材料電學(xué)性能unit2-浙江大學(xué)材料物理性能筆記

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上2.1. 固體電子理論1.經(jīng)典自由電子學(xué)說自由電子在晶體中的行為如同氣體，故又稱電子氣體困難： 1）實測的電子對熱容的貢獻比經(jīng)典自由電子學(xué)說估計值小得多 2）實際測量的電子平均自由程比經(jīng)典理論估計值大許多 3）絕緣體、半導(dǎo)體、金屬導(dǎo)體導(dǎo)電性為何存在巨大差異2.量子自由電子學(xué)說電子的能量是不連續(xù)的，而是存在一準(zhǔn)連續(xù)的能級量子自由電子學(xué)說尚無法解釋為何絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的導(dǎo)電性能存在巨大差異量子自由電子學(xué)說的局限是忽略了周期勢場的影響態(tài)密度物理意義：單位能量范圍內(nèi)所能容納的電子數(shù)費米能表示0K時基態(tài)系統(tǒng)電子所占有的最高能級的能量, 可以認(rèn)為費米能不隨溫度變化3. 有了能

2、帶概念，就可以說明金屬和絕緣體的區(qū)別，并且由能帶理論預(yù)言了介于兩者之間的半導(dǎo)體的存在單電子近似:假定固體中的原子核不動，并設(shè)想每個電子是在固定的原子核的勢場中及其它電子的平均勢場中運動，這樣就把問題簡化成單電子問題，這種方法稱為單電子近似能帶論: 用單電子近似法處理晶體中電子能譜的理論緊束縛近似:如果用相反的思維過程，即先考慮電子完全被原子核束縛，然后再考慮近似束縛的電子，也可以得到能帶概念，這種方法稱為緊束縛近似原子基態(tài)價電子能級分裂而成的能帶稱為價帶，相應(yīng)于價帶以上的能帶（即第一激發(fā)態(tài)）稱為導(dǎo)帶金屬:熱能（T>0K）或電場所產(chǎn)生的能量足以將大量電子激發(fā)成為自由電子絕緣體與半導(dǎo)體:半導(dǎo)

3、體與絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)相同，差別僅在于禁帶的寬度價帶頂部并無空能級，要產(chǎn)生自由電子和電子空穴必須使電子跨越禁帶以進入導(dǎo)帶，所需能量較大。一般地，激發(fā)能量由熱或光提供，而非由電場提供非晶態(tài)： 擴展態(tài)：電子可在整個晶體中運動的電子態(tài) 定域化 定域態(tài)的能量被局限在一個范圍內(nèi) 遷移率邊：擴展態(tài)和定域態(tài)之間有一個能量的分界2.2. 材料電導(dǎo)性能電導(dǎo)率：=nze（v/E） n為單位體積電粒子數(shù)目=v/E 遷移率 （單位電場作用下帶電粒子漂移速度）=nze散射越弱，(松弛時間)越大，遷移率也就越高晶格散射：晶格振動引起的散射。溫度，晶格振動，晶格散射對于低摻雜半導(dǎo)體：隨T升高而大幅度下降電離雜質(zhì)散射：電離雜質(zhì)

4、產(chǎn)生的正負(fù)電中心對載流子的吸引或排斥作用產(chǎn)生的散射。溫度，載流子運動速度，所受吸引和排斥作用的影響，散射作用對于高摻雜：隨T升高變化小本征半導(dǎo)體：載流子只由半導(dǎo)體晶格本身提供，即電性由純物質(zhì)本身電子結(jié)構(gòu)決定本征電導(dǎo)：導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電和價帶中的空穴導(dǎo)電同時存在的電導(dǎo)現(xiàn)象特征：本征電導(dǎo)的載流子電子和空穴的濃度是相等的，載流子是由熱激發(fā)產(chǎn)生的，載流子濃度與溫度成指數(shù)關(guān)系n=Nexp-Eg/(2kT) N為等效狀態(tài)密度可見，對于本征半導(dǎo)體，載流子濃度隨禁帶寬度的增加而快速減小，隨溫度增大而快速增加“多余”的電子所處雜質(zhì)能級稱為施主能級,摻入施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體空穴所處雜質(zhì)能級稱為受主能級，摻

5、入受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度與溫度的關(guān)系也符合指數(shù)規(guī)律本征電導(dǎo)率：=0exp-Eg/(2kT)低溫時，本征項起主要作用高溫時，雜質(zhì)項起主要作用離子導(dǎo)電：離子電導(dǎo)的微觀機制為離子的擴散影響因素：1）溫度 2）晶體結(jié)構(gòu)：Tm/結(jié)構(gòu)緊密，晶體結(jié)合力，活化能，電導(dǎo)率3）晶格缺陷： 熱激活缺陷 不等價固溶缺陷 非化學(xué)計量比缺陷在含有堿金屬離子的玻璃中，基本上表現(xiàn)為離子電導(dǎo)雙堿效應(yīng)：是指當(dāng)玻璃中堿金屬離子總濃度較大時（占玻璃組成2530%），在堿金屬離子總濃度相同的情況下，含兩種堿金屬離子比含一種堿金屬離子的玻璃電導(dǎo)率要小。當(dāng)兩種堿金屬濃度比例適當(dāng)時，電導(dǎo)率可以降到很低壓堿效應(yīng)：

6、是指含堿玻璃中加入二價金屬氧化物，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導(dǎo)率降低。相應(yīng)的陽離子半徑越大，這種效應(yīng)越強電子波的散射是金屬中存在電阻的根本原因?qū)е律⑸湓颍壕Ц裾駝?，晶體缺陷在一定的低溫條件下材料突然失去電阻的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性 超導(dǎo)體兩特性 完全導(dǎo)電性 完全抗磁性 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc：低于Tc時，超導(dǎo)體便出現(xiàn)完全導(dǎo)電和邁斯納效應(yīng)等基本特三個性能指標(biāo) 臨界磁場Bc：磁場高于Bc，磁力線穿入超導(dǎo)體，超導(dǎo)體被破壞，成為正常態(tài) 臨界電流密度Jc：Jc為保持超導(dǎo)狀態(tài)的最大輸入電流，輸入電流密度JC所產(chǎn)生的磁場與外磁場之和超過BC，超導(dǎo)態(tài)遭到破壞 2.3.材料介電性能電介質(zhì)(或介電質(zhì))：電場作用下，能建

7、立極化的一切物質(zhì)（電絕緣物質(zhì)）電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象C=S/d r大小反映了電介質(zhì)極化的能力 為介電常數(shù)極化：介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(原子、分子、離子)正負(fù)電荷中心的分離，轉(zhuǎn)變成偶極子的現(xiàn)象極化的基本特征是介質(zhì)內(nèi)部感應(yīng)出電偶極矩，介質(zhì)表面出現(xiàn)宏觀束縛電荷 電子位移極化極化的種類有 離子位移極化 固有電偶極子轉(zhuǎn)向極化 D = E =E + P P= E =r-1為介電磁化率極化的基本形式可分為兩種：位移式極化：是一種彈性的、瞬時完成的極化，不消耗能量，電子位移極化、離子位移極化屬這種情況松弛式極化：極化與熱運動有關(guān)，完成這種極化需要一定的時間，而且是非彈性的，因而要消耗一定的能量

8、，電子松弛極化、離子松弛極化屬這種類型1)電子位移極化：在外電場作用下，原子或離子外圍的電子云相對于正電荷原子核發(fā)生位移形成的極化叫電子位移極化。一切電介質(zhì)中都存在，Tr 表現(xiàn)為負(fù)溫度系數(shù)2)離子位移極化：由離子構(gòu)成的電介質(zhì)，在電場作用下，正負(fù)離子發(fā)生相對位移，產(chǎn)生感應(yīng)電偶極矩，即為離子位移極化Tr，表現(xiàn)為正溫度系數(shù)3)材料中存在著弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛質(zhì)點時，熱運動使這些松弛質(zhì)點分布混亂而無電偶極矩，在電場作用下，質(zhì)點沿電場方向做不均勻分布而在一定的溫度下形成電偶極矩，使介質(zhì)發(fā)生極化。這種極化具有統(tǒng)計性質(zhì)，叫做熱松弛極化離子參加極化的幾率遠(yuǎn)大于參加電導(dǎo)的幾率離子松弛極化率比電子位移極

9、化率和離子位移極化率大一個數(shù)量級，因而導(dǎo)致較大的介電常數(shù)頻率很高時，離子松弛極化來不及建立，只存在電子和離子位移極化。因而介電常數(shù)隨頻率升高明顯下降 外加電場力圖使弱束縛電子的轉(zhuǎn)移運動具有方向性，這就形成了極化狀態(tài)。這種極化與熱運動有關(guān)，也是一個熱松弛過程，所以叫電子松弛極化。電子松弛極化的過程是不可逆的，必然有能量的損耗 弱束縛電子和自由電子也不同：不能自由運動，即不能遠(yuǎn)程遷移4)轉(zhuǎn)向極化主要發(fā)生在極性分子介質(zhì)中，具有恒定偶極矩p0的分子稱為極性分子當(dāng)極性分子受到外電場作用時，偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)向，趨于和外加電場方向一致，介質(zhì)整體出現(xiàn)宏觀偶極矩，這種極化現(xiàn)象稱為偶極子轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化一般需要較長時

10、間，介電常數(shù)具有負(fù)溫度系數(shù)5)在電場作用下，不均勻介質(zhì)內(nèi)部的正負(fù)間隙離子分別向負(fù)、正極移動，引起介質(zhì)內(nèi)各點離子密度變化，即出現(xiàn)電偶極矩，這種極化叫做空間電荷極化空間電荷極化隨溫度升高而下降?？臻g電荷的建立需要較長的時間6)自發(fā)極化：每個晶胞里存在固有電偶極矩的晶體稱為極性晶體電介質(zhì)損耗：Q越大，損耗越小 介質(zhì)損耗的微觀機理:1）電導(dǎo)（漏導(dǎo)）損耗 電場頻率w很小時，所有極化都能建立，最大2）極化損耗 w升高時，松弛極化減弱，會減弱 w很高時，趨于平衡 3）共振吸收損耗 當(dāng)電場強度超過某一臨界值時，介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱介電強度的破壞，或叫介質(zhì)的擊穿，相應(yīng)的臨界電場強度稱為介電強度

11、，或稱為擊穿電場強度 電擊穿：少數(shù)電導(dǎo)的電子在被加速，碰撞打出電子，或者說激發(fā)了價帶中的 擊穿類型 電子到導(dǎo)帶上去了。形成雪崩，產(chǎn)生電擊穿 熱擊穿 局部放電擊穿2.4.材料鐵電性能機械作用使某些電介質(zhì)晶體變形而發(fā)生極化，并導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷為壓電效應(yīng)溫度的變化也可使某些晶體產(chǎn)生極化，在其表面上產(chǎn)生數(shù)量相等符號相反的電荷為熱釋電效應(yīng)鐵電體：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化性質(zhì)，并且自發(fā)極化方向可隨外電場作可逆轉(zhuǎn)動的晶體鐵電性：鐵電體所具有的自發(fā)極化性質(zhì)鐵電晶體一定是極性晶體，但并非所有的極性晶體都具有這種自發(fā)極化可隨外電場轉(zhuǎn)動的性質(zhì)鐵電晶體可分為：有序無序型鐵電體和位移型鐵電體自

12、發(fā)極化包括兩部分：1）直接由離子位移而產(chǎn)生，約占總極化的392）由離子的電子云的形變而產(chǎn)生出現(xiàn)自發(fā)極化的必要條件是：晶體結(jié)構(gòu)不具有對稱中心不具有對稱中心的晶體并非都有自發(fā)極化效應(yīng)。如CaTiO3但在一個小區(qū)域內(nèi)，各晶胞的自發(fā)極化方向都相同，這個小區(qū)域稱為鐵電疇，兩疇之間的界壁稱為疇壁鐵電疇在外電場作用下，總是要趨向于與外電場方向一致，這形象地稱作電疇的“轉(zhuǎn)向”人工極化：鐵電疇在外電場作用下的“轉(zhuǎn)向”，使得鐵電材料具有宏觀極化強度的工藝過程剩余極化：當(dāng)外加電場撤去后，有小部分電疇偏離極化方向，恢復(fù)原位，大部分電疇則停留在新轉(zhuǎn)向的極化方向上，使材料仍具有宏觀剩余極化強度PS：飽和極化強度或自發(fā)極化強度； Pr：剩余極化強度； EC：矯頑電場強度還有一