課程63電性能

1、第六章第六章 材料的性能材料的性能第三節(jié)材料的電性能第三節(jié)材料的電性能 6.3.1 電導(dǎo)率和電阻率電導(dǎo)率和電阻率 6.3.2 材料的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性材料的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性 6.3.3 材料的半導(dǎo)體性材料的半導(dǎo)體性 6.3.4 材料的超導(dǎo)性材料的超導(dǎo)性 6.3.5 材料的介電性材料的介電性 6.3.5 靜電現(xiàn)象靜電現(xiàn)象6.3.1 電導(dǎo)率和電阻率電導(dǎo)率和電阻率 6.3.1.1 電導(dǎo)率：電導(dǎo)是指真實(shí)電荷在電場(chǎng)作用下在介質(zhì)中電導(dǎo)率：電導(dǎo)是指真實(shí)電荷在電場(chǎng)作用下在介質(zhì)中的遷移。電導(dǎo)率的單位為的遷移。電導(dǎo)率的單位為S.m-1，它是衡量材料導(dǎo)電能力的，它是衡量材料導(dǎo)電能力的表觀物理量，它定義為在單位電位下流過(guò)每立方

2、厘米材料的表觀物理量，它定義為在單位電位下流過(guò)每立方厘米材料的電流電流I（A）。）。 IL/VS （S/m）(L是樣品厚，是樣品厚，m；S是樣品面積，是樣品面積，m2；V是電位，是電位，V)2 電阻率：電阻率：3 相對(duì)電導(dǎo)率：把國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軟銅（室溫相對(duì)電導(dǎo)率：把國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軟銅（室溫20C下電阻率為下電阻率為0.01724mm2/m）的電導(dǎo)率作為）的電導(dǎo)率作為100%，其它材料的電導(dǎo)，其它材料的電導(dǎo)率與之相比的百分?jǐn)?shù)即為該導(dǎo)體材料的相對(duì)電導(dǎo)率。率與之相比的百分?jǐn)?shù)即為該導(dǎo)體材料的相對(duì)電導(dǎo)率。LRS1材料材料電阻率電阻率/ .m電導(dǎo)率電導(dǎo)率/S.m-1超導(dǎo)體超導(dǎo)體0導(dǎo)體導(dǎo)體10-8 10-5105 10

3、8半導(dǎo)體半導(dǎo)體10-5 10710-7 105絕緣體絕緣體107 102010-20 10-7材料的分類及其電導(dǎo)率材料的分類及其電導(dǎo)率 6.3.1.2 決定電導(dǎo)率的基本參數(shù)。決定電導(dǎo)率的基本參數(shù)。 電導(dǎo)率與兩個(gè)基本參數(shù)相關(guān)，即載流子密度電導(dǎo)率與兩個(gè)基本參數(shù)相關(guān)，即載流子密度n(cm-3)和載流子遷移率和載流子遷移率 (cm2.V-1.S-1)。研究材料的電導(dǎo)性就。研究材料的電導(dǎo)性就是弄清楚載流子的品種、來(lái)源和濃度，遷移方式和遷是弄清楚載流子的品種、來(lái)源和濃度，遷移方式和遷移率大小等。移率大小等。 A 載流子載流子 電流是電荷在空間的定向運(yùn)動(dòng)。電流是電荷在空間的定向運(yùn)動(dòng)。任一物質(zhì)，任一物質(zhì)，只要

4、存在電荷的自由粒子載流子（電子、空穴，正離子、只要存在電荷的自由粒子載流子（電子、空穴，正離子、負(fù)離子），就可以在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生導(dǎo)電電流。金屬中為電負(fù)離子），就可以在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生導(dǎo)電電流。金屬中為電子，高分子和無(wú)機(jī)材料為電子或離子。載流子為離子或空格子，高分子和無(wú)機(jī)材料為電子或離子。載流子為離子或空格點(diǎn)的電導(dǎo)稱為離子電導(dǎo)，載流子為點(diǎn)的電導(dǎo)稱為離子電導(dǎo)，載流子為電子和空穴電子和空穴電導(dǎo)稱為電導(dǎo)稱為本征本征電導(dǎo)電導(dǎo)。 B 遷移率遷移率 物理意義為載流子在單位電場(chǎng)中的遷移速物理意義為載流子在單位電場(chǎng)中的遷移速率。率。=/nq 6.3.1.3 影響電導(dǎo)率的因素。影響電導(dǎo)率的因素。 A 影響影響離子電

5、導(dǎo)率離子電導(dǎo)率的因素：的因素：（1）溫度）溫度 隨著溫度的升高，離子電導(dǎo)按指數(shù)規(guī)律增隨著溫度的升高，離子電導(dǎo)按指數(shù)規(guī)律增加。在低溫下，雜質(zhì)電導(dǎo)占主要地位。這是由于雜加。在低溫下，雜質(zhì)電導(dǎo)占主要地位。這是由于雜質(zhì)活化能比基本點(diǎn)陣的活化能小許多的緣故。熱運(yùn)質(zhì)活化能比基本點(diǎn)陣的活化能小許多的緣故。熱運(yùn)動(dòng)能量的增高，使動(dòng)能量的增高，使本征電導(dǎo)本征電導(dǎo)起主要作用。起主要作用。（2）晶體結(jié)構(gòu)）晶體結(jié)構(gòu) 離子電導(dǎo)率隨活化能按指數(shù)規(guī)律變化，離子電導(dǎo)率隨活化能按指數(shù)規(guī)律變化，而活化能反映離子的固定程度，它與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。而活化能反映離子的固定程度，它與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。（3）晶格缺陷）晶格缺陷 具有具有離子電導(dǎo)離子

6、電導(dǎo)的固體物質(zhì)稱為的固體物質(zhì)稱為固體電固體電解質(zhì)解質(zhì)。離子晶體成為固體電解質(zhì)必須具備兩個(gè)條件：。離子晶體成為固體電解質(zhì)必須具備兩個(gè)條件：電子載流子的電子載流子的濃度小濃度?。浑x子晶格缺陷濃度大并參與；離子晶格缺陷濃度大并參與電導(dǎo)。離子性晶格缺陷的生成及其濃度的大小是決電導(dǎo)。離子性晶格缺陷的生成及其濃度的大小是決定離子電導(dǎo)的關(guān)鍵。定離子電導(dǎo)的關(guān)鍵。 B 影響影響電子電導(dǎo)率電子電導(dǎo)率的因素：的因素：（1）溫度溫度 低溫區(qū)為雜質(zhì)電導(dǎo)，高溫階段為本征電導(dǎo)，低溫區(qū)為雜質(zhì)電導(dǎo)，高溫階段為本征電導(dǎo)，中間出現(xiàn)飽和區(qū)，此時(shí)雜質(zhì)全部電離解完，載流子中間出現(xiàn)飽和區(qū)，此時(shí)雜質(zhì)全部電離解完，載流子濃度與溫度無(wú)關(guān)。金屬中

7、濃度與溫度無(wú)關(guān)。金屬中 T-1，半導(dǎo)體和絕緣體，半導(dǎo)體和絕緣體的電導(dǎo)率隨溫度變化以指數(shù)函數(shù)增大。的電導(dǎo)率隨溫度變化以指數(shù)函數(shù)增大。（2）雜質(zhì)與缺陷的影響雜質(zhì)與缺陷的影響 雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體的影響是由于雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體的影響是由于雜質(zhì)離子引起了新局部能級(jí)。價(jià)控半導(dǎo)體的摻雜雜質(zhì)離子引起了新局部能級(jí)。價(jià)控半導(dǎo)體的摻雜（離子半徑相近，固定的化合價(jià)，具有較高的離子（離子半徑相近，固定的化合價(jià)，具有較高的離子化勢(shì)能）?；瘎?shì)能）。 陽(yáng)離子空位是一個(gè)負(fù)電中心，能束縛空穴。電子躍陽(yáng)離子空位是一個(gè)負(fù)電中心，能束縛空穴。電子躍遷到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)電的空穴。吸收一定的能量對(duì)應(yīng)遷到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)電的空穴。吸收一定的能量對(duì)應(yīng)一定波長(zhǎng)的可

8、見(jiàn)光能量，從而使晶體具有某種特殊一定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光能量，從而使晶體具有某種特殊的顏色。俘獲了空穴的陽(yáng)離子空位（負(fù)電中心）叫的顏色。俘獲了空穴的陽(yáng)離子空位（負(fù)電中心）叫做做V-心，也稱色心。心，也稱色心。 陰離子空位？陰離子空位？F-心，也稱色心。心，也稱色心。ZnO？雜質(zhì)聲子6.3.2 材料的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性材料的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性 6.3.2.1 材料的電子結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性材料的電子結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性 A 導(dǎo)體的能帶導(dǎo)體的能帶 固體理論指出固體理論指出 1）在無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，無(wú)論絕緣體、）在無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，無(wú)論絕緣體、半導(dǎo)體或?qū)w都無(wú)電流；半導(dǎo)體或?qū)w都無(wú)電流；2）在外場(chǎng)作用下，不滿帶導(dǎo)電而）在外場(chǎng)作用下，不滿帶導(dǎo)電而滿

9、帶不導(dǎo)電。滿帶不導(dǎo)電。 B 絕緣體的能帶絕緣體的能帶 惰性氣體的原子中各能級(jí)原來(lái)都是滿的，結(jié)惰性氣體的原子中各能級(jí)原來(lái)都是滿的，結(jié)合成晶體時(shí)能帶也為電子所填滿，固為絕緣體。離子晶體各合成晶體時(shí)能帶也為電子所填滿，固為絕緣體。離子晶體各外層電子均被填滿，能帶本來(lái)系有兩個(gè)能量相差較大的能級(jí)外層電子均被填滿，能帶本來(lái)系有兩個(gè)能量相差較大的能級(jí)分裂而來(lái)，禁帶寬度較大，因而是典型的絕緣體。分裂而來(lái)，禁帶寬度較大，因而是典型的絕緣體。 在滿帶與導(dǎo)帶之間存在一個(gè)較大的禁帶，約大于在滿帶與導(dǎo)帶之間存在一個(gè)較大的禁帶，約大于6.4081019J（4eV），禁帶越寬，絕緣性越好。），禁帶越寬，絕緣性越好。 無(wú)機(jī)絕

10、緣體對(duì)溫度的穩(wěn)定性好。有機(jī)絕緣體隨溫度升高發(fā)生無(wú)機(jī)絕緣體對(duì)溫度的穩(wěn)定性好。有機(jī)絕緣體隨溫度升高發(fā)生裂解，因游離出碳而使絕緣體變性。裂解，因游離出碳而使絕緣體變性。 C 半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體的能帶 導(dǎo)電性能介于絕緣體與導(dǎo)體之間的物質(zhì)稱為導(dǎo)電性能介于絕緣體與導(dǎo)體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。升高溫度或摻入雜質(zhì)，都可改變其電阻，可廣泛用半導(dǎo)體。升高溫度或摻入雜質(zhì)，都可改變其電阻，可廣泛用于晶體管、二極管，鎮(zhèn)流器、太陽(yáng)能電池等方面。于晶體管、二極管，鎮(zhèn)流器、太陽(yáng)能電池等方面。（1）本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，約在半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，約在1.602X10-19(1.0 eV)附近。例如室溫下硅為

11、附近。例如室溫下硅為1.794X10-19J(1.10 eV)。固。固在室溫下晶體中原子的振動(dòng)就可使少量電子受到熱激發(fā)，從在室溫下晶體中原子的振動(dòng)就可使少量電子受到熱激發(fā)，從滿帶躍遷到導(dǎo)帶，即在導(dǎo)帶底部附近存在有少量的電子，從滿帶躍遷到導(dǎo)帶，即在導(dǎo)帶底部附近存在有少量的電子，從而在外電場(chǎng)下顯示一定的導(dǎo)電性。而在外電場(chǎng)下顯示一定的導(dǎo)電性。 空穴的概念空穴的概念 半導(dǎo)體的一個(gè)電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶上，便產(chǎn)生兩個(gè)載流子，半導(dǎo)體的一個(gè)電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶上，便產(chǎn)生兩個(gè)載流子，即形成空穴即形成空穴-電子對(duì)，這是與金屬導(dǎo)電的最大區(qū)別。電子對(duì)，這是與金屬導(dǎo)電的最大區(qū)別。 （2）雜質(zhì)半導(dǎo)體）雜質(zhì)半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的

12、電阻對(duì)晶體中的雜質(zhì)很敏感，大半導(dǎo)體的電阻對(duì)晶體中的雜質(zhì)很敏感，大多數(shù)半導(dǎo)體的性質(zhì)與雜質(zhì)的種類和含量有關(guān)。多數(shù)半導(dǎo)體的性質(zhì)與雜質(zhì)的種類和含量有關(guān)。 n型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。Si、Ge中摻入少量的中摻入少量的P、Sb、Bi或或As。 p型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 Si、Ge中摻入少量的中摻入少量的B、或、或Al。因缺少一個(gè)。因缺少一個(gè)電子，以少許的能量就可使電子從價(jià)帶躍遷到摻雜能級(jí)上，電子，以少許的能量就可使電子從價(jià)帶躍遷到摻雜能級(jí)上，相應(yīng)地在價(jià)帶形成一定數(shù)量的空穴，這些空穴可看成是參與相應(yīng)地在價(jià)帶形成一定數(shù)量的空穴，這些空穴可看成是參與導(dǎo)電的帶有正電的載流子。導(dǎo)電的帶有正電的載流子。 6.3.2.2 材

13、料的電子結(jié)構(gòu)與光導(dǎo)性材料的電子結(jié)構(gòu)與光導(dǎo)性 不僅熱運(yùn)動(dòng)可使材料產(chǎn)生電子不僅熱運(yùn)動(dòng)可使材料產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，當(dāng)光照射材料時(shí)，同空穴對(duì)，當(dāng)光照射材料時(shí)，同樣可使?jié)M帶中的電子獲得足夠的能量激發(fā)到導(dǎo)帶從而產(chǎn)生電樣可使?jié)M帶中的電子獲得足夠的能量激發(fā)到導(dǎo)帶從而產(chǎn)生電子子-空穴對(duì)，自由電子和自由空穴的變化導(dǎo)致電阻率的變化，空穴對(duì)，自由電子和自由空穴的變化導(dǎo)致電阻率的變化，這種由光照而使?jié)M帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)這種由光照而使?jié)M帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光電導(dǎo)的實(shí)質(zhì)是對(duì)電子電導(dǎo)作貢獻(xiàn)的載流子濃度受光效應(yīng)。光電導(dǎo)的實(shí)質(zhì)是對(duì)電子電導(dǎo)作貢獻(xiàn)的載流子濃度受光激發(fā)而增大的現(xiàn)象。激發(fā)而增大的現(xiàn)

14、象。 A. 分子受激過(guò)程與能量交換分子受激過(guò)程與能量交換 EEj-Ei=h 當(dāng)吸收光子的能量大于能帶禁隙（能隙）時(shí)，電子從價(jià)帶進(jìn)當(dāng)吸收光子的能量大于能帶禁隙（能隙）時(shí)，電子從價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶直接產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，呈帶入導(dǎo)帶直接產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，呈帶-帶轉(zhuǎn)變。但通常電子帶轉(zhuǎn)變。但通常電子-空穴對(duì)保持一種松散結(jié)合狀態(tài)，或者說(shuō)，它們作為一個(gè)整體空穴對(duì)保持一種松散結(jié)合狀態(tài)，或者說(shuō)，它們作為一個(gè)整體在結(jié)構(gòu)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，猶似氫原子中電子在繞質(zhì)子運(yùn)動(dòng)。這種電在結(jié)構(gòu)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，猶似氫原子中電子在繞質(zhì)子運(yùn)動(dòng)。這種電子子-空穴對(duì)在無(wú)機(jī)共價(jià)化合物中取名空穴對(duì)在無(wú)機(jī)共價(jià)化合物中取名Wannier激子。有機(jī)晶體激子。有機(jī)晶體

15、分子中叫分子中叫Frankel激子。激子。C o n d u c t i o n bandValence band3.2eVLight385nme h+ReactantsOxidationProductsReactantsReductionProducts B. 光生載流子機(jī)理光生載流子機(jī)理 當(dāng)吸收吸收光量子，獲得足夠能量激發(fā)電子到導(dǎo)帶，光生載流當(dāng)吸收吸收光量子，獲得足夠能量激發(fā)電子到導(dǎo)帶，光生載流子可用圖來(lái)概括。子可用圖來(lái)概括。 當(dāng)光量子足以克服材料的能帶帶隙時(shí)，電子從價(jià)帶直接激發(fā)到導(dǎo)當(dāng)光量子足以克服材料的能帶帶隙時(shí)，電子從價(jià)帶直接激發(fā)到導(dǎo)帶，這是直接帶帶轉(zhuǎn)變（機(jī)理帶，這是直接帶帶轉(zhuǎn)變（機(jī)理

16、A），或叫本征光生載流子過(guò)程。），或叫本征光生載流子過(guò)程。為完成直接帶帶轉(zhuǎn)變需要較高的光量子，本征光生載流子通常為完成直接帶帶轉(zhuǎn)變需要較高的光量子，本征光生載流子通常發(fā)生在真空紫外區(qū)。發(fā)生在真空紫外區(qū)。 在機(jī)理在機(jī)理B中，基態(tài)電子受激發(fā)到最低受激發(fā)態(tài)（單重態(tài)），屬于中，基態(tài)電子受激發(fā)到最低受激發(fā)態(tài)（單重態(tài)），屬于初級(jí)光吸收。單重態(tài)激子只有在離解成獨(dú)立的電子、空穴而達(dá)到初級(jí)光吸收。單重態(tài)激子只有在離解成獨(dú)立的電子、空穴而達(dá)到導(dǎo)電狀態(tài)后才對(duì)光電流有貢獻(xiàn)。為此所需能量可從激子表面相導(dǎo)電狀態(tài)后才對(duì)光電流有貢獻(xiàn)。為此所需能量可從激子表面相互作用中而獲得，同時(shí)存在單重單重激子、單重三重激子、互作用中而獲得

17、，同時(shí)存在單重單重激子、單重三重激子、單重激子光子、三重激子光子以及雙光子等相互作用提供能單重激子光子、三重激子光子以及雙光子等相互作用提供能量的過(guò)程。量的過(guò)程。 電子受激進(jìn)入單重態(tài)的過(guò)程形成吸收光譜?？梢酝普?，那些光電電子受激進(jìn)入單重態(tài)的過(guò)程形成吸收光譜?？梢酝普?，那些光電導(dǎo)譜與吸收譜十分接近的光導(dǎo)體中的光生載流子歸屬這種機(jī)理。導(dǎo)譜與吸收譜十分接近的光導(dǎo)體中的光生載流子歸屬這種機(jī)理。 C. 光學(xué)退陷阱過(guò)程光學(xué)退陷阱過(guò)程 經(jīng)光輻照，從陷阱態(tài)（包括雜質(zhì)或物理陷阱等）激發(fā)被俘獲載經(jīng)光輻照，從陷阱態(tài)（包括雜質(zhì)或物理陷阱等）激發(fā)被俘獲載流子到達(dá)導(dǎo)帶是俘獲電荷的光學(xué)退陷阱過(guò)程（機(jī)理流子到達(dá)導(dǎo)帶是俘獲電荷

18、的光學(xué)退陷阱過(guò)程（機(jī)理C）。）。D 通過(guò)光誘導(dǎo)，電子可能從金屬電極的費(fèi)米級(jí)注射進(jìn)入聚合物導(dǎo)帶通過(guò)光誘導(dǎo)，電子可能從金屬電極的費(fèi)米級(jí)注射進(jìn)入聚合物導(dǎo)帶（光注射電子），或者從聚合物基態(tài)注射到電極費(fèi)米級(jí)（光注射（光注射電子），或者從聚合物基態(tài)注射到電極費(fèi)米級(jí)（光注射空穴），即是圖中的空穴），即是圖中的D機(jī)理。機(jī)理。 光誘導(dǎo)效應(yīng)通常用初級(jí)量子產(chǎn)率光誘導(dǎo)效應(yīng)通常用初級(jí)量子產(chǎn)率 作判斷，即每吸收一個(gè)光量子作判斷，即每吸收一個(gè)光量子形成自由電子空穴對(duì)數(shù)目。分子晶體中載流子發(fā)生過(guò)程與受激形成自由電子空穴對(duì)數(shù)目。分子晶體中載流子發(fā)生過(guò)程與受激態(tài)活化過(guò)程同時(shí)存在并相互競(jìng)爭(zhēng)，其結(jié)果是量子產(chǎn)率總是偏離極態(tài)活化過(guò)程同時(shí)

19、存在并相互競(jìng)爭(zhēng)，其結(jié)果是量子產(chǎn)率總是偏離極限值限值1。6.3.3 材料的半導(dǎo)體性材料的半導(dǎo)體性半導(dǎo)體分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體兩類，在實(shí)用上，大多數(shù)半導(dǎo)體分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體兩類，在實(shí)用上，大多數(shù)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體借助雜質(zhì)來(lái)控制其電學(xué)性能。本為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體借助雜質(zhì)來(lái)控制其電學(xué)性能。本征半導(dǎo)體是在外界能量作用下其電子從滿帶激發(fā)到導(dǎo)帶從而征半導(dǎo)體是在外界能量作用下其電子從滿帶激發(fā)到導(dǎo)帶從而具有半導(dǎo)體性質(zhì)。具有半導(dǎo)體性質(zhì)。對(duì)于本征半導(dǎo)體孔穴遷移率對(duì)于本征半導(dǎo)體孔穴遷移率Vh總比電子遷移率總比電子遷移率Ve低。與載流子低。與載流子密度隨溫度的變化相比，遷移率的變化不大。密度隨溫度

20、的變化相比，遷移率的變化不大。 電導(dǎo)率與溫度電導(dǎo)率與溫度T的關(guān)系為的關(guān)系為： ln = C-（Eg/2kT）k=8.62*10-5eV/K（與金屬的情況相反）。熱敏電阻或熱敏元件。（與金屬的情況相反）。熱敏電阻或熱敏元件。 施主施主(電子型導(dǎo)電，電子型導(dǎo)電，n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體)和受主和受主(空穴型導(dǎo)電，空穴型導(dǎo)電，p型半導(dǎo)型半導(dǎo)體體)。1 正常導(dǎo)體的電阻率：正常導(dǎo)體的電阻率：2 超導(dǎo)：超導(dǎo)：低溫下的奇跡低溫下的奇跡 1911年荷蘭物理學(xué)家昂尼斯年荷蘭物理學(xué)家昂尼斯（H.K.Onnes 18531926）發(fā)現(xiàn)，汞）發(fā)現(xiàn)，汞在在 Tc = 4.2K 時(shí)，其電阻率時(shí)，其電阻率0，汞，汞的這種現(xiàn)象稱為

21、的這種現(xiàn)象稱為“超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象”。 Tc 稱為稱為“轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度”) t1 (06.3.4 材料的超導(dǎo)電性材料的超導(dǎo)電性 實(shí)驗(yàn)證實(shí)：昂尼斯和他的學(xué)生用固態(tài)的水銀做成實(shí)驗(yàn)證實(shí)：昂尼斯和他的學(xué)生用固態(tài)的水銀做成環(huán)路，并使磁鐵穿過(guò)環(huán)路使其中產(chǎn)生感應(yīng)電流。環(huán)路，并使磁鐵穿過(guò)環(huán)路使其中產(chǎn)生感應(yīng)電流。當(dāng)水銀環(huán)路處于當(dāng)水銀環(huán)路處于4K之下的低溫時(shí)，即使之下的低溫時(shí)，即使磁鐵停止磁鐵停止了運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)電流卻仍然存在了運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)電流卻仍然存在。他們堅(jiān)持定期測(cè)。他們堅(jiān)持定期測(cè)量，經(jīng)過(guò)一年的觀察他們得出結(jié)論，只要水銀環(huán)量，經(jīng)過(guò)一年的觀察他們得出結(jié)論，只要水銀環(huán)路的溫度低于路的溫度低于4K，電流會(huì)長(zhǎng)期存在，并且沒(méi)

22、有強(qiáng)，電流會(huì)長(zhǎng)期存在，并且沒(méi)有強(qiáng)度變?nèi)醯娜魏污E象。度變?nèi)醯娜魏污E象。 接著昂尼斯又對(duì)多種金屬、合金、化合物材料進(jìn)接著昂尼斯又對(duì)多種金屬、合金、化合物材料進(jìn)行低溫下的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它們中的許多都具有在低行低溫下的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它們中的許多都具有在低溫下電阻消失、感應(yīng)電流長(zhǎng)期存在的現(xiàn)象。由于溫下電阻消失、感應(yīng)電流長(zhǎng)期存在的現(xiàn)象。由于在通常條件下導(dǎo)體都有電阻，昂尼斯就稱在通常條件下導(dǎo)體都有電阻，昂尼斯就稱這種低這種低溫下失去電阻的現(xiàn)象為超導(dǎo)溫下失去電阻的現(xiàn)象為超導(dǎo)。在取得一系列成功。在取得一系列成功的實(shí)驗(yàn)之后，昂尼斯立即正式公布這一發(fā)現(xiàn)，并的實(shí)驗(yàn)之后，昂尼斯立即正式公布這一發(fā)現(xiàn)，并且很快引起科學(xué)界的高度重視

23、，昂尼斯也因此榮且很快引起科學(xué)界的高度重視，昂尼斯也因此榮獲獲1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 二 超導(dǎo)體的主要特性1 零電阻率：零電阻率： 將超導(dǎo)體冷卻到某一臨界溫度將超導(dǎo)體冷卻到某一臨界溫度（TC）以下時(shí)電阻突然降為零）以下時(shí)電阻突然降為零的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象。不同超導(dǎo)體的臨界溫度各象。不同超導(dǎo)體的臨界溫度各不相同。例如，汞的臨界溫度不相同。例如，汞的臨界溫度為為4.15K（K為絕對(duì)溫度，為絕對(duì)溫度，0K相當(dāng)于零下相當(dāng)于零下273），而高溫），而高溫超導(dǎo)體超導(dǎo)體YBCO的臨界溫度為的臨界溫度為94K。 超導(dǎo)體中回路內(nèi)的電流將長(zhǎng)久超導(dǎo)體中回路內(nèi)的電

24、流將長(zhǎng)久地維持下去，幾乎沒(méi)有能量的地維持下去，幾乎沒(méi)有能量的損耗。導(dǎo)體內(nèi)任意兩點(diǎn)間沒(méi)有損耗。導(dǎo)體內(nèi)任意兩點(diǎn)間沒(méi)有電勢(shì)差，整個(gè)超導(dǎo)體是一個(gè)等電勢(shì)差，整個(gè)超導(dǎo)體是一個(gè)等勢(shì)體。勢(shì)體。2 完全抗磁性： 當(dāng)超導(dǎo)體冷卻到臨界溫當(dāng)超導(dǎo)體冷卻到臨界溫 度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，只要周圍度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，只要周圍的外加磁場(chǎng)沒(méi)有強(qiáng)到的外加磁場(chǎng)沒(méi)有強(qiáng)到 破壞超導(dǎo)性的程度，超導(dǎo)體就會(huì)把穿透破壞超導(dǎo)性的程度，超導(dǎo)體就會(huì)把穿透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在超導(dǎo)體內(nèi)永遠(yuǎn)保持磁感到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在超導(dǎo)體內(nèi)永遠(yuǎn)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。超導(dǎo)體的這種特殊性質(zhì)被稱為應(yīng)強(qiáng)度為零。超導(dǎo)體的這種特殊性質(zhì)被稱為邁斯納效應(yīng)邁斯

25、納效應(yīng)。 邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到超導(dǎo)體的行為并不是不可逆并不是不可逆的。在此之后人們才比較全面地了解了超導(dǎo)體的基本性質(zhì)。邁斯納效應(yīng)與零電阻現(xiàn)象是超導(dǎo)體的兩個(gè)基本特性基本特性，它們既互相獨(dú)立互相獨(dú)立，又密切聯(lián)系密切聯(lián)系。3 通量量子化 三 超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù) 1 臨界溫度（臨界溫度（TC）-超導(dǎo)體必須冷卻超導(dǎo)體必須冷卻至某一臨界溫度以下才能保持其至某一臨界溫度以下才能保持其超導(dǎo)性。超導(dǎo)性。2 臨界電流密度（臨界電流密度（JC）-通過(guò)超導(dǎo)體通過(guò)超導(dǎo)體的電流密度必須小于某一臨界電的電流密度必須小于某一臨界電流密度才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。流密度才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。3 臨界磁場(chǎng)（臨界磁

26、場(chǎng)（HC）-施加給超導(dǎo)體的施加給超導(dǎo)體的磁場(chǎng)必須小于某一臨界磁場(chǎng)才能磁場(chǎng)必須小于某一臨界磁場(chǎng)才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。 以上三個(gè)參數(shù)彼此關(guān)聯(lián)，其相互以上三個(gè)參數(shù)彼此關(guān)聯(lián)，其相互關(guān)系如右圖所示。關(guān)系如右圖所示。YxBa1-xCuO3ABO3結(jié)構(gòu)四 超導(dǎo)體的分類 目前已查明在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素金屬有32種（如右圖元素周期表中青色方框所示），而在高壓下或制成薄膜狀時(shí)具有超導(dǎo)電性的元素金屬有14種（如右圖元素周期表中綠色方框所示）。 1 第類超導(dǎo)體 第類超導(dǎo)體主要包括一些在常溫下具有良好導(dǎo)常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬電性的純金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦等 ，該類超導(dǎo)體的熔點(diǎn)較

27、低、質(zhì)地較軟，亦被稱作軟超導(dǎo)體”。其特征是由正常態(tài)過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)沒(méi)有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。第類超導(dǎo)體由于其臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)較低臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)較低，因而沒(méi)有很好的實(shí)用價(jià)值。 3 第類超導(dǎo)體 除金屬元素釩、锝和鈮外，第II類超導(dǎo)體主要包括金屬化合物及其合金。 第類超導(dǎo)體和第類超導(dǎo)體的區(qū)別區(qū)別主要在于： 第II類超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)有一個(gè)中有一個(gè)中間態(tài)（混合態(tài)）間態(tài)（混合態(tài)）； 第類超導(dǎo)體的混合態(tài)中有磁通線存在混合態(tài)中有磁通線存在，而第類超導(dǎo)體沒(méi)有； 第類超導(dǎo)體比第類超導(dǎo)體有更高的臨界磁場(chǎng)更高的臨界磁場(chǎng)、更大的臨界電流密度和更高的臨界溫度更大的臨界電流密度和更高的臨界溫度

28、。理想第理想第類超導(dǎo)體：類超導(dǎo)體：晶體結(jié)構(gòu)比較完整，不存在磁通釘扎中心，并且當(dāng)磁通線均勻排列時(shí)，在磁通線周圍的渦旋電流將彼此抵消，其體內(nèi)無(wú)電流通過(guò)，從而不具有高臨界電流密度。非理想第非理想第類超導(dǎo)體類超導(dǎo)體：晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷，并且存在磁通釘扎中心，其體內(nèi)的磁通線排列不均勻，體內(nèi)各處的渦旋電流不能完全抵消，出現(xiàn)體內(nèi)電流，從而具有高臨界電流密度。在實(shí)際上，真正適合于實(shí)際應(yīng)用的超導(dǎo)材料是非理想第類超導(dǎo)體。第第類超導(dǎo)體分類：類超導(dǎo)體分類：五 超導(dǎo)的理論研究1 倫敦方程 倫敦兄弟于1935年提出的倫敦方程是第一個(gè)對(duì)超導(dǎo)體的電動(dòng)力學(xué)作統(tǒng)一描述的理論。該理論不僅說(shuō)明了超導(dǎo)體的各種電磁性質(zhì)，而且也解釋了前述的

29、邁斯納效應(yīng)。該理論指出：在超導(dǎo)態(tài)，處于外磁場(chǎng)中的超導(dǎo)體內(nèi)并不是完全沒(méi)有磁場(chǎng)，實(shí)際上外磁場(chǎng)可以穿透到超導(dǎo)體表面附近很薄的一層中，其穿透深度約為十萬(wàn)分之一厘米。2 BCS理論 1957年由約翰巴丁、里昂庫(kù)珀和羅伯特施里弗提出基本內(nèi)容： 該理論模型基于量子力學(xué)理論，認(rèn)為：在超導(dǎo)體內(nèi)部，由于電子和點(diǎn)陣之間的相互作用，在電子與電子之間產(chǎn)生了吸引力，這種吸引力使傳導(dǎo)電子兩兩結(jié)成電子對(duì)電子對(duì)，組成每個(gè)電子對(duì)的兩個(gè)電子動(dòng)量相等、自旋方向電子動(dòng)量相等、自旋方向 相反，這種電子相反，這種電子對(duì)稱為庫(kù)珀電子庫(kù)珀電子對(duì)對(duì)或或超導(dǎo)電子超導(dǎo)電子。庫(kù)珀電子對(duì)的能量低于兩個(gè)正常電子的能量之和，因而超導(dǎo)態(tài)的能量低于正常態(tài)。在絕

30、對(duì)零度絕對(duì)零度時(shí)，全部電子都結(jié)成庫(kù)珀電子對(duì)，按照量子力學(xué)的物質(zhì)波物質(zhì)波概念，由于庫(kù)珀對(duì)的動(dòng)量很小，所以它的波長(zhǎng)很長(zhǎng)波長(zhǎng)很長(zhǎng)，不會(huì)受到晶格缺陷和雜質(zhì)的散射，從而可以無(wú)阻礙地流動(dòng)。都是超導(dǎo)電子，隨著溫度的升溫度的升高高，晶格振動(dòng)能量不斷增大晶格振動(dòng)能量不斷增大，庫(kù)珀電子對(duì)就不斷地被拆散并轉(zhuǎn)庫(kù)珀電子對(duì)就不斷地被拆散并轉(zhuǎn)變?yōu)檎ｋ娮幼優(yōu)檎ｋ娮樱跍囟冗_(dá)到臨界溫度以上臨界溫度以上時(shí)，庫(kù)珀電子就全部被拆散，所有電子都是正常電子正常電子。由于該杰出的理論成果，他們?nèi)朔窒砹?972年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。3 約瑟夫森效應(yīng) 1962年英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫年英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫森在研究超導(dǎo)電性的量子特森在研究超導(dǎo)電性

31、的量子特性時(shí)提出了性時(shí)提出了量子隧道效應(yīng)量子隧道效應(yīng)理理論，也就是今天人們所說(shuō)的論，也就是今天人們所說(shuō)的約約瑟夫森效應(yīng)瑟夫森效應(yīng)。該理論認(rèn)為：。該理論認(rèn)為：電子對(duì)能夠以隧道效應(yīng)穿過(guò)電子對(duì)能夠以隧道效應(yīng)穿過(guò)絕緣層，在勢(shì)壘兩邊電壓為絕緣層，在勢(shì)壘兩邊電壓為零的情況下，將產(chǎn)生直流超零的情況下，將產(chǎn)生直流超導(dǎo)電流，而在勢(shì)壘兩邊有一導(dǎo)電流，而在勢(shì)壘兩邊有一定電壓時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生特定頻定電壓時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生特定頻率的交流超導(dǎo)電流。在該理率的交流超導(dǎo)電流。在該理論的基礎(chǔ)上誕生了一門新的論的基礎(chǔ)上誕生了一門新的學(xué)科學(xué)科-超導(dǎo)電子學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)。 1962年，年僅20多歲的劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理研究生約瑟夫遜在著名科學(xué)家安德森

32、指導(dǎo)下研究超導(dǎo)體能隙性質(zhì)，他提出在超導(dǎo)結(jié)中，電子對(duì)可以通過(guò)氧化層電子對(duì)可以通過(guò)氧化層形成無(wú)阻的超導(dǎo)電流形成無(wú)阻的超導(dǎo)電流，這個(gè)現(xiàn)象稱作直流約瑟夫遜效應(yīng)。當(dāng)外加直流電壓外加直流電壓為V時(shí)，除直流超導(dǎo)電流直流超導(dǎo)電流之外，還存在交流電流交流電流，這個(gè)現(xiàn)象稱作交流約瑟夫遜交流約瑟夫遜效應(yīng)效應(yīng)。將超導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)透入氧化層，這時(shí)超導(dǎo)結(jié)的最大超導(dǎo)電流隨外磁場(chǎng)大小作有規(guī)律的變化。約瑟夫遜的這一重要發(fā)現(xiàn)為超導(dǎo)體中電子對(duì)運(yùn)動(dòng)提供了證據(jù)，使對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí)更加深入。約瑟夫森效應(yīng)成為微弱電磁信號(hào)探測(cè)和其他電子學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)。 六 超導(dǎo)材料NbTi和Nb3Sn 在超導(dǎo)材料的探索過(guò)程中，不能不提及的超導(dǎo)材料在

33、超導(dǎo)材料的探索過(guò)程中，不能不提及的超導(dǎo)材料是是NbTi 和和Nb3Sn。Nb3Sn化合物超導(dǎo)材料于化合物超導(dǎo)材料于1954年由馬賽厄斯等人發(fā)現(xiàn)，而年由馬賽厄斯等人發(fā)現(xiàn)，而NbTi合金具有超導(dǎo)電性合金具有超導(dǎo)電性則于則于1961年由孔茨勒發(fā)現(xiàn)。它們是目前應(yīng)用最為廣年由孔茨勒發(fā)現(xiàn)。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的兩種超導(dǎo)材料。至今，用泛的兩種超導(dǎo)材料。至今，用NbTi合金線材繞制一合金線材繞制一個(gè)個(gè)8T的超導(dǎo)磁體，用的超導(dǎo)磁體，用Nb3Sn化合物線材繞制一個(gè)化合物線材繞制一個(gè)15T的超導(dǎo)磁體已經(jīng)不存在任何的技術(shù)問(wèn)題。的超導(dǎo)磁體已經(jīng)不存在任何的技術(shù)問(wèn)題。 七 高溫超導(dǎo) 二十世紀(jì)八十年代是超導(dǎo)電性的探索與研究

34、的黃金年代。二十世紀(jì)八十年代是超導(dǎo)電性的探索與研究的黃金年代。1981年合成了有機(jī)超導(dǎo)體，年合成了有機(jī)超導(dǎo)體，1986年繆勒和柏諾茲發(fā)現(xiàn)了一年繆勒和柏諾茲發(fā)現(xiàn)了一種成分為鋇、鑭、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物種成分為鋇、鑭、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物L(fēng)aBaCuO4，其臨界溫度約為其臨界溫度約為35K。由于陶瓷性金屬氧化物一般來(lái)說(shuō)是絕。由于陶瓷性金屬氧化物一般來(lái)說(shuō)是絕緣物質(zhì)，因此這個(gè)發(fā)現(xiàn)意義非常重大，他們獲得了緣物質(zhì)，因此這個(gè)發(fā)現(xiàn)意義非常重大，他們獲得了1987年年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 1987年在超導(dǎo)材料的探索中又有新的突破，美國(guó)休斯頓大年在超導(dǎo)材料的探索中又有新的突破，美國(guó)休斯頓大

35、學(xué)物理學(xué)家學(xué)物理學(xué)家朱經(jīng)武朱經(jīng)武小組與中國(guó)科學(xué)院物理研究所小組與中國(guó)科學(xué)院物理研究所趙忠賢趙忠賢等人等人先后宣布制成臨界溫度約為先后宣布制成臨界溫度約為90K的超導(dǎo)材料的超導(dǎo)材料YBCO。 1988年初日本宣布制成臨界溫度達(dá)年初日本宣布制成臨界溫度達(dá)110K的的Bi-Sr-Ca-Cu-O超導(dǎo)體。至此，人們終于實(shí)現(xiàn)了液氮溫區(qū)超導(dǎo)體的夢(mèng)想，實(shí)超導(dǎo)體。至此，人們終于實(shí)現(xiàn)了液氮溫區(qū)超導(dǎo)體的夢(mèng)想，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)史上的重大突破?，F(xiàn)了科學(xué)史上的重大突破。這類超導(dǎo)體由于其臨界溫度在液這類超導(dǎo)體由于其臨界溫度在液氮溫度（氮溫度（77K）以上，因此被稱為高溫超導(dǎo)體。）以上，因此被稱為高溫超導(dǎo)體。6.3.5 材料的介電

36、性材料的介電性 6.3.5.1 電容和介電常數(shù)電容和介電常數(shù) C0=Q0/V， C0= 0A/l， 0=8.85*10-12F.m-1(真空電容率真空電容率), Q (Q=Q0+Q1) , C比真空電容增加了比真空電容增加了 r倍倍 C=Q/V= rC0= A/l, 則則 r=C/C0= / 0。 r 是個(gè)無(wú)因次的純數(shù)，稱為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，表征電解是個(gè)無(wú)因次的純數(shù)，稱為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，表征電解質(zhì)貯存電能能力的大小，是介電材料的一個(gè)十分重要的性能指質(zhì)貯存電能能力的大小，是介電材料的一個(gè)十分重要的性能指標(biāo)。標(biāo)。 則稱為介質(zhì)的電容率則稱為介質(zhì)的電容率(或介電常數(shù)或介電常數(shù))，表示單位面積

37、和單位，表示單位面積和單位厚度電介質(zhì)的電容質(zhì)，單位與厚度電介質(zhì)的電容質(zhì)，單位與 0相同為相同為F.m-1。 把電介質(zhì)引入真空電容器，引起極板上電荷量增加（把電介質(zhì)引入真空電容器，引起極板上電荷量增加（Q1），電），電容增大，這是由于在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中的電荷發(fā)生了再分容增大，這是由于在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中的電荷發(fā)生了再分布，靠近極板的介質(zhì)表面將產(chǎn)生表面束縛電荷，結(jié)果使介質(zhì)出布，靠近極板的介質(zhì)表面將產(chǎn)生表面束縛電荷，結(jié)果使介質(zhì)出現(xiàn)了宏觀偶極，這一現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化?，F(xiàn)了宏觀偶極，這一現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。 極化強(qiáng)度：極化強(qiáng)度：p=Q1/A= 0( r-1)E 電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)可被看做介質(zhì)

38、中電介質(zhì)極化強(qiáng)度的宏觀電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)可被看做介質(zhì)中電介質(zhì)極化強(qiáng)度的宏觀量度。量度。 極化包括：極化包括：電子極化電子極化，離離(原原)子極化子極化，取向極化取向極化等。等。還有來(lái)源于電荷在雙相界面上的累積。這種還有來(lái)源于電荷在雙相界面上的累積。這種空間電空間電荷極化荷極化或或界面極化界面極化，是在一種相的電阻率比另一種，是在一種相的電阻率比另一種相高得多時(shí)發(fā)生，這可在陶瓷材料和聚合物多組分相高得多時(shí)發(fā)生，這可在陶瓷材料和聚合物多組分多相體系在高溫時(shí)觀察到。多相體系在高溫時(shí)觀察到。 極化是依賴時(shí)間的過(guò)程，因此，介電常數(shù)有明顯的極化是依賴時(shí)間的過(guò)程，因此，介電常數(shù)有明顯的電場(chǎng)頻率依賴性。電場(chǎng)頻率依賴性。 分子的極性越大，其介電常數(shù)也越大。分子的極性越大，其介電常數(shù)也越大。 電子極化和離子極化統(tǒng)稱為位移極化或形變極化。電子極化和離子極化統(tǒng)稱為位移極化或形變極化。 6.3.5.2 介電損耗介電損耗 材料作為電介質(zhì)使用時(shí)，在交變電場(chǎng)作用下，除了由于純電容材料作為電介質(zhì)使用時(shí)，在交變電場(chǎng)作用下，除了由于純電容作用引起的位相和電壓正好差作用引起的位相和電壓正好差90 的電流的電流IC外，總有一部分與交外，總有一部分與交變電