材料的电性能.

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1、材 料 物 理 性 能 授课教师 黄兴民 E-mail: xmhuang Office number：028-87634931 第2章材料的电性能 材料物理性能 基本概念 金属的电电子导电导电 离子类载类载 流体导电导电 半导导体导电导电 本讲纲要 超导导体导电导电 机理 电电性能测测量及其应应用 2 第2章材料的电性能 材料物理性能 基本概念 电导电导 率：表征材料中载载流子在电场电场 作用下传输电 荷的能力， 即材料导电时 ，单位电场强度所具有的电流密度。 J电电流密度 E电场电场 强度 载载流子：电荷的载体（电子、空穴、正离子、负离子）。 迁移数：表征材料导电载导电载 流子输输运种类对导

2、电贡类对导电贡 献的参数 。 离子导体混合导体 3 第2章材料的电性能 材料物理性能 R S L 基本概念 L电电阻元件长长度 S电电阻元件截面积积 电电阻率：表征材料导电性能的重要参数，与材料本质有关。 电导电导 率 4 第2章材料的电性能 材料物理性能 基本概念 108 106 104 102 1 10-2 10-6 10-8 10-10 10-12 10-18 10-14 钠钙玻璃 锡 铝 铋 银 铜 金 锗 硅 反式聚炔 硼 10-4 顺式聚炔 熔结石英 聚氯乙烯 白磷 10-16聚乙烯 硫 聚四氟乙烯 导体 半导体 绝缘体 (电介质) 材 料 电 导 率 排 序 5 第2章材料的电性

3、能 材料物理性能金属电子导电 金属导电机制 nef 单位体积内实际参加传导过 程的电子数目； m 电子的有效质量，考虑到晶体点阵对电场 作用的结果 ； 只有费米面附近能级的电子才能对导电 做出贡献； 经典自由电子理论能带理论 6 第2章材料的电性能 材料物理性能金属电子导电 电子波通过一个理想晶体点阵时(0K),不受到散射 。 理想情况: 实际实际 情况 ： 温度不为0K非理想晶体 离子运动（热振动）异类原子、位错、 点缺陷等 理想晶体点阵周期性被破坏 电电子波发发生散射 7 第2章材料的电性能 材料物理性能金属电子导电 马马西森定律散射系数 杂质浓 度T 与温度 有关 与杂质浓 度、点 缺陷

4、、位错有关 8 第2章材料的电性能 材料物理性能 电阻率的影响因素 温度 压力 杂质、缺陷 冷压力加工 固溶体中溶质 9 第2章材料的电性能 材料物理性能 0 T/K 温度与电阻率 1理想金属晶体 2含有杂质金属 3含有晶体缺陷 1 2 3 低温下杂质、晶体缺陷 对金属电阻率的影响 10 第2章材料的电性能 材料物理性能 温度与电阻率 3 2 T/K 金属电阻温度曲线 0 1 1 2 3 T2/3 T T2K 11 第2章材料的电性能 材料物理性能 温度与电阻率 Sb,Na,K 锑、钾、钠熔化时电阻率变化曲线 200 120 160 0 80 40 24 20 16 12 8 4 0 1003

5、00500700900 1100 4080120160200 Sb Na K Sb Na K 12 第2章材料的电性能 材料物理性能 T TC TC 铁磁体顺磁体 铁磁体 顺磁体 T 磁性转变对铁 磁性金属电阻的影响 温度与电阻率 13 第2章材料的电性能 材料物理性能 100300500 0 30 20 10 0.15 0.10 0.05 TC T/ 金属镍的电阻率随温度变化曲线 温度与电阻率 14 第2章材料的电性能 材料物理性能 压力与电阻率 压压力 电电阻率 020406080 p10-8/Pa 0.8 1.0 Pt V Rh Ta Nb 静压压压压 力对对金属导电导电 性的影响 0.

6、9 15 第2章材料的电性能 材料物理性能 原子间间距 原子的可动动性 原子的热热振动动 A B 原子间间距 能带带交叠更多并倾倾于向高能区扩扩展 EF 极大的极大的压压压压力力可使许多物质由半导导体或绝缘绝缘 体变成导导体甚至超导导 体 见表2.3 压力与电阻率 16 第2章材料的电性能 材料物理性能 0 0 正常金属 反常金属 压力与电阻率 铁、钴、镍、钯、铂、铱、银、铜、金、锆、铪、钼、钨、镁 等 见表2.2 大部分碱金属和稀土金属，还有钙、锶、锑、铋等。 17 第2章材料的电性能 材料物理性能 冷加工与电阻率 冷加工引起金属电阻率增加，与晶格畸变变有关。 晶格畸变的作用类似原子热热振动

7、动，增加电子散射几率； 晶格畸变引起原子间键合的改变，导致原子间间距的改变。 如图2.7所示，变 形量越大，变形后 金属电阻的增量就 越大。 Ag Cu Fe 18 第2章材料的电性能 材料物理性能 冷加工与电阻率 由马马西森定律，冷加工金属的电电阻率 剩余电阻率与温度有关的退火金属电阻率 对对范性变变形 空位散射 见图2.8 位错处散射 低温退火促使空位扩扩散以消除 较较高温度退火，保 留至再结结晶温度 19 第2章材料的电性能 材料物理性能 缺陷与电阻率 空位、间隙原子以及它们的组合、位错等晶体缺陷导致金 属电阻率增加。 如表2.4、表2.5和图2.9所示。 高温淬火和急冷产生大量缺陷，引

8、发附加电阻率。 A B 研究电阻率随晶体缺陷的变化，可以评估单晶体的结构完 整性。 反过来，根据晶体缺陷影响电阻率的规律，可开发具有特 定电阻值的金属元件。 20 第2章材料的电性能 材料物理性能 固溶体的电阻率 溶质浓质浓 度畸变变 如图2.11和图2.12 由马马西森定律，低浓浓度固溶体电电阻率表达式 固溶体溶剂组剂组 元的电电阻率 剩余电电阻率杂质杂质 原子含量 1%原子杂质杂质 引 起的附加电电阻率 21 第2章材料的电性能 材料物理性能 固溶体的电阻率 Pd 连续固溶体中合金成分距组元越 远，电阻率也越高，在二元合金 中最大电阻率常在50原子浓度 处，而且可能比组元电阻率高几 倍。

9、铁磁性及强顺磁性金属组成的 固溶体情况有异常，它的电阻 率一般不在50原子处。 22 第2章材料的电性能 材料物理性能 固溶体的电阻率 马马西森定律固溶体电电阻率修正公式： 偏离值值,与温度和溶质 浓度有关,溶质浓度越大 ,偏离愈严重 实验表明，除过过渡族金属外，在同一溶剂中溶入1%原子溶质 金属所引起的电阻率的增加，由溶剂和溶质金属的价数而定。 诺诺伯里-林德法则则 低浓浓度合金溶剂剂和溶质间质间 的价数差 见图2.13 23 第2章材料的电性能 材料物理性能 有序固溶体的无序固溶体的 有序固溶体的电阻率 固溶体有序化后，合金组元化学作用加强，电子结合比无序 状态更强。 导电电子数减少，合金

10、剩余电阻率增加。一方面 另一方面 晶体离子势场在有序化时更为对称，大大降低了电子散射几率 。 有序合金的剩余电阻率减小。 综合结果 24 第2章材料的电性能 材料物理性能 CuAu合金电阻率曲线 CAu/(原子%) 15 10 5 0 255075100 Cu3Au CuAu 1淬火 2退火 有序固溶体的电阻率 25 第2章材料的电性能 材料物理性能 有序固溶体的电阻率 T/ Cu3Au合金有序化对电阻率影响 1 2 1无序（淬火态态） 2有序（退火态态 ） 有序合金Cu3Au的电阻率比无序合金的电阻率低很多 有序无序 转变温度 26 第2章材料的电性能 材料物理性能 不均匀固溶体(K状态)的

11、电阻率 K 状态态： 固溶体中，原子间距大小显著的波动，组元原 子在晶体中不均匀分布。 高温淬火合金回火过程中出现的电电阻升高 ，冷加工时电阻又反而下降的反常升降行 为。 K状态电态电 阻 反常行为为 (a)完全无序 (b)偏聚 (c)短程有序 固溶体点阵中只形成原子的聚集，成分不同于固溶体的平均成分。 27 第2章材料的电性能 材料物理性能 不均匀固溶体(K状态)的电阻率 2 8 0 4 6 200 T/ 4006008001000 冷却 加热热 80Ni20Cr合金加热、冷却电阻率变化曲线 （原始态：高温淬火） 28 第2章材料的电性能 材料物理性能 不均匀固溶体(K状态)的电阻率 1.0

12、6 1.02 0.98 0.94 0.90 0.86 0204060 80Ni20Cr合金电阻率同冷加工变形的关系 1 2 1800水淬+400回火 2形变+400回火 29 第2章材料的电性能 材料物理性能 不均匀固溶体(K状态)的电阻率 A. 回火过程中形成不均匀固溶体 （1 000个原子） 原子聚集区域几何尺寸大致 与电电电电子自由程子自由程同一数量级 明显增加电子散射几率， 提高电阻率 原子的聚集 B. 冷加工促使固溶体不均匀组织的破坏破坏，并获得普通无序 的固溶体。 回火温度超过过550原子聚集消散，回复成均匀固溶体； 30 第2章材料的电性能 材料物理性能 离子类载流子导电 本征导

13、电导电（离子导电、空位导电） 晶体点阵的基本离子受热振动而脱离晶格，在外电场作用下 ，自由离子和其留下的空位作相互反方向的定向运动产生本 征导电。 杂质导电杂质导电 杂质杂质 离子受热振动脱离晶格，在电场作用下作定向运动 。 本征导电导电高温 晶格与离子的联系 低温杂质导电杂质导电 31 第2章材料的电性能 材料物理性能 离子类载流子导电 V b V (a) (b) 无电 场 有电 场 F为作用在离子价为z的离子上的电场力 32 第2章材料的电性能 材料物理性能 离子类载流子导电 无电场时电场时 ，越过位垒V的几率 有电场时电场时向右运动的几率 向左运动的几率 平均漂移速度 33 第2章材料的

14、电性能 材料物理性能 离子类载流子导电 电场强度足够低 当电场足够强大 电阻率 取自然对数 34 第2章材料的电性能 材料物理性能 离子类载流子导电 电导 简化得 如果材料中存在多种载载流子，其总电导总电导 率 电阻率 如图2.21 离子玻璃的电阻率 35 第2章材料的电性能 材料物理性能 离子类载流子导电 离子导电是离子在电场作用下的扩扩扩扩散散现象。 扩散路径路径通通畅，离子扩散系数越高，导电率也越高。 能斯特-爱爱因斯坦（Nernst-Einstein）方程（推导导略） 描述离子电导电导电导电导 率率和离子离子扩扩扩扩散系数散系数之间的联系。 扩散系数 离子荷电量 载流子单位体积浓度 离

15、子迁移率 离子绝对迁移 率 另一方面 36 第2章材料的电性能 材料物理性能 离子导电的影响因素 温度的影响 温度离子热热热热振振动动动动加剧剧电导电导电导电导 率率()() B与材料有关的常数 A 2 1 1低温区的杂质导电 2高温区的本征导电 37 第2章材料的电性能 材料物理性能 离子性质质、晶体结结构的影响 离子导电的影响因素 材料熔点高离子间结间结 合力大离子活性导电导电 激活能 离子半径大离子间结间结 合力离子活性 离子价数离子键键力离子活性 晶体间间隙大离子移动动自由程 38 第2章材料的电性能 材料物理性能 离子导电的影响因素 空位、间间隙原子或掺杂掺杂 原子（使空位产产生）均可参与导电导电 缺 陷 当晶体中离子扩散方向与 外电场力方向一致方向一致时，离 子的浓浓浓浓度梯度度梯度愈大，导电 性愈好。 浓浓度梯度 39 第2章材料的电性能 材料物理性能 快离子导体 固体固体电电电电解解质质质质具有离子导电导电 的固体物质质。 快离子快离子导导导导体体电导电导 率较较高的固体电电解质质。 (1) 银和铜的卤族和硫族化合物。 金属原子在这些化合物键键合 位置相对对随意。 (2) 具有-氧化铝结构的高迁移率的单