量子输运对电导的影响
— 隧道传导Tunneling conduction
Log / -1 cm-1
-14
C16
Al / 7Cn / Al
-15 C18
-16
C20 -17
C22
-18
25
30
35
d/Å
当脂肪酸单层厚度从C14变化到C23 时，自组装单层的隧穿电导随分子 长度或膜厚度的变化关系，表明电 导随绝缘层厚度增加而呈幂次减小
性能要求：耐磨、耐电、抗粘接、化学稳定性好、接触电阻小等 种类：
传统贵金属：Pd（钯）、 Pt（铂）、Ru（钌）、Ag（银）、Au（金）、等 复合材料：
（1）碳纤维增强Cu基复合材料
优点：接触电阻小，导热快可避免过热现象；增加强度、过载电流；优良的润 滑性和耐磨性。 实例：用于电车导电弓架的滑履（日本），早期采用金属滑板，后改为碳滑板。
应用：复合性导电高分子材料的应用日趋广泛，在电子、电气、石油化工、机械、 照相、军火工业等领域，用于包装、保温、密封、集成电路材料等。 （一）防止静电 （静电损耗复合材料）
普通高分子材料在加工和使用过程中，静电现象十分严重，在某些情况下，不但会影 响材料的使用性能，甚至还会造成危害，如降低感光胶片的使用性能；塑料包装材料的静 电吸尘，降低了商品价值；易燃、易爆环境使用的各种塑料制品和电子产品，由于静电引 起的火花爆炸及燃烧。所有这些都应该采用导电复合、材料，以提高材料的静电能力。
纳米结构和材料的电导
纳米结构和纳米材料电导的 4 种机制： ➢ 表面（包括晶界）的散射 ➢ 电子结构变化（带隙宽化和分立） ➢ 量子输运（包括弹道传导和库仑带电） ➢ 微结构改变
另外，纳米结构完整性的提高，即杂质、结构缺陷和位错的减少， 将影响纳米结构和材料的电导
薄电介质的隧道效应是伴随纳米或亚纳米尺度的另一种电现象
➢ 单晶Bi纳米线，在直径 ~52 nm时经历从金属到半导体的转变；
➢ 直径为 ~40 nm 的Bi纳米线，其电阻随温度的降低而减小； ➢ 直径为17.6nm的GaN纳米线依然是半导体，而 ~15nm 的Si纳米线已经变 为绝缘体。
量子输运对电导的影响
— 弹道传导 Ballistic conduction
薄膜电阻率 vs. 厚度 vs. 温度
Co/Si薄膜的制备条件：
➢ 高真空，Co沉积于原子级清洁 硅基体表面，外延生长成膜；
➢ 热处理促进硅化钴形成；
电
厚度
➢ 化学计量严格控制，薄膜和基
阻 率
体界面趋于原子级完整；
➢ 外表面非常光滑。
温度
硅基体上外延生长Co薄膜的膜厚相
关电阻率随温度的变化关系。
第二节 导电复合材料
主要是指复合型导电高分子材料，是将聚合物与各种导电物质通过一定的复合
方式构成。长期以来，高分子材料通常是作为绝缘材料在电气工业、安装工程、通
讯工程等方面广泛使用。
种类：包括导电塑料、导电橡胶、导电涂料、导电纤维和导电胶粘剂等
成型加工方法：
表面导电膜形成法 可以用导电涂料蒸镀金属或金属氧化物膜，也可以采用金属热喷涂、湿法镀层等形成表面 导电膜。例如，聚酯薄膜上蒸镀金、铂或氧化铟等制成透明的导电性薄膜。
（二）新型屏蔽材料 （电磁屏蔽） 所谓对电磁波的屏蔽作用是指限制电磁波的能量由材料的一面向另一面传递，
使用磁场强度或辐射强度降低，其屏蔽效果用电磁波衰减的分贝值dB表示，每衰 减10dB，表示电磁波强度下降一个数量级。目前在塑料中填加金属箔片和金属纤 维，是制造电磁波屏蔽用导电塑料的主要方法。
由于电子、通讯、信息技术的迅速发展，无限电射频干扰（信号干扰）不可 避免，对屏蔽和隐身材料提出了更高的要求。铁氧体具有吸收电磁波的特性，但 其加工工艺限制了它的应用，如果把铁氧体粉末与树脂复合物则可用热压方法制 成各种形状的屏蔽零件或用涂敷的方法制成表面吸收涂层以满足需要。
极大的荷电能量的状况下
（A）STM针尖放置在吸附于Au-云母基体上 （插图）的单个团簇上，83 K时的库仑阶梯IV曲线；电势为针尖-基体之间的偏压；双隧道 结等效回路给出电容Cupper = 0.59 aF和Clower = 0.48 aF （B）2:1甲苯:乙腈/0.05 M HX4NClO4中0.1 mM 28kDa团簇溶液的伏安曲线（CV −，100 mV/s；DPV →，为电流峰，20 mV/s，25 mV脉冲，顶端、底部分别为负、正扫描）， 7.9 × 10−3 cm2 Pt电极，298 K，Ag线赝参 比电极
弹道传导发生在导体长度小于电子 平均自由程，在传导过程中没有能
量的消散，并且没有弹性散射
Hale Waihona Puke （A）纳米管的接触电导随时间变化关系，这是将纳米管以恒定 速率向水银中放入和取出而完成，运动周期2s、位移∆z = ±2.5 µm。对于~2 µm的浸渍深度，电导跃至~1 G0然后保持常数。 然后运动转向相反方向，进入2 µm后接触被中断。反复循环以 表现可重复性；以循环201到203作为例子来表现 （B）以全部250个通道电导数据依次表现的柱状图。在1 G0和 0处的平台产生柱状图中的峰。峰底相对面积对应相对平台长度。 因为整个位移已知，因此平台长度可以精确确定；此时，1 G0 平台对应1880 nm的位移。这样确定的平台长度对于液态水平 的无规振动不敏感，因而比单个通道的测量更为精确 （C）每个纳米管通道与2个主平台接触，而其又有1个次级预台 阶。这个通道解释为一个纳米管与第二个形成管束的结果。第 二个纳米管在第一个纳米管之后与金属接触~200 nm。通常观 察到具有非整数电导的较短平台（从~10到50 nm长），这解释 为来源于纳米管尖端。这种效应以清晰的例子表现在（D）中
[R.S. Ingram, M.J. Hostetler, R.W. Murray, T.G. Schaaff, J.T. Khoury, R.L. Whetten, T.P. Bigioni, D.K. Guthrie, and P.N. First, J. Am. Chem. Soc. 119, 9279 (1997).]
维 电 导 率
越好，导电性越高； 合成温度越低，聚合
物分子排列越好
纤维直径
杂环纤维的电导和直径的关系
[Z. Cai, J. Lei, W. Liang, V. Menon, and C.R. Martin, Chem. Mater. 3, 960 (1991).]
第一节 电接触功能复合材料
电接触材料（包括Ag基电接触材料、Cu基电接触材料）是电工合金的关键功能材料，
用于高、低压开关触头，其性能直接影响到发电装备和输变电装备的技术水平。 Ag基电触头普遍应用于各种低压电器，是低压电器的核心元件，广泛用于配电系统、 家电、交通和控制机械设备中。
应用：在电气、电子领域，电接触材料主要用作电触点、导电刷、集电环、换向片、
整流片和接插件等，是电通断环节中重要的功能性元件。采用电接触元件的电机、电 气开关、继电器、接插件等作为基础件在信息工程、家用电子电器、汽车工程等领域 大量使用。这些电接触元件的性能直接影响所应用产品及整个系统的可靠性、稳定性、 精度及使用寿命。
（2）Ag基复合材料（含固体润滑剂） 制备方法：粉末冶金法。其中润滑剂为MoS2、NbSe2、石墨。 组成：典型产品Ag-12MoS2-3C、Ag-15NbSe2-3C、Ag-20C-5MoS2、Ag-50C （质量分数） 实例：用于宇宙飞船的真空条件下工作的长寿命滑环和电刷材料。
（二）开关电接触复合材料：Ag基复合材料为主
[K. Ozawa, Y. Sakka, and M. Amano, J. Sol-Gel Sci. Technol. 19, 595 (2000).]
电子结构对电导的影响
— 量子尺寸效应
当纳米结构特征尺寸小于临界尺寸（即电子的德布罗意波长），将 导致电子结构的变化，出现带隙的宽化和分立。
不仅对光性产生影响，对电性也有非常大的影响： 金属纳米线直径小于特定值时，会转变为半导体；而半导体会转变为 绝缘体。这种变化部分归因于量子尺寸效应。
第三章 纳米电功能材料
第一节 电接触复合材料 第二节 导电复合材料 第三节 压电复合材料 第四节 超导材料 第五节 介电材料
纳米材料的物理性能
纳米材料的物理性能改变的几种机制：（1）大表面原子数比，（2）大表 面能，（3）空间限域，（4）非完整性的降低。
具体实例：
➢ 纳米材料由于具有大的表面原子数比，可以具有很低的熔点、相转变温度、 略微减小的晶格常数。 ➢ 纳米材料机械性能可达到理论强度，比块体单晶的强度高1~2个数量级。 ➢ 纳米材料光学性能，半导体纳米粒子的光吸收峰，由于带隙宽度增大而向短 波方向移动。金属纳米粒子颜色由于表面等离子基元而随尺寸变化。 ➢ 纳米材料由于增加的表面散射，电导率随尺寸而减小。但如果较好地排列， 电导也可以提高，如在聚合物小纤维中。 ➢ 纳米结构材料的磁性，表面能的存在，块体材料的铁磁性转变为纳米材料的 超顺磁性。 ➢ 自净化是纳米材料的内在动力学性质。热处理可提高杂质、内部缺陷和位错 的扩散，容易将它们推向表面附近。对化学和物理性质有明显的影响。
[J.C. Hensel, R.T. Tung, J.M. Poate, and F.C. Unterwald, Phys. Rev. Lett. 54, 1840 (1985).]
多晶材料电阻率
— 晶界的影响
Proton conductivity (Scm-1)
10-3
质
10-4
子
传
导
率
10-5
导电填料分散法 是目前生产导电高分子材料的主要方法，可用于制造各种导电高分子材料。导电材料过去 常用碳黑，现在多采用碳纤维、石墨纤维、金属粉、金属纤维及碎片、镀金属的玻璃纤维 及其他各种新型导电材料。
导电材料层积复合法 是将碳纤维毡、金属丝、片、带等导电层与塑料基体层叠压在一起制成的导电塑料。采用 的金属丝、片、带主要有钢、铝、铜和不锈钢。复合导电塑料采用的基体树脂范围相当广 泛，常用的有：ABS、PE、EVA、PA、PC、PP、PET、POM，以及改性的PPO、PBT、PVC，掺 和物PC/ABS等。