材料性能学 10.电学性能
3)能带导电理论 ----电子能量与波矢的关系
金属导电理论
晶体电子的能量E与波矢K的关系曲线就是能带图。 晶体电子的状态是用波函数和能量本征值来确定的, 可采用波矢K来表征;即一个K就代表了一种状态( 一种波函数和相应的能量)
3)能带导电理论
(1)基本概念
由于晶体中电子能级的 间隙很小,故能级的分布可 视为准连续的,称为能带。
基本假设:
• 自由电子(价电子)公有 化,能量量子化;
• 离子势场不均匀,呈周期 变化;
允带 禁带
3)能带导电理论
3)能带导电理论
半导体能带中的几个概念: 价带,导带,导带底,价带顶,禁带宽度
(2)三种典型材料的能带结构
空带
价带
导 带
重 叠 区
禁带宽度
导 带
价带与空带重叠, 无禁带
价带半满
金属导体
ⅡA族-Be, Mg, Ca, Sr(锶), Ba, Ra(镭)
电子结构特征:最外 s 壳层 均有 2 个电子。
能带结构特征:最外s 带为 满带。
导电性:
表面上:应导电能力不佳,
实际上:导电能力高于ⅠA族。
Mg
原 因:最外s 带与最外 p 带重叠,构成导带
ⅢA族-B, Al, Ga, In, Tl(铊)
第八章 材料的电学性能
第八 章 材料的电学性能
• 导电性 • 介电性
重点介绍
• 铁电性 • 压电性 • 热释电性 • 磁电性 • 光电性
最后一节课即6-12部分内容, 学生讲,2个学生,每人选一 个内容,讲15分钟左右, 简单介绍 PPT已有
(考试不考)
第一节 导电性
一、电阻与导电的基本概念
导电现象:在材料两端施加电压时,材料中有电流通过。
2、无机非金属导电机理-离子电导
1)离子晶体导电机理
(1)固有离子电导(本征离子电导)
离子电导源于晶体点阵中基本离子的运动。载流子由晶体本身热缺陷提供。
离子自身随热振动加剧而离开晶格结点,形成间隙离子及空位(热缺陷),在电 场作用下作定向运动,形成电流。热缺陷的浓度随温度升高而增大,因此离子本 征电导率也随温度升高而加大:
电子结构特征:
最外 p 壳层只有 1 个电 子。
能带结构特征:
最外 p 带为少量填充、 大部为空带,且与同主壳层 s 带部分重叠。
Al
导电性:
较高。
ⅢB~ⅧB-过渡族金属
元素:Sc(钪)、 Ti、V、Cr、Mn、Fe、 Co、Ni 电子结构特征:
最外 s 壳层有 1 或 2 个电子; d 或 f 壳层未填满。
能带结构特征:
最外 s 带填满或未填满; 次
外 d 带或 f 带未填满; 最外 s 带与
次外 d 带或 f 带部分重叠;形成较
Fe
少空能级导带。
导电性:一般(较差)
ⅠB族-Cu、Ag、Au
电子结构特征: 最外 s 壳层只有 1 个电
子。 能带结构特征:
类似于碱金属,无重叠 能带;价带半空。
Cu
导电性: 很高。
• 每个碳原子还有一个价电子(pz 轨道),它在分子键中形成π电子。
导电聚合物教学视频
三、影响材料导电性的因素
1、温度
T 0 1T T 2 T 3
式中,ρ0 -0℃时电阻率;α-电阻温度系数;β、γ-高次项系数;
T
T2
T5
总体来说,随 T 升高,ρ增大。 但在不同温度区间,有不同规律。 • 极低温下:电子-电子散射 • 较高温度:电子-声子散射
双碱效应和压碱效应降低玻璃的电导率
双碱效应:当玻璃中碱金属离子总浓度较大 ,若碱离子总浓度不变,含两种碱离子的玻 璃的电导率比只含一种碱离子的玻璃的电导 率要小。 压碱效应:含碱玻璃中加入二价(碱土)金 属氧化物,特别是重金属氧化物,玻璃导电 性降低。
3、高分子聚合物导电机理
导电聚合物(Conducting Polymers)分为两大类: • 复合型:在非导电性聚合物基体中添加导电相(实质是复合材料); • 结构型:高分子本身结构或经掺杂后可导电。
半导体
Eg ≈ 0.2~3.5eV 例如: Si: Eg=1.1eV Ge:Eg=0.71eV
绝缘体
Ed>3.5eV 例如: 金刚石 Eg=6.0eV
ⅠA族(碱金属)
元素:Li、Na、K、Rb(铷)、Cs(铯)、Fr(钫) 电子结构特征:最外壳层只有一个电子 例如,Na:1s22s22p63s1
能带结构特征:3s 价带半 填充 导电性:较高
一些材料电导率排序
二、导电机理
电流是电荷在空间的定向流动。任何物质,只要存
在带电荷的自由粒子-载流子,就可以在电场作用下产
生电流。 • 金属中,载流子是自由电子,故称电子电导; • 无机材料中,载流子有两类:
– 离子(正、负离子、空位),故称离子电导; – 电子(负电子、空穴); • 高分子聚合物中,载流子是孤子; • 超导材料中,载流子是双电子库柏对。
2、冷塑性变形的影响
冷加工将使材料内部点 阵畸变加大,因此使电阻率 增高: • Fe、Cu、Al、Mg等,可 增加 2~6%; • W、Mo、Sn等,可增加 15~90%。
再结晶退火可以使电阻 率恢复到冷变形前的状态。
冷 加 99.8% 工 变 形 量 97.8% 93.5% 80% 44%
3、合金化的影响
压力对非导体导电性的影响
高压力往往能导致物质的金属化,引起导电类型的变化, 而且有助于从绝缘体→半导体→金属→超导体的某种转变。
某些半导体和电介质பைடு நூலகம்变为金属态所需的临界压力
元素 S Se Si Ge I
P临 /MPa
40,000 12,500 16,000 12,000 22,000
ρ/(μΩ.cm) 元素
1 l3
l1
1 l2
l2
1 l3
I 2lV
五、超导电性
– T<ΘD时,ρ∝T5; – T> ΘD时,ρ∝T
一般在高于室温的情况下,有: 0 1T
电阻温度系数α
平均电阻温度系数: T 0
0T
真电阻温度系数:
T
1
T
d
dT
• 除过渡族金属以外,所有纯金属的α≈4×10-3。
• 过渡族金属,特别是铁磁性金属,具有较高的α值,例如 铁的α= 6 ×10-3。
ne2l ne2 t
2mv 2m
l -电子平均自由程;m -电子质量; v -电子平均运动速度;e -电子电荷; t -两次碰撞之间的平均时间; n -单位体积内的自由电子数;
由上式可见,金属的导电性取决于自由电子数量、平均自由程 和平均运动速度。
电子波干涉
电子波在传播过程中,被下列因素干扰而产生
载流子的迁移率
导电微观本质:载流子的定向迁移。 μ为载流子的迁移率,含义是 单位电场下载流子的 平均漂移速度。
电导率
σ=nq μ
n单位体积内载流子数目 q每一载流子携带的电荷量 决定材料导电性好坏的本质因素: 一是载流子浓度,二是载流子迁移率。
导电机理
1、金属导电机理-电子电导
1)经典电子理论
1977年,日本的白川和美国的Mac Diamid等人用 I2 或AsF5 掺杂聚乙 炔,发现聚乙炔的电导率从10-9 S/cm提高到103S/cm量级,聚乙炔掺杂后 作为第一个导电高分子以引起了广泛兴趣。从此,在世界范围内开展了对 导电高分子的系统研究。迄今,导电高分子已研究的有: • 共轭高聚物; • 高分子传荷(CT)复合物; • 共盐聚合物; • 金属高聚物; • 非碳高聚物,等。
-
H
-
金刚石
-
P
- AgO
500
-
P临 /MPa
200,000 60,000 20,000 20,000
-
ρ/(μΩ.cm)
- - 60±20 70±20 -
四、导电性(电阻)测量及应用
1、电阻测量
1)双电桥法
调整电流以及四个可变
电阻,使桥路中 f 点和 c 点 的电位相等(检流计指 0), 电桥处于平衡状态,则有:
2)有序合金的电阻率
固溶体有序化后,
• 合金组元化学作用加强, 电
子的结合强,使导电电子数减少 而剩余电阻增加;
• 晶体离子势场更对称,使电子
散射几率大大降低, 使剩余电 阻率减小;
由于第二个因素占优势,故 合金有序化后, 电阻率降低。
3)化合物、中间相和多相合金电阻
• 化合物、中间相电阻率较高,部分结合方式由
ⅣA族-C, Si, Ge, Sn, Pb
电子结构特征:最外 p 壳层 2 个电子。 能带结构特征:p 带未满。 导电性: 表面上:应导电能力很好 实际上:导电能力很差(半导或绝缘) 原 因:共价键结合造成 sp杂化轨道, 使 2s 电子也参与共价结合(价电子 为 4 ),形成 2 个杂化能带,其中一 个填满、另一个为空,但两杂化能带 间隔着一个禁带。
规律:欧姆定律 电阻: R L
S
I V R
电阻率
(resivisity):
RS L
电导率(electric conductivity):
根据导电性能的高低,常把材料分为三大类: • 导 体: ρ<10-5 Ω.m;
1
• 半导体: ρ=10-5 ~ 109 Ω.m;
• 绝缘体: ρ>109 Ω.m;
散射,这就是产生电阻的原因。
• 被离子点阵散射; • 被缺陷或杂质产生的静态点阵畸变散射; • 被热振动引起的动态点阵畸变散射。
nef e2 t nef e2
2m 2mp
2m nef e2
1 t
2m nef e2
p
量子自由电子导电理论的不足在于假设离子产生的