材料性能学材料性能学付华付华石家庄铁道大学石家庄铁道大学 l第第14章章 材料的电学性能材料的电学性能l14.1 导电性能导电性能l14.2 热电性能热电性能l14.3 半导体导电性的敏感效应半导体导电性的敏感效应l14.4 介质极化与介电性能介质极化与介电性能l14.5 绝缘材料的抗电强度绝缘材料的抗电强度第二部分第二部分 材料的物理性能材料的物理性能 14.1 导电性能导电性能¯电子填充电子填充的性质及能带结构能带结构；¯电阻对材料的组织结构组织结构变化十分敏感I=U/RR=ρL/sρ：：电阻率（Ω·m） ρ≤10-2Ω·m→→导体ρ>1010Ω·m→→绝缘体 10-2 ~1010Ω·m→→半导体¯ 物质导电性差异显著物质导电性差异显著------结构：结构： 14.1.1 导电机理 ①经典自由电子理论一、一、 金属及半导体的导电机理金属及半导体的导电机理②量子自由电子理论③能带理论¯解释：解释：导电机理：电流的产生；导电机理：电流的产生；电阻的产生电阻的产生 1 1、经典电子理论：、经典电子理论：正离子：价电子：电阻的产生：电阻的产生： 自由电子与正离子碰撞形成均匀的电场。
完全自由地分布、运动,类似经典力学气体分子运动一、一、 金属及半导体的导电机理金属及半导体的导电机理导电机理：导电机理：外电场作用下，自由电子定向运动 存在问题：问题：L① n越大，σ↑，但2/3价金属的导电性比一价差L②据气体动力学，电阻率ρ应该正比于T1/2， 但实际上ρ∝∝TL③ 不能解释超导现象 （认为0K时自由电子能量为0） υ：电子平均运动的速度 ， n：单位体积内的自由电子数，l：电子两次碰撞的平均距离（自由程）电导率σ：t: 相邻电子2次碰撞的时间间隔 Ⅰ Ⅱ Ⅲb Ⅳb Ⅴb Ⅵb Ⅶb Ⅷb Ⅰb Ⅱb Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ 0HHeLiBeBCNOFNeNa MgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFe CoNiCuZn GaGeAs SeBrKrRbSrYZrNbMoTcRu RhPdAgCdInSnSb TeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBi PoAtRnFrRaAcRfⅠA族：高σ周期系中各元素周期系中各元素ρ的变化规律：的变化规律：ⅡA族，ⅢA族： σ降低ⅠB→ σ ↑ ↑ ↑最高σ Ag>Cu>Au>Al>Mg>Ca>Na 2 2、量子力学自由电子理论、量子力学自由电子理论内层电子：处于单个原子时的能量状态。
正离子：价电子：均匀的电场自由运动，服从量子力学规律，具有量子化能级，电子波（波函数）K：波数频率，表征自由电子具有的能量状态的参数薛定谔,电子波运动： 一价金属自由电子的动能E： 不同能级下只存在一对正反方向运动的一对电子费米（Fermi））能级Ef ：0 k时电子具有的最高能级；不同金属有不同的固定值电子由低到高 填满能级在0 k，自由电子仍具有能量 （经典电子理论认为0 k时电子能量为0） Enrico Fermi （（1901-1954 ））l生于意大利罗马，美国生于意大利罗马，美国物理学家物理学家l兼具杰出的理论家和天才试验家兼具杰出的理论家和天才试验家l“中子物理学之父中子物理学之父” 1934年用中子轰击原子年用中子轰击原子核产生人工放射现象，核产生人工放射现象，“慢中子慢中子”更易引起核反更易引起核反应l1938年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖 l1941年底，费米在哥伦比亚大学年底，费米在哥伦比亚大学 主持建造世界上第一座原子反应堆主持建造世界上第一座原子反应堆 l1fm=10-15m 无外电场E→电子分布对称，无电流加外场加外场E，电子沿+E方向被加速。
绝大多数电子仍对称，不参与导电只有接近Ef的少量电子激发到空能级上参与导电（正向运动E↓）E+-导电机理E+- 电阻的形成：u电子波在传播过程中被点阵离子散射点阵离子散射后相互干涉→→→电阻u超导现象： 温度0 k，纯理想完整晶体→散射为0， 电子波无阻传播，→→R=0u缺陷、杂质、热振动→→点阵畸变→→ 散射电子波→→电阻电阻 R↑ lnef ：靠近Ef 顶部的少数自由电子， 单位体积内参与导电的有效电子数l不同材料nef不同，一价金属的nef比二、三价金属多，导电性好电导率：lt：两次反射之间的平均时间；lp：单位时间内散射的次数，散射几率J量子自由电子理论较好地解释了金属导电的本质，L但它假定金属中的离子所产生的势场是均匀的， 与实际情况有一定差异 3 3、能带理论、能带理论♣禁带： ♣允带：满带 空带（导带）正离子：价电子：电场不均匀，呈周期性变化，周期势场自由运动，量子化能级，在周期势场的作用下发生能带分裂； 能带填充：在外电场作用下电子易从一个能级 转到另一能级上去。
电子电子n型型空穴空穴P型型 1价价：价电子只填满s能带的一半，S与P重叠区宽，电子在S或P中容易跃迁，加速程度大，导电性好2价价：价电子填满S，少量电子进入P区，导电性良好s→p）3价价：2N个电子 填满S，N个电子填充一部分P带导电性好于2价（p→p） 二、无机非金属导电机理：l陶瓷、玻璃、高分子材料带电粒子的定向运动：载流子定向运动： 金属：无机非：电子式电导离子离子空穴离子式电导电子电子空穴自由电子 1、离子晶体导电机理：NaCl，AgBr, MgO离子与离子空位电导： 离子处于间隙位置，留下空位2、玻璃导电机理：本征离子电导：点阵离子的热运动杂质离子电导：低温-SiO2- 网络→→绝缘某些离子在结构中的可动性Na+→钠玻璃半导体玻璃：电子导电 14.1.2 超导电性 1911年，Onnes，水银，T=4.2K, R=0T＜Tc→→R=0，超导体是等电位的，无电场（内）l1、性能特点：①完全导电性；②完全抗磁性： The Nobel Prize in Physics 1913"for his investigations on the properties of matter at low temperatures which led, inter alia, to the production of liquid helium"Heike Kamerlingh-Onnes (1853-1926) 2、性能指标、性能指标：①①T＜Tc(临界转变温度)②②临界磁场Hc：T＜Tc时，H＞Hc时磁力线破坏超导体。
③③临界电流密度Jc：保持超导态的最大输入电流 3 3、理论模型、理论模型：超导现象的物理本质：最著名：BCS理论（（Bardeen-Cooper-Schriffer））电子e1的运动使周围正离子被吸引而向其靠拢，该区域正电荷密度增加→→吸引临近的电子e2，克服静电斥力，使e1,e2结成电子对——Cooper电子对电子对 John Bardeen (1908-1991) Leon Neil Cooper (1930-) and John Robert Schrieffer (1931-)The Nobel Prize in Physics 1972"for their jointly developed theory of superconductivity, usually called the BCS-theory" ①①电子对间通过晶格点阵振动的格波晶格点阵振动的格波相互作用， 而不是正常态的静电斥力②② Cooper电子对的总能量相等，电子间的吸引力最大，最稳定③一个Cooper电子对的能量比它的2个单独正常态的电子能量低2△，T=0K时，能隙2△最大④超导态，电子对在运动中的总能量保持不变。
晶格散射e1电子使能量改变时，e2能量产生相反的等量变化→电阻为0. 14.1.3 影响材料导电性的因素l 温度、成分、结构、杂质及缺陷浓度和迁移率一）金属材料（一）金属材料1、温度：Τ↑→→ρ↑；üΤ对nef /υ几乎无影响（Ef及其分布f受T的影响很小）ü离子振动加剧，原子无序度↑，周期势场涨落↑，ι↓，，t减少，散射几率P增加→R↑. ①①T>ΘD, ρ=ρ0(1+α△△T), α：电阻温度系数，4×10-3/℃②②T<ΘD，， ρ∝∝T5 ③③T<2K, ρ∝∝T2T→0,ρ→0l散射：电子间的相互作用l实际上ρ=ρ´（残留电阻，点阵畸变/缺陷引起）Matthiessen Rule:ρ ’ 为与杂质、晶格缺陷为与杂质、晶格缺陷 ( 点点/ 线线/面缺陷面缺陷)有有 关关 的的 电电 阻阻 率率; ρt为为 与与 温温 度度 有有 关关 的的 电阻率ρ=ρ’+ρt 2、冷塑变、冷塑变：l点阵畸变，晶体缺陷/空位↑→散射↑→ρ↑；l回复，再结晶→R↓；l拉应力→原子间距↑，畸变↑→ρ↑l压应力→ρ↓ （电子结构，Ef、能带结构发生变化）l 极限压力下，金刚石/S/P/Si/Ge等变为导体。
3 3、合金化、合金化：① ① 固溶体固溶体：A、总规律：晶格畸变，散射↑，ρ↑ 组元间化学作用→nef ↓有序化：点阵规律性加强，电子波散射↓→ρ↓② ② 金属化合物金属化合物：离子键，共价键形成→ρ↑③ ③ 多相合金多相合金：ρ对组织结构敏感（组成相的导电性，相对量，形状、大小、分布） 14.1.4 电阻测量及应用电阻测量及应用 1.单电桥法：误差较大（附加电阻大）适用1～～10Ω试样 2、双电桥法： ª 高灵敏度栓流计，ª可测小电阻 10-6～～1Ωª丝、棒状，尺寸精度高，ª真空保护气氛中防氧化 3、电位差计法： 待测回路无电流通过，完全消除附加电阻的影响，精确度比双电桥法更高（0.001级）4、安培—伏特计法：Rx=U/I 快速、方便 要选用大阻值毫伏计，小阻值试样（Ar转变） 5、直流四端电极法：半导体电阻 应用： 1、固溶体溶解度曲线， 2、SMA中马氏体相变温度： A→M：ρ↑ M→A：ρ↓3、时效过程4、有序-无序转变5、回火过程 谢谢！ 。