金屬電導(dǎo)ppt課件

1、5.2材料的導(dǎo)電性能 5.4半導(dǎo)體物理 5.3金屬電導(dǎo) 5.5 超導(dǎo)物理 2個(gè)學(xué)時(shí)4個(gè)學(xué)時(shí)4個(gè)學(xué)時(shí)2個(gè)學(xué)時(shí)10個(gè)學(xué)時(shí)5.3 金屬電導(dǎo)金屬電導(dǎo)5.3.1 金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬導(dǎo)電機(jī)制5.3.2 金屬導(dǎo)電的外界影響因素金屬導(dǎo)電的外界影響因素5.3.3 金屬導(dǎo)電的內(nèi)在影響因素金屬導(dǎo)電的內(nèi)在影響因素5.3.4 固溶體的導(dǎo)電性固溶體的導(dǎo)電性5.3.5 金屬間化合物的導(dǎo)電性金屬間化合物的導(dǎo)電性5.3.1 金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬鍵與金屬結(jié)構(gòu)金屬鍵與金屬結(jié)構(gòu) 組成晶體時(shí)每個(gè)原子最外組成晶體時(shí)每個(gè)原子最外層電子為所有原子所共有層電子為所有原子所共有金屬鍵金屬鍵 自由電子和正離子組成的晶體格子之間的相自由電子和

2、正離子組成的晶體格子之間的相 互作用，無(wú)方向性和飽和性，金屬正離子應(yīng)按最緊密方式互作用，無(wú)方向性和飽和性，金屬正離子應(yīng)按最緊密方式排列，勢(shì)能最低，結(jié)合最穩(wěn)定排列，勢(shì)能最低，結(jié)合最穩(wěn)定正離子金屬原子正離子金屬原子 ） 圍繞著電子云圍繞著電子云價(jià)電子價(jià)電子 電子云電子云立方密堆積立方密堆積 面心立方結(jié)構(gòu)，面心立方結(jié)構(gòu)， ABC堆積堆積六方密堆積六方密堆積 面心立方晶格和六角晶格，面心立方晶格和六角晶格，AB堆積堆積5.3.1 金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬鍵與金屬結(jié)構(gòu)金屬鍵與金屬結(jié)構(gòu) 面心立方晶格面心立方晶格 Cu、Ag、Au、Al (配位數(shù)配位數(shù)12)六角晶格六角晶格 Be、Mg、Zn、Cd (配

3、位數(shù)配位數(shù)12)體心立方體心立方 Li、Na、K、Rb、Cs、Mo (配位數(shù)配位數(shù)8)次密堆積次密堆積 體心立方晶格，配位數(shù)為體心立方晶格，配位數(shù)為85.3.1 金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬導(dǎo)電機(jī)制電阻提出后，物理學(xué)家一直試圖尋找電阻提出后，物理學(xué)家一直試圖尋找合理的物理模型和理論對(duì)此進(jìn)行解釋合理的物理模型和理論對(duì)此進(jìn)行解釋5.3.1 金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬導(dǎo)電機(jī)制20世紀(jì)初，荷蘭物理學(xué)家洛侖茲首先用金屬世紀(jì)初，荷蘭物理學(xué)家洛侖茲首先用金屬電子論對(duì)電阻的微觀機(jī)制進(jìn)行了經(jīng)典解釋。電子論對(duì)電阻的微觀機(jī)制進(jìn)行了經(jīng)典解釋。量子力學(xué)量子力學(xué)微觀規(guī)律的根本性認(rèn)識(shí)微觀規(guī)律的根本性認(rèn)識(shí)微觀粒子微觀粒子具有波粒二象性具有波粒二象

4、性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述概率波的波函數(shù)或量子態(tài)概率波的波函數(shù)或量子態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)規(guī)律薛定諤方程薛定諤方程索末菲和布洛赫用量子理論對(duì)電阻的微觀機(jī)索末菲和布洛赫用量子理論對(duì)電阻的微觀機(jī)制進(jìn)行了全面解釋，獲得極大成功。制進(jìn)行了全面解釋，獲得極大成功。5.3.1 金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬導(dǎo)電機(jī)制關(guān)于電阻的經(jīng)典認(rèn)識(shí)及缺陷關(guān)于電阻的經(jīng)典認(rèn)識(shí)及缺陷特魯特特魯特 洛倫茲金屬電子論洛倫茲金屬電子論 不考慮電子與電子、電子與離子之間的相互作用不考慮電子與電子、電子與離子之間的相互作用 電子氣體服從麥克斯韋電子氣體服從麥克斯韋 玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律 平衡態(tài)下電子具有確定平均速度和平均自由程平衡態(tài)下電子

5、具有確定平均速度和平均自由程自由電子氣體模型自由電子氣體模型5.3.1 金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬導(dǎo)電機(jī)制經(jīng)典解釋及局限性經(jīng)典解釋及局限性電阻率的經(jīng)典表達(dá)式電阻率的經(jīng)典表達(dá)式32BN k 半定量解釋電阻與溫度的關(guān)系，無(wú)法定量解釋電半定量解釋電阻與溫度的關(guān)系，無(wú)法定量解釋電阻與溫度的線性關(guān)系阻與溫度的線性關(guān)系5.3.1 金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬導(dǎo)電機(jī)制經(jīng)典解釋及局限性經(jīng)典解釋及局限性按照經(jīng)典能量均分定理，按照經(jīng)典能量均分定理，N個(gè)電子的能量個(gè)電子的能量0 .0 1E x p e r im e n ta lVC la s s ic a lVCC經(jīng)典電子論的困難經(jīng)典電子論的困難 大多數(shù)金屬大多數(shù)金屬32BN kT對(duì)熱

6、容量的貢獻(xiàn)對(duì)熱容量的貢獻(xiàn)vlmnemneEj2 222或經(jīng)典解釋及局限性經(jīng)典解釋及局限性按照導(dǎo)電率按照導(dǎo)電率與與n成正比，由此可得出二價(jià)金成正比，由此可得出二價(jià)金屬的導(dǎo)電性應(yīng)比一價(jià)金屬好，但實(shí)際情況相反。屬的導(dǎo)電性應(yīng)比一價(jià)金屬好，但實(shí)際情況相反。電導(dǎo)率的經(jīng)典表達(dá)式電導(dǎo)率的經(jīng)典表達(dá)式vl/為電子的平均自由程為電子的平均自由程電子無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)的總平均速度電子無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)的總平均速度兩次碰撞的時(shí)間間隔兩次碰撞的時(shí)間間隔lv單位體積電子數(shù)單位體積電子數(shù)n5.3.1 金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬導(dǎo)電機(jī)制經(jīng)典解釋及局限性經(jīng)典解釋及局限性成功之處成功之處癥結(jié)所在癥結(jié)所在提出電子在整個(gè)金屬中運(yùn)動(dòng)，等于找到理解提出電子在整個(gè)金屬中

7、運(yùn)動(dòng)，等于找到理解金屬態(tài)的鑰匙。成功解釋金屬的導(dǎo)電熱性！金屬態(tài)的鑰匙。成功解釋金屬的導(dǎo)電熱性！晶格離子固定，無(wú)熱振動(dòng)。晶格離子固定，無(wú)熱振動(dòng)。自由電子純粒子性運(yùn)動(dòng)，無(wú)波動(dòng)性，服從經(jīng)自由電子純粒子性運(yùn)動(dòng)，無(wú)波動(dòng)性，服從經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。典的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。5.3.1 金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬導(dǎo)電機(jī)制關(guān)于電阻的量子論認(rèn)識(shí)關(guān)于電阻的量子論認(rèn)識(shí)量子論模型的建立量子論模型的建立 自由電子的費(fèi)米分布自由電子的費(fèi)米分布 自由電子能量的量子化，存在于分立的能級(jí)上。自由電子能量的量子化，存在于分立的能級(jí)上。1s1s能帶能帶T = 0K 時(shí)金屬中自由電子自低能級(jí)排起，直到時(shí)金屬中自由電子自低能級(jí)排起，直到全部?jī)r(jià)電子均占據(jù)了相應(yīng)的

8、能級(jí)為止。全部填滿電子全部?jī)r(jià)電子均占據(jù)了相應(yīng)的能級(jí)為止。全部填滿電子的能級(jí)與全空能級(jí)分開(kāi)的這個(gè)能級(jí)叫費(fèi)米能級(jí)。與該的能級(jí)與全空能級(jí)分開(kāi)的這個(gè)能級(jí)叫費(fèi)米能級(jí)。與該能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能量叫費(fèi)米能，用能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能量叫費(fèi)米能，用EF0表示。表示。 自由電子的費(fèi)米分布自由電子的費(fèi)米分布 金屬中的電子，按量子統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理，服從費(fèi)米金屬中的電子，按量子統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理，服從費(fèi)米狄拉克分布。狄拉克分布。 f 為費(fèi)米為費(fèi)米狄拉克分布函數(shù)，它表示在熱平衡時(shí)，狄拉克分布函數(shù)，它表示在熱平衡時(shí)，電子處于能量為電子處于能量為E的狀態(tài)的幾率；的狀態(tài)的幾率；EF為為TK時(shí)費(fèi)米能時(shí)費(fèi)米能；k為波耳茲曼常數(shù)。為波耳茲曼常數(shù)。 自由電子

9、的費(fèi)米分布自由電子的費(fèi)米分布 費(fèi)米費(fèi)米狄拉克分布函數(shù)狄拉克分布函數(shù) f 的性質(zhì)：的性質(zhì)：T = 0K ，若，若E EF ，f=0；若；若E 0K ，若，若E= EF ，f=0.5；若；若E EF ，f 0； 若若E EF ，f 0K時(shí)，晶格離子產(chǎn)生熱振動(dòng)，電子時(shí)，晶格離子產(chǎn)生熱振動(dòng)，電子的的 與晶格振動(dòng)振幅均方與晶格振動(dòng)振幅均方x2成正比，成正比， x2隨隨溫度線性增加，故高溫下，純金屬的電阻與溫溫度線性增加，故高溫下，純金屬的電阻與溫度成線性關(guān)系。度成線性關(guān)系。,/ 1 l 上面所討論的都是不含雜質(zhì)又無(wú)缺陷的上面所討論的都是不含雜質(zhì)又無(wú)缺陷的純金屬理想晶體。實(shí)際上金屬與合金中不但純金屬理想晶

10、體。實(shí)際上金屬與合金中不但含有雜質(zhì)和合金元素，而且還存在晶體缺陷。含有雜質(zhì)和合金元素，而且還存在晶體缺陷。傳導(dǎo)電子的散射發(fā)生在電子傳導(dǎo)電子的散射發(fā)生在電子聲子、電子聲子、電子雜質(zhì)原子以及與其他晶體點(diǎn)陣靜態(tài)缺陷碰撞雜質(zhì)原子以及與其他晶體點(diǎn)陣靜態(tài)缺陷碰撞的時(shí)候。在鐵磁體和反鐵磁體中還要發(fā)生磁的時(shí)候。在鐵磁體和反鐵磁體中還要發(fā)生磁振子的附加碰撞。振子的附加碰撞。馬基申定則馬基申定則5.3.1 金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬導(dǎo)電機(jī)制 理想金屬的電阻對(duì)應(yīng)著兩種散射機(jī)制理想金屬的電阻對(duì)應(yīng)著兩種散射機(jī)制(聲子聲子散射和電子散射散射和電子散射)，可以看成為基本電阻。這個(gè)，可以看成為基本電阻。這個(gè)電阻在絕對(duì)零度時(shí)降為零。電阻

11、在絕對(duì)零度時(shí)降為零。 第三種機(jī)制第三種機(jī)制(電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射)在有缺陷的晶體中可以觀察到，是絕對(duì)零度在有缺陷的晶體中可以觀察到，是絕對(duì)零度下金屬殘余電阻的實(shí)質(zhì)，這個(gè)電阻表示了金下金屬殘余電阻的實(shí)質(zhì)，這個(gè)電阻表示了金屬的純度和完整性。屬的純度和完整性。馬基申定則馬基申定則5.3.1 金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬導(dǎo)電機(jī)制 馬基申馬基申(Mathhissen)和沃格特和沃格特(Vogt)早期根據(jù)對(duì)金屬固溶體中溶質(zhì)原子的濃度較早期根據(jù)對(duì)金屬固溶體中溶質(zhì)原子的濃度較小，以致可以略去它們之間的相互影響，把小，以致可以略去它們之間的相互影響，把固溶體的電阻看成由金屬的基本電阻固溶體的電阻

12、看成由金屬的基本電阻 和和殘余電阻殘余電阻 組成。這實(shí)際上表明，在一級(jí)組成。這實(shí)際上表明，在一級(jí)近似下不同散射機(jī)制對(duì)電阻的貢獻(xiàn)可以加法近似下不同散射機(jī)制對(duì)電阻的貢獻(xiàn)可以加法求和。這求和。這導(dǎo)電規(guī)律稱為馬基申定則。導(dǎo)電規(guī)律稱為馬基申定則。殘) ( Tii殘馬基申定則馬基申定則5.3.1 金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬導(dǎo)電機(jī)制kk2.4300/ 為決定于化學(xué)缺陷和物理缺陷而與溫度為決定于化學(xué)缺陷和物理缺陷而與溫度無(wú)關(guān)的殘余電阻?；瘜W(xué)缺陷為偶然存在的雜無(wú)關(guān)的殘余電阻。化學(xué)缺陷為偶然存在的雜質(zhì)原子以及人工加人的合金元素原子。物理質(zhì)原子以及人工加人的合金元素原子。物理缺陷系空位、間隙原子、位錯(cuò)以及它們的復(fù)缺陷系空位、

13、間隙原子、位錯(cuò)以及它們的復(fù)合體。合體。) ( Tii殘殘式中式中 為與溫度有關(guān)的金屬基本電阻，即為與溫度有關(guān)的金屬基本電阻，即溶劑金屬溶劑金屬(純金屬純金屬)的電阻；的電阻；馬基申定則馬基申定則5.3.1 金屬導(dǎo)電機(jī)制金屬導(dǎo)電機(jī)制 從馬基申定則可以看出，在高溫時(shí)金屬的電阻基從馬基申定則可以看出，在高溫時(shí)金屬的電阻基本上決定于本上決定于 ，而在低溫時(shí)則決定于殘余電，而在低溫時(shí)則決定于殘余電阻阻 ，既然殘余電阻是電子在雜質(zhì)和缺陷上的，既然殘余電阻是電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射引起的，那末散射引起的，那末 的大小可以用來(lái)評(píng)定金屬的大小可以用來(lái)評(píng)定金屬的電學(xué)純度。與化學(xué)純度不同，電學(xué)純度考慮了的電學(xué)純度。與化學(xué)純度不同，電學(xué)純度考慮了點(diǎn)陣物理缺陷的影響?？紤]到殘余電阻測(cè)量上的點(diǎn)陣物理缺陷的影響?？紤]到殘余電阻測(cè)量上的麻煩，實(shí)際上往往采用相對(duì)電阻麻煩，實(shí)際上往往采用相對(duì)電阻 的大的大小評(píng)定金屬的電學(xué)純度。許多完整的金屬單晶得小評(píng)定金屬的電學(xué)純度。許多完整的金屬單晶得到的相對(duì)電阻高達(dá)到的相對(duì)電阻高達(dá)2xl04。殘) ( Tii殘) ( Tii殘l馬基申定則馬基申定則在超低溫下電子平均自由程長(zhǎng)度在超低溫下電子平均自由程長(zhǎng)度 同樣可以作為同樣可以作為金屬純度直觀的物理特性。晶體越純、越完善，金屬純度直觀的物理特性。晶體越純、越完善，自由程長(zhǎng)度越長(zhǎng)、相對(duì)電阻值也越大。反之，金自由程長(zhǎng)度越長(zhǎng)、相對(duì)電