FH14-材料的电学性能1资料

,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,*,材料性能学,付华,石家庄铁道大学,第14章 材料的电学性能,14.1 导电性能,14.2 热电性能,14.3 半导体导电性的敏感效应,14.4 介质极化与介电性能,14.5 绝缘材料的抗电强度,其次局部 材料的物理性能,14.1 导电性能,电子填充的性质及能带构造；,电阻对材料的组织构造变化特殊敏感。,I=U/R,R=L/s,：电阻率m,10-2m导体,1010m绝缘体,10-2 1010m半导体,物质导电性差异显著-构造：,14.1.1 导电机理,经典自由电子理论,一、金属及半导体的导电机理,量子自由电子理论,能带理论,解释：,导电机理：电流的产生；,电阻的产生。,1、经典电子理论：,正离子：,价电子：,电阻的产生：,自由电子与正离子碰撞。,形成均匀的电场。,完全自由地分布、运动,类似经典力学气体分子运动。,一、金属及半导体的导电机理,导电机理：,外电场作用下，自由电子定向运动。,存在问题：,n越大，但2/3价金属的导电性比一价差。,据气体动力学，电阻率应当正比于T1/2，,但实际上T。,不能解释超导现象,认为0K时自由电子能量为0。,：电子平均运动的速度，,n：单位体积内的自由电子数，,l：电子两次碰撞的平均距离自由程,电导率：,t:相邻电子2次碰撞的时间间隔。,b,b,b,b,b,b,b,b,0,H,He,Li,Be,B,C,N,O,F,Ne,Na,Mg,Al,Si,P,S,Cl,Ar,K,Ca,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,As,Se,Br,Kr,Rb,Sr,Y,Zr,Nb,Mo,Tc,Ru,Rh,Pd,Ag,Cd,In,Sn,Sb,Te,I,Xe,Cs,Ba,La,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au,Hg,Tl,Pb,Bi,Po,At,Rn,Fr,Ra,Ac,Rf,A族：高,。,周期系中各元素的变化规律：,A族，A族：,降低。,B,最高,。,AgCuAuAlMgCaNa,2、量子力学自由电子理论,内层电子：处于单个原子时的能量状态。,正离子：,价电子：,均匀的电场。,自由运动，听从量子力学规律，具有,量子化能级，电子波波函数。,K：波数频率，表征自由电子具有的能量状态的参数。,薛定谔,电子波运动：,一价金属自由电子的动能E：,不同能级下只存在一对正反方向运动的一对电子。,费米Fermi能级Ef：0 k时电子具有的最高能级；,不同金属有不同的固定值。,电子由低到高,填满能级。,在0 k，自由电子仍具有能量。,经典电子理论认为0 k时电子能量为0。,Enrico Fermi 1901-1954,生于意大利罗马，美国物理学家。,兼具精彩的理论家和天才试验家。,“中子物理学之父”。1934年用中子轰击原子核产生人工放射现象，“慢中子”更易引起核反响。,1938年诺贝尔物理奖。,1941年底，费米在哥伦比亚大学,主持建筑世界上第一座原子反响堆。,1fm=10-15m,无外电场E,电子分布对称，无电流,加外场E,，,电子沿,+E,方向被加速。,绝大多数电子仍对称，不参与导电。,只有接近Ef的少量电子激发到空能级上参与导电正向运动E,E+,-,导电机理,E+,-,电阻的形成：,电子波在传播过程中被点阵离子散射后相互干预电阻。,超导现象：,温度0 k，纯抱负完整晶体散射为0，,电子波无阻传播，R=0,缺陷、杂质、热振动,点阵畸变,散射电子波,电阻,R,nef：靠近Ef 顶部的少数自由电子，,单位体积内参与导电的有效电子数。,不同材料,n,ef,不同，,一价金属的,n,ef,比二、三价金属,多,，导电性好。,电导率：,t,：两次反射之间的平均时间；,p,：单位时间内散射的次数，散射几率。,量子自由电子理论较好地解释了金属导电的本质，,但它假定金属中的离子所产生的势场是均匀的，,与实际状况有确定差异。,3、能带理论,禁带：,允带：满带,空带导带,正离子：,价电子：,电场不均匀，呈周期性变化，周期势场。,自由运动，,量子化能级，,在周期势场,的作用下发生能带分裂；,能带填充：,在外电场作用下电子易从一个能级,转到另一能级上去。,电子,n型,空穴,P型,1价：价电子只填满s能带的一半，,S与P重叠区宽，,电子在S或P中,简洁跃迁，加速程度大，导电性好。,2价：价电子填满S，少量电子进入P区，导电性良好。,sp,3价：2N个电子,填满S，,N个电子填充一局部P带。,导电性好于2价pp。,二、无机非金属导电机理：,陶瓷、玻璃、高分子材料,带电粒子的定向运动：载流子定向运动：,金属：,无机非：,电子式电导,离子,离子空穴,离子式电导,电子,电子空穴,自由电子,1、离子晶体导电机理：,NaCl，AgBr,MgO,离子与离子空位电导：,离子处于间隙位置，留下空位。,2、玻璃导电机理：,本征离子电导：点阵离子的热运动。,杂质离子电导：低温,-SiO2-网络绝缘,某些离子在构造中的可动性。Na+钠玻璃,半导体玻璃：电子导电。,14.1.2 超导电性,1911年，Onnes，水银，T=4.2K,R=0,TTcR=0，,超导体是等电位的，,无电场内,1、性能特点：,完全导电性；,完全抗磁性：,The Nobel Prize in Physics 1913,“for his investigations on the properties of matter at low temperatures which led,inter alia,to the production of liquid helium“,Heike Kamerlingh-Onnes(1853-1926),2、性能指标,：,T,Tc,(临界转变温度),临界磁场,Hc,：,TTc时，HHc时,磁力线破坏超导体。,临界电流密度,Jc,：,保持超导态的最大,输入电流。,3、理论模型,：,超导现象的物理本质：最著名：BCS理论Bardeen-Cooper-Schriffer,电子e1的运动使四周正离子被吸引而向其靠拢，该区域正电荷密度增加吸引接近的电子e2，抑制静电斥力，使e1,e2结成电子对Cooper电子对。,John Bardeen(1908-1991)Leon Neil Cooper(1930-)and John Robert Schrieffer(1931-),The Nobel Prize in Physics 1972,“for their jointly developed theory of superconductivity,usually called the BCS-theory“,电子对间通过,晶格点阵振动的格波,相互作用，,而不是正常态的静电斥力。,Cooper电子对的总能量相等，电子间的吸引力最大，最稳定。,一个Cooper电子对的能量比它的2个单独正常态的电子能量低2，T=0K时，能隙2最大。,超导态，电子对在运动中的总能量保持不变。,晶格散射e1电子使能量转变时，e2能量产生相反的等量变化。,电阻为0.,14.1.3 影响材料导电性的因素,温度、成分、构造、杂质及缺陷浓度和迁移率。,一金属材料,1、温度：,；,对nef/几乎无影响,Ef及其分布f受T的影响很小,离子振动加剧，原子无序度，周期势场涨落，t削减，散射几率P增加R.,T,D,=,0,(1+T),：电阻温度系数，410,-3,/,T,D,，,T,5,T2K,T,2,。T0,0,散射：电子间的相互作用。,实际上=残留电阻，点阵畸变/缺陷引起,Matthiessen Rule:,为与杂质、晶格缺陷(点/线/面缺陷)有 关 的 电 阻 率;,t,为 与 温 度 有 关 的 电阻率。,=+,t,2、冷塑变,：,点阵畸变，晶体缺陷/空位散射,；,回复，再结晶R；,拉应力原子间距，畸变,压应力,电子构造，Ef、能带构造发生变化,极限压力下，金刚石/S/P/Si/Ge等变为导体。,3、合金化,：,固溶体,：,A、总规律：晶格畸变，散射，,组元间化学作用nef,有序化：点阵规律性加强，电子波散射,金属化合物,：,离子键，共价键形成,多相合金,：,对组织构造敏感组成相的导电性，相对量，外形、大小、分布,14.1.4 电阻测量及应用,1.单电桥法：,误差较大附加电阻大适用110试样。,2、双电桥法：,高灵敏度栓流计，,可测小电阻 10-61。,丝、棒状，尺寸精度高，,真空疼惜气氛中防氧化。,3、电位差计法：,待测回路无电流通过，完全消退附加电阻的影响，准确度比双电桥法更高0.001级,4、安培伏特计法：Rx=U/I 快速、便利,要选用大阻值毫伏计，小阻值试样Ar转变,5、直流四端电极法：半导体电阻,应用：,1、固溶体溶解度曲线，,2、SMA中马氏体相变温度：,AM：,MA：,3、时效过程,4、有序-无序转变,5、回火过程,感谢！,