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1、电子材料第二讲,导 电 材 料主讲人：汪晓东教授,授 课 提 纲,一、导电材料概述 二、电阻材料 三、超导材料,【第3页】,1. 导电材料的基础知识,定义及概念电阻率：104m10-4m的材料定义为导电材料导电材料的分类固体：金属固体、非金属固体、部分有机高分子材料液体：电解质水溶液、汞气体：钠、汞蒸汽，氖、氬等稀有气体导电材料的主要应用导线、接头、电子元器件、热电偶、熔断、焊接、电池,一、导电材料概述,【第4页】,2. 金属导电材料,金属的晶体结构体心立方、面心立方和密集六方合金的结构固溶体：金属金属合金体系金属化合物正常价化合物： MgS、Mg2Si、SnS电子化合物：由两种金属组成，其中
2、一种是过渡金属间隙相化合物：过渡金属与半径小的非金属元素组成，具有高熔点、高硬度，低温下呈超导状态机械混合物：各自保持晶粒结构，互不干涉,【第5页】,金属电导的机理经典金属导电理论：普通金属元素通过提供外层价电子而相互结合，形成晶体，自由流动的外层价电子成为电的载体。（麦克思斯韦尔玻尔兹曼统计理论）,电流密度,电子平均速率,电子漂移速率,电子平均自由行程,【第6页】,金属电导的机理（续）量子力学导电理论：电子运动具有不连续性，服从鲍利不相容原理，电子沿金属晶格点阵运动，具有波粒二象性特征。（费米狄克拉统计理论）体现出晶体中缺陷（杂质、空穴、位错、晶界和裂纹等）对电子运动的影响晶格振动（由离子热
3、振动引起）对电子运动的影响,【第7页】,影响导电材料电阻的因素电阻与电阻率：电阻率只与材料本身有关相对电阻率：IEC标准规定，导电率为1.724110-8m的标准软铜作为100%导电率，来确定金属的相对导电率电阻率的温敏性：电阻或电阻率与温度呈线性比关系（为温度电阻系数）杂质对电阻率的影响：合金或杂质都会导致电阻率上升导热率对电阻率的影响：导热性与导电性相关,【第8页】,金属的电导性纯金属的电阻率Ag：1.6210-8mCu：1.7210-8mAu：1.4010-8mAl：2.8210-8m金属合金导电材料铜合金：银铜、镉铜、镉铜、锆铜、锌铜、锡铜、镍铜、铝合金：铝硅、铝镁、铝镁硅锡铅合金：焊
4、接材料的主要原料,Zn：6.1010-8m Fe：10.0010-8m Sn：11.4010-8m Pb：21.9010-8m,【第9页】,电碳材料石墨晶体、无定形碳黑、碳纤维、碳纳米管、碳60、电接触材料接触材料的应用：电刷、接点、开关及真空开关、滑动接触材料焊接材料高温焊接材料和低温焊接材料锡/铅基、锡/锌基材料熔断材料锡铅基为主，还包含铜、镉、银、铋等多种元素,3. 其它导电材料,收缩电阻,薄膜电阻,【第10页】,碳C60新材料皇后1980年英国Sussex大学的微波光谱学家Kroto教授首次通过质谱中存在着一批相应于偶数碳原子的分子的峰（驼峰光谱），发现了C60的特征结构。水溶性C60
5、羧衍生物在可见光照射下具有抑制毒性细胞生长和使DNA开裂的性能，为其应用于光动力疗法开辟了广阔的前景。C60多肽衍生物可能在人类单核白血球趋药性和抑制HIV-1 蛋白酶两方面具有潜在的应用。水溶性C60脂质体对癌细胞具有很强的杀伤效应。利用C60分子的抗辐射性能，将放射性元素置于碳笼内注射到癌变部位能提高放射治疗的效力并减少副作用。C60的氟衍生物C60F俗称“特氟隆”，可做为“分子滚珠”和“分子润滑剂”在高技术发展中起重要作用。将锂原子嵌人碳笼内有望制成高效能锂电池。碳笼内嵌人稀土元素铕可望成为新型稀土发光材料。水溶性钆的C60衍生物有望做为新型核磁造影剂。C60及其衍生物可能成为新型催化剂
6、和新型纳米级的分子导体线、分子吸管和晶须增强复合材料。C60与环糊精、环芳烃形成的水溶性主客体复合物将在超分子化学、仿生化学领域发挥重要作用。,【第11页】,石墨烯改变世界的新材料2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫首次制备出了石墨烯。这是一种简单易行的新途径，他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成他们制得了石墨烯。2010年为表彰这两位科学家被诺贝尔授予物理学奖。,安德烈海姆,康斯坦丁诺沃肖洛夫,
7、【第12页】,石墨烯改变世界的新材料石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。石墨烯是已知材料中最薄的一种，只有0.34nm。石墨烯迄今为止发现的最硬的物质，力学性能超强。石墨烯良好的导电性及其对光的高透过性又让它在透明导电薄膜的应用中独具优势，而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等领域至关重要。目前，集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，当硅材料尺寸小于10纳米时，用它制造出的晶体管稳定性变差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管。此外，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。因此，石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命。,【第13
8、页】,二、电阻材料,1. 电阻材料概述,定义及特征电阻率较高的导电材料主要用来制作标准电阻、变阻器、电热器件和敏感电阻器件电阻材料的特点：温度电阻系数尽可能小，阻值稳定电阻材料的种类及应用锰铜合金：一般用于制作高精电阻元器件康铜合金：电热势高，可用于制作热电耦镍铬合金：用于制作薄膜电阻贵金属合金：铂基电阻、钯基电阻、金基电阻，化学稳定性好，主要用于制作绕阻器,【第14页】,固定电阻器碳膜电阻器：是由碳氢化合物在真空中通过高温热分解，使碳在瓷质基体表面上沉积形成导电膜而制成。其特点是电阻阻值范围宽（1010），可靠性较高，体积小，价格低廉。但其单位负荷功率较小，使用环境温度较低。金属膜电阻器：真
9、空条件下，在陶瓷表面上蒸发沉积一层金属氧化膜或合金膜而成。其特点是工作范围广（-55+125），温度系数小，噪声低，体积小。线绕电阻器：是用镍铬合金、锰铜合金等电阻丝绕在绝缘支架上制成的在其外表涂有耐热的釉层。其特点是功率大，能经受高热，本身产生的噪声小，稳定性也好。但其体积大，分布参数大,【第15页】,固定电阻器（续）金属玻璃釉电阻器：这种电阻器是以金属、金属氧化物或难熔化合物作为导电相，以玻璃釉作粘结剂，与有机粘结剂混合成桨料，被覆于陶瓷或玻璃基体上，经高温烧结而成，又称厚膜电阻器。其特点是耐高温、高压、阻值范围宽（100K100）、温度系数小、稳定可靠、耐潮湿性好。阻燃电阻器：这种电阻器
10、是在电阻器的表面涂上一层含有阻燃剂的涂料。其特点是在火焰中不易燃烧（没有火焰）。熔断电阻器：是一种的双功能元件，既有一般电阻器的功能，又有过负荷熔断的功能。水泥电阻：这种电阻器是将电阻丝卷绕在陶瓷骨架上构成一个电阻器的毛坯，将其装入陶瓷外壳，再用类似于水泥的无机粘合剂填充，经干噪、高温固化而成。其特点是小体积大功率、耐燃、耐电弧、耐潮湿。,【第16页】,2. 电阻材料敏感特性,金属的热电效应把两种不同金属连接形成一个回路当两个接触点产生温差时，回路中就会产生热电势，从而形成热电流；这一现象被称为热电效应，亦佳称Seebeck效应。上述闭合回路被称为热电耦热电耦回路中产生的温差电动势是由佩尔捷电
11、动势和汤姆逊电动势联合组成的佩尔捷电动势：在两种金属的结点处，由于电子扩散的结果而产生接触电势差，其热端和冷端的总接触电势差为：汤姆逊电动势：同一导体的两端温度不同而产生电势差，在热电偶回路中，两种金属总的汤姆逊电动势电势为：,【第17页】,金属的热电效应（续）热电偶产生的热电势是由两种导体的总接触电势和总汤姆逊电势所组成，即：当制作电偶的材料确定后，温差电动势的大小就只决定于两个接触点的温度差：,电偶常数,【第18页】,金属热电耦的应用及特点测量范围广：可以从4.2K(268.950)的深低温直至28000 的高温。如液态空气的低温或炼钢炉温(2000)。 测量精度高：因热电偶直接与被测对象
12、接触，不受中间介质的影响。灵敏度和准确度高(可达10-3)，特别是铂铑铂热电偶。受热面积和热容量可做得很小，如研究金相变化、小生物体温变化，水银温度计则难于可比。构造简单，使用方便：热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。由于热电偶测温是将温度测量转换为电学量的测量，因而非常适用于自动调温和控温系统。,【第19页】,背景资料,温差电：一门古老而又年轻的学科,温差电是研究温差和电之间关系的科学，它是一门古老而又年轻的学科。构成温差电技术的基础有三个基本效应。1821年德国科学家塞贝克首先发现了温差电的第一个效应，人们称之为塞贝克效应，即两种不同
13、的金属构成闭合回路，当两个接头存在温差时，回路中将产生电流，这一效应成为了温差发电的技术基础。今天我们经常提到的电子致冷所依赖的珀尔帖效应是法国科学家珀尔帖于1834年发现的，它是塞贝克效应的逆效应。两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。1845年汤姆逊发现了温差电的第三个效应，即当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。后来人们称它为汤姆逊效应。温差电现象发现后将近一个世纪，并未得到实际应用，原因是金属的温差电效应非常微弱。温差电技术的真正复兴可以认为从二十世纪30年代开始，杰出的苏联物理学家约飞最早提出采用半导体材料作为温差电换能材料，特别
14、是首先提出的固熔体合金的概念，为温差电技术的实际应用奠定了理论与技术基础。,【第20页】,很显然，温差电技术分为温差发电和温差致冷两大分支。1942年前苏联最早制成了用火焰加热的温差发电器，效率为1.52。之后，一些特殊领域对电源的需求大大刺激了温差发电器的研制工作，二十世纪60年代初就有一批温差发电器成功地用于空间、地面和海洋。温差发电器效率较低，一般不大于8，因此其应用范围受到一定限制。但近年来，随着技术的不断进步，温差发电器已逐渐得到广泛应用，不仅在军事、航天领域，而且在民用方面也表现出良好的应用前景。上世纪50年代初期，利用PbTe和Sb2Te3材料分别作N、P 臂的单级温差电致冷器的
15、最大温差约40，以后人们发现Bi2Te3及其固熔体合金是最有希望的温差电致冷材料。上世纪70年代以后，由于陶瓷工艺、半导体材料制备方法、切割工艺及焊接技术等的进步使温差电致冷得到飞速发展。迄今为止，已实用化的性能最佳的温差电致冷材料为Bi2Te3Sb2Te3Sb2Se3三元合金，最大优值达3.5103V/，用这种材料制作的单级致冷组件的最大温差可达到70以上。,背景资料,【第21页】,前苏联的俄罗斯、乌克兰等国家在温差发电和温差致冷方面进行了最广泛的研究。随着这些国家政治、经济形势的变革，他们的科研成果正从航天、军事领域逐渐转化到市场需求方面。美国也是温差电技术的强国，而且该技术领域得到美国政
16、府和军方的支持。 目前，我国已经成为世界上温差电产品生产规模最大的国家之一，产品的技术性能也接近国际先进水平。以电子致冷饮水机为代表的温差电致冷产品广泛进入了普通家庭，可以相信，温差电技术必将得到更加广泛的应用。,背景资料,【第22页】,温差电技术发展新动向,微型温差电器件是当今温差电技术的另一前沿。电子器件微型化和军事应用的迫切需要研制高热流密度、高功率密度、快速响应时间、低温差时能产生高电压的微型温差发电组件。随着计算机芯片越来越小，运行速度越来越快，热设计问题也越来越重要，迫切需要一种能集成在芯片上的微型致冷组件。 按用途分，微型组件可分为微型温差发电器、微型温差电传感器和微型温差电致冷器。其工艺大致分3类，一是块状材料为基础的工艺，二是薄膜和微电子机械工艺（MEMS），三是厚膜工艺。第一类以精工手表电池为代表，第二类以 EGG公司热电传感器为代表，第三类以美国喷气推进实验室的微型组件为代表。可以预见，微型温差电器件将有美好的应用前景。,
