著地影响。异类原子使点阵的周期场遭到破坏而使电阻增加，而固溶体的有序化则有利于改善离子电场的规整性，从而减少电子的散射。另一方面，有序化使组元之间化学作用加强，导致传导电子数目减少。一般来讲，电场对称性增加使电阻下降起着主导作用，所以有序化表现是电阻降低。,7,二、不均匀固溶体的电阻,一些由过渡金属组成的合金，它们的电阻随形变和退火的变化与前边所说的规律完全相反，即形变使电阻降低，而退火使电阻升高。这种现象显然不能用加工硬化和回复的理论给予解释。实验表明，这些合金虽然处于单相组织状态，但原子间距产生了明显的波动，这是由于溶质原子的不均匀分布所造成的。这种不均匀固溶体状态称为K状态。,不均匀固溶体属于原子偏聚现象，偏聚区的成分与固溶体的平均成分不同，偏聚区的范围约100个原子，线尺寸约1nm，由于溶质原子的偏聚造成对电子波的附加散射，而使电阻增大。不均匀状态是在加热或冷却过程中，在一定的温度范围内形成的，高于这个温度范围它即行消失。例如，Cr20Ni80合金，当温度高于300C时，电阻便开始异常地增大，即开始出现不均匀状态，在400 450C 之间的电阻上升得最快，即不均匀状态急剧发展，720 C以上电阻变化恢复正常规律，不均匀固溶体状态完全消失。,应当指出，这种不均匀状态一旦形成，冷却不会使其消散。另外，从高温缓冷经过上述形成温度区时，同样也会产生不均匀状态，只有快速冷却才能抑止它的形成，这就是为什么退火状态的电阻反而比淬火态电阻高的原因。形变能使不均匀状态重新变为均匀状态，因此形变后电阻变小。,8,三、金属化合物的电阻,金属化合物的导电能力都比较差，它们的电导率比各组元的要小得多。金属间化合物的导电能力之所以较差是因为组成化合物后，原子间的金属键部分地改换为共价键或离子键，使传导电子数减少所致。正是由于结合性质发生了变化，所以还常因为形成了化合物而变成半导体，甚至完全失掉导体的性质。,铝化物的电阻比纯组元的高，但具有金属的特性。铝和同一过渡族组金属所组成的化合物中，含铝量愈少，电阻率愈大。铝和氧、氢、磷、硒、硫、硼和锰等元素组成的化合物都具有半导体的特性。,氮化物、硼化物和碳化物都具有明显的金属导电特性，由于碳、氮和硼能给出一部分价电子参加导电，所以这些相具有金属特性。,硅化物的结合也和金属类似，但随着化合物中硅原子的增多，在硅原子间形成共价结合的倾向增大，因此金属（M）与硅的化合物MSi,2,和Si一样具有半导体的性质。,9,电阻的测量,试样的电阻率是通过,=,RS/l,的关系式确定的。因此，实验中需要测量的是试样的电阻值（或电压和电流）及试样的尺寸。在研究工作中，一般试样都很小，其电阻也很小，由环境、组织结构等变化所导致的电阻变化就更小，因此需要选用精密的仪器对这样小的电阻测量。常用的测量方法有三种：双电桥法，伏安法，电位差计法。,伏安法原理图 V,R,X,A,10,11,接触热电势的消除,V=(V,1,-V,2,)/2=100,V,12,高温超导体Tl,2,Ba,2,Ca,2,Cu,3,O,10,超导转变温度,13,P-N结伏安特性,14,Cu,3,Au合金的有序-无序转变,15,Al-Cu合金的时效,16,YBa,2,Cu,3,O,7-x,电阻率随气氛的变化情况,17,巨磁阻材料电阻率随磁场的变化情况,18,产品名称:,PPMS 综合物性测量系统,产品图片:,物理性质测量系统,(PPMS),的原理及其应用,19,美国,Quantum Design,公司的产品,PPMS( Physics,Property Measurement System),是在低温和强磁场的背,景下测量材料的直流磁化强度和交流磁化率、直流,电阻、交流输运性质、比热和热传导、扭矩磁化率等,综合测量系统,20,PPMS,是,Quantum Design,公司在成功推出,MPMS1,之后,于,20,世纪,90,年代中期推出的又一款产品。二者有很多的相似之处,同时又有所差别。下面将通过与,MPMS1,的比较来介绍,PPMS,的设计和使用。一个完整的,PPMS,系统也是由一个基系统和各种选件两个部分构成,根据内部集成的超导磁体的大小基系统分为,7,特斯拉、,9,特斯拉、,14,特斯拉和,16,特斯拉系统。但与,MPMS,专注于磁测量不同,PPMS,在基系统搭建的温度和磁场平台上,利用各种选件进行磁测量、电输运测量、热学参数测量和热电输运测量。基系统主要包括软件操作系统,温控系统,磁场控制系统,样品操作系统和气体控制系统。与,MPMS,在硬件上的主要区别在于,:MPMS,的样品腔直径为,9mm ,而,PPMS,为,26mm,直径,;PPMS,没有超导,SQUID,探测系统,;PPMS,由于测量选件和种类甚多,专为各种测量设计非常方便的样品、选件更换装置,其结构与,MPMS,不同,样品腔的底部提供即插即拔的接线,大大方便各种选件的更换。,21,