第二章材料的導(dǎo)電性--內(nèi)含精選動(dòng)圖.

1、材料的導(dǎo)電性材料的導(dǎo)電性目目 錄錄1、材料的能帶結(jié)構(gòu)2、金屬中的電阻3、影響導(dǎo)電性的因素4、研究案例1-微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響5、研究案例2-能帶結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)為什么不同材料導(dǎo)電性能不同？為什么不同材料導(dǎo)電性能不同？1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)電阻率電阻率 導(dǎo)體：導(dǎo)體： 10-3cm 例如：例如：Cu10-6cm 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：10-2cm109cm Ge=0.2cm 絕緣體：絕緣體：109cm1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)不同的晶體有不同的導(dǎo)電性，這與晶體內(nèi)不同的晶體有不同的導(dǎo)電性，這與晶體內(nèi)的的電子在能帶中的填充和運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)電子在能帶

2、中的填充和運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)！原子殼層中的內(nèi)層允許帶總是被電子先占滿，然后再原子殼層中的內(nèi)層允許帶總是被電子先占滿，然后再占據(jù)能量更高的外面一層的允許帶。占據(jù)能量更高的外面一層的允許帶。晶體中的電子在能帶中各個(gè)能級(jí)的填充方式，服從晶體中的電子在能帶中各個(gè)能級(jí)的填充方式，服從費(fèi)費(fèi)密狄拉克分布密狄拉克分布、泡利不相容原理泡利不相容原理，還要服從，還要服從最小能最小能量原理量原理，電子從能量較低的能級(jí)依次到達(dá)較高的能級(jí)。，電子從能量較低的能級(jí)依次到達(dá)較高的能級(jí)。按充填電子的情況，能帶可以分成：按充填電子的情況，能帶可以分成：滿帶，價(jià)帶（導(dǎo)帶），空帶，禁帶滿帶，價(jià)帶（導(dǎo)帶），空帶，禁帶 1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、

3、材料的能帶結(jié)構(gòu) 滿帶滿帶：晶體中最低能帶的各個(gè)能級(jí)都被電子填滿，這：晶體中最低能帶的各個(gè)能級(jí)都被電子填滿，這樣的能帶稱為滿帶。樣的能帶稱為滿帶。當(dāng)滿帶中的電子從它原來占據(jù)當(dāng)滿帶中的電子從它原來占據(jù)的能級(jí)轉(zhuǎn)移到同一能帶中其它的能級(jí)轉(zhuǎn)移到同一能帶中其它能級(jí)時(shí)，因受泡利不相容原理能級(jí)時(shí)，因受泡利不相容原理的限制，必有另一個(gè)電子作相的限制，必有另一個(gè)電子作相反轉(zhuǎn)移，總效果與沒有電子轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)移，總效果與沒有電子轉(zhuǎn)移一樣移一樣 外電場(chǎng)不能改變外電場(chǎng)不能改變電子在滿帶中的分布，所以滿電子在滿帶中的分布，所以滿帶中的電子不能起導(dǎo)電作用！帶中的電子不能起導(dǎo)電作用！滿帶滿帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶導(dǎo)體導(dǎo)體1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的

4、能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶導(dǎo)帶：由價(jià)電子所占據(jù)的較高能帶一般沒有被電子完由價(jià)電子所占據(jù)的較高能帶一般沒有被電子完全填滿的能帶全填滿的能帶導(dǎo)帶中電子的轉(zhuǎn)移導(dǎo)帶中電子的轉(zhuǎn)移滿滿帶帶導(dǎo)導(dǎo)帶帶導(dǎo)導(dǎo)體體在外電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)帶中的電子可以進(jìn)入同一能帶在外電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)帶中的電子可以進(jìn)入同一能帶中未被填充的稍高的能級(jí)，這個(gè)轉(zhuǎn)移過程沒有反向的中未被填充的稍高的能級(jí)，這個(gè)轉(zhuǎn)移過程沒有反向的電子轉(zhuǎn)移與之抵消。所以導(dǎo)帶中的電子具有導(dǎo)電作用。電子轉(zhuǎn)移與之抵消。所以導(dǎo)帶中的電子具有導(dǎo)電作用。1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)空帶空帶：若一個(gè)能帶中所有的能級(jí)都沒有被電子填入，：若一個(gè)能帶中所有的能級(jí)都沒有被電子填入， 這樣的能帶稱為

5、空帶。這樣的能帶稱為空帶。與各原子的激發(fā)態(tài)能級(jí)相對(duì)應(yīng)與各原子的激發(fā)態(tài)能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶，在未被激發(fā)的正常情況的能帶，在未被激發(fā)的正常情況下就是空帶；下就是空帶；空帶中若有被激發(fā)的電子進(jìn)入，空帶中若有被激發(fā)的電子進(jìn)入，則空帶就變成了導(dǎo)帶。則空帶就變成了導(dǎo)帶。帶隙帶隙空帶空帶非導(dǎo)體非導(dǎo)體1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)禁帶禁帶：兩個(gè)相鄰能帶間的間隔：兩個(gè)相鄰能帶間的間隔禁帶中不存在電子的定態(tài)；禁帶中不存在電子的定態(tài)；禁帶的寬度對(duì)晶體的導(dǎo)電性起著禁帶的寬度對(duì)晶體的導(dǎo)電性起著重要的作用。重要的作用。帶隙帶隙空帶空帶非導(dǎo)體非導(dǎo)體1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)價(jià)帶價(jià)帶：由由價(jià)電子價(jià)電子能級(jí)分裂而形成的

6、能帶。能級(jí)分裂而形成的能帶。在在絕緣體絕緣體中，中，價(jià)價(jià)電子剛好填滿電子剛好填滿最低的一系列能帶，最上邊的最低的一系列能帶，最上邊的滿帶滿帶 價(jià)帶價(jià)帶帶隙帶隙空帶空帶絕緣體絕緣體價(jià)帶價(jià)帶通常情況下，價(jià)帶為能量最高的通常情況下，價(jià)帶為能量最高的 能帶；能帶；價(jià)帶可能被電子填滿，成為滿帶；價(jià)帶可能被電子填滿，成為滿帶；也可能未被電子填滿，形成不滿也可能未被電子填滿，形成不滿 帶或半滿帶。帶或半滿帶。1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)體導(dǎo)體：能帶結(jié)構(gòu)有兩種形式能帶結(jié)構(gòu)有兩種形式形式形式1：價(jià)帶中只填充了部分電子，在外加電場(chǎng)作用：價(jià)帶中只填充了部分電子，在外加電場(chǎng)作用下，這些電子很容易在該能帶中從低

7、能級(jí)躍遷到較下，這些電子很容易在該能帶中從低能級(jí)躍遷到較高能級(jí)高能級(jí) 從而形成電流從而形成電流導(dǎo)帶中電子的轉(zhuǎn)移導(dǎo)帶中電子的轉(zhuǎn)移1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)體導(dǎo)體：能帶結(jié)構(gòu)有兩種形式能帶結(jié)構(gòu)有兩種形式例如：例如：金屬金屬Li 電子排布電子排布1s22s1每個(gè)原子只有一個(gè)價(jià)電每個(gè)原子只有一個(gè)價(jià)電子，整個(gè)晶體中的價(jià)電子，整個(gè)晶體中的價(jià)電子只能添滿半個(gè)價(jià)帶子只能添滿半個(gè)價(jià)帶滿帶滿帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶未充滿價(jià)帶未充滿1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)體導(dǎo)體：能帶結(jié)構(gòu)有兩種形式能帶結(jié)構(gòu)有兩種形式形式形式2：二價(jià)元素：二價(jià)元素Bi , As , Mg，Zn （半金屬半金屬）金屬金屬M(fèi)g 電子排布電子排布

8、1s22s22p63s2價(jià)帶被電子填滿，成價(jià)帶被電子填滿，成為滿帶為滿帶晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，價(jià)帶與空晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，價(jià)帶與空帶發(fā)生交疊帶發(fā)生交疊 形成更形成更寬的能帶寬的能帶價(jià)帶價(jià)帶空帶空帶1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)絕緣體絕緣體具有充滿電子的滿帶和很寬具有充滿電子的滿帶和很寬的禁帶，禁帶寬的禁帶，禁帶寬Eg約約 36 eV；一般溫度下，滿帶中的電子在外電場(chǎng)一般溫度下，滿帶中的電子在外電場(chǎng)作用下很難激發(fā)（越過禁帶）到空帶作用下很難激發(fā)（越過禁帶）到空帶參與導(dǎo)電；參與導(dǎo)電；大多數(shù)離子晶體是絕緣體。大多數(shù)離子晶體是絕緣體。絕緣體絕緣體1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)躍遷躍遷：少數(shù)電子受光或熱的激發(fā)

9、從滿少數(shù)電子受光或熱的激發(fā)從滿帶的頂部躍遷到鄰近的空帶中。帶的頂部躍遷到鄰近的空帶中。原來的滿帶就會(huì)變成近滿帶。原來的滿帶就會(huì)變成近滿帶。空帶空帶變成變成未滿帶未滿帶。帶帶隙隙空空帶帶非非導(dǎo)導(dǎo)體體絕緣體絕緣體1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)類似半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)類似, , 但但是禁帶很窄（是禁帶很窄（ E g約約0.12 eV) )。半導(dǎo)體半導(dǎo)體（1）Si的能帶結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)Eg1、材料的能帶結(jié)構(gòu)、材料的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體半導(dǎo)體（2）Ge的能帶結(jié)構(gòu)2、金屬中的電阻、金屬中的電阻金屬純金屬、合金晶態(tài)、非晶態(tài)純金屬：易于從理論上探討其物性的共同規(guī)律。

10、合金或金屬間化合物：可從工程上突出其使用性能。金屬電學(xué)性能的研究對(duì)象金屬電學(xué)性能的研究對(duì)象2、金屬中的電阻、金屬中的電阻實(shí)際晶體總會(huì)有雜質(zhì)，存在缺陷。傳導(dǎo)電子在輸運(yùn)過程中的散射：電子電子(電子散射)電子聲子(聲子散射)電子與雜質(zhì)原子電子與晶體點(diǎn)陣靜態(tài)缺陷的相互作用基本電阻基本電阻0 K下為零理想金屬的電阻只與電子散射和聲子散射兩種機(jī)制有關(guān)。殘余電阻殘余電阻2、金屬中的電阻、金屬中的電阻聲子的本質(zhì)是晶格振動(dòng)。3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)石墨導(dǎo)電石墨導(dǎo)電金剛石不導(dǎo)電金剛石不導(dǎo)電003、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素材料因素材料因素He（密排六方）不導(dǎo)電（密排六方）不導(dǎo)

11、電Mg（密排六方）導(dǎo)電（密排六方）導(dǎo)電003、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素溫溫 度度溫度越高，晶格振動(dòng)越劇烈，對(duì)電子的散射加強(qiáng)。3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素溫溫 度度熱敏電阻熱敏電阻3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素溫溫 度度多晶型金屬電阻率與溫度的關(guān)系3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素溫溫 度度溫度以及固溶原子對(duì)導(dǎo)電性的影響3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素應(yīng)應(yīng) 力力10p10應(yīng)力系數(shù)n 拉力的影響n 壓力的影響在彈性范圍內(nèi)單向拉伸或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力能提高金屬電阻。對(duì)大多數(shù)金屬來說，在受壓力情況下電阻率降低。壓力系數(shù)原因：金屬在壓力作用下，其原子間距縮小，內(nèi)部缺陷形態(tài)、電

12、子結(jié)構(gòu)、費(fèi)米面和能帶結(jié)構(gòu)以及電子散射機(jī)制等都將發(fā)生變化。為負(fù)為正3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素應(yīng)應(yīng) 力力3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素應(yīng)應(yīng) 力力堿金屬堿土金屬稀土金屬3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素應(yīng)應(yīng) 力力應(yīng)力敏感材料的應(yīng)用3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素應(yīng)應(yīng) 力力3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素應(yīng)應(yīng) 力力3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素合金元素合金元素?zé)o序固溶體無序固溶體u 晶體點(diǎn)陣畸變；u 雜質(zhì)對(duì)理想晶體的局部破壞；u 合金化對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的影響；3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素合金元素合金元素利用合金元素與導(dǎo)電性的關(guān)系可以測(cè)定相圖3、影響導(dǎo)電性

13、的因素、影響導(dǎo)電性的因素合金元素合金元素長程有序長程有序的固溶體，晶體的離子勢(shì)場(chǎng)更為對(duì)稱，電子的散射降低，所以電阻減小。3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素合金元素合金元素3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素合金元素合金元素原子富集區(qū)的尺寸約為幾個(gè)納米，它與電子波的波長(2 nm)相當(dāng)，故能強(qiáng)烈地散射電子，所以電阻顯著升高。也可以將其理解為體積非常大的單個(gè)溶質(zhì)原子3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素晶體缺陷晶體缺陷n 晶體缺陷（空位、位錯(cuò)、間隙原子等）會(huì)使金屬 電阻率增加n 點(diǎn)缺陷引起的殘余電阻率變化遠(yuǎn)比線缺陷的影響大n 對(duì)多數(shù)金屬，當(dāng)形變量不大時(shí)，位錯(cuò)引起的電阻率 變化與位錯(cuò)密度變化之

14、間呈線性關(guān)系3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素冷加工冷加工n 冷加工變形使純金屬電阻率增加n 冷加工變形使一般固溶體電阻增加10-20 %，使 有序固溶體增加100 %甚至更高n 對(duì)Ni-Cu，Ni-Cu-Zn，F(xiàn)e-Cr-Al等合金，冷加工 變形則使電阻降低（因?yàn)槔浼庸た梢云茐钠劢Y(jié)構(gòu)）3、影響導(dǎo)電性的因素、影響導(dǎo)電性的因素?zé)崽幚頍崽幚砝浼庸ぷ冃卫浼庸ぷ冃蜦e的電阻在退火時(shí)的變化的電阻在退火時(shí)的變化退火溫度退火溫度/%/1RR 1形變量99.8 %2形變量97.8 %3形變量93.5 %4形變量80 %5形變量44 %4、研究案例、研究案例-微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影

15、響注意：是選擇性講解導(dǎo)電性能排前四名的元素，Al最便宜。4、研究案例、研究案例-微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響加入合金元素后，會(huì)降低材料的導(dǎo)電性能。但是，純Al的強(qiáng)度極低，臨界分切應(yīng)力僅為10MPa。4、研究案例、研究案例-微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響提高輸電效率的兩大途徑：提高電壓電壓越高輻射越強(qiáng)，會(huì)出現(xiàn)電暈及閃電現(xiàn)象，容易引發(fā)火災(zāi)。4、研究案例、研究案例-微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響提高輸電效率的兩大途徑：提高電流電流越高，輸電線產(chǎn)生的熱量就越大，從而輸電線路所承受的溫度就越高，在超過輸電線的正常使用溫度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)輸電線軟化，強(qiáng)度下降等現(xiàn)象。4、研究案例、研究案例-微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響4、研究案例、研究案例-微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響熔煉熱處理擠壓拉拔4、研究案例、研究案例-微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響增加Er增加Ce4、研究案例、研究案例-微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響增加Er 增加Ce增加Er和Ce，都有利于第二相的析出。4、研究案例、研究案例-微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的影響微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性