金属材料的导电性.ppt

中国矿业大学材料科学与工程学院 第二章材料的电学性能 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 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 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 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 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 什么是材料的导电性 能够携带电荷的粒子称为载流子 金属 半导体和绝缘体中载流子 电子 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 一些材料在室温下的电阻率 材料按电性能分类 导体 半导体 绝缘体 导体纯金属的电阻率在10 8 10 7 m金属合金的电阻率为10 7 10 5 m半导体电阻率为10 3 10 5 m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 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 1 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 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 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 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 电子的分布服从费米 狄拉克分布 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 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 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5eV 半导体的禁带一般小于3eV 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5eV 特征 禁带宽度较窄 低于2 0eV 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 为什么金属能够导电 无外电场时 满带 不满带 E k v k k k E k k v 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 E k v k k k 有外电场时 满带 不满带 E k k v 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 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 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 满电子能带 半满带 满电子能带 空带 存在导带 满带和空带重叠 满电子能带 允带 满带和允带重叠 几种典型金属的能带 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 0K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 中国矿业大学材料科学与工程学院 电子 声子 与T成正比电子 缺陷 与T无关 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 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 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2 l04的相对电阻率 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 金属的电阻率随温度升高而增大 高温时金属的电阻率取决于 低温时取决于 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 热导率 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 4 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 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 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 在室温和更高温度下 非过渡金属的电阻率 非过渡族金属的电阻 温度曲线 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 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 4 10 3过渡族金属 特别是铁磁性金属 较高 Fe 6 10 3Co 6 6 10 3Ni 6 2 10 3 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温度关系的成分叠加而成 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 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 线性关系破坏 铁磁金属的电阻 温度关系反常 铁磁金属在居里点 附近电阻率温度系数存在着极大值 原因 与自发磁化有关 Ni和Pd的与温度的关系 温度对具有磁性转变金属比电阻和电阻温度系数的影响 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 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 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 R R0 R R0 p 10 8Pa p 10 8Pa 正常元素 反常元素 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 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 晶体缺陷对电阻的影响 晶体缺陷 空位 位错 间隙原子等 会使金属电阻率增加 点缺陷引起的残余电阻率变化远比线缺陷的影响大 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 空位 位错对一些金属电阻率的影响 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 冷加工变形Fe的电阻在退火时的变化 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 几何尺寸的影响 随着钼 钨单晶体厚度变薄 4 2K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 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 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300K时的电阻率为1 8 10 7 cm 假设铜线的成分为理想纯度 计算800K时的电阻率