電子與微電子材料導(dǎo)電材料

1、1第6章 電子(dinz)與微電子(dinz)材料概念： 電子材料是指與電子工業(yè)有關(guān)(yugun)的，在電子技術(shù)和微電子技術(shù)中使用的材料。包括： 導(dǎo)電金屬及其合金材料、介電材料、半導(dǎo)體材料、壓電與鐵電材料、磁性材料、光電子材料以及其他相關(guān)材料。地位： 是制作電子元器件及集成電路的物質(zhì)基礎(chǔ)。 材料、能源和信息技術(shù)是當(dāng)前國際公認(rèn)的新科技革命的三大支柱。1共一百一十三頁信息化社會(shhu)與IC22共一百一十三頁導(dǎo)電材料是電子元器件和集成電路中應(yīng)用最廣泛的一種材料，用來(yn li)制造傳輸電能的電線電纜，傳導(dǎo)電信息的導(dǎo)線、引線和布線。根據(jù)使用(shyng)目的不同，除了導(dǎo)電性外，有時(shí)還要求有足夠

2、的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨、彈性、耐高溫、抗氧化、耐蝕、耐電弧、高的熱導(dǎo)率等。IEC(國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn))規(guī)定，電阻率為1.7241cm的標(biāo)準(zhǔn)軟銅的電導(dǎo)率作為100，其他材料的電導(dǎo)率與之比較，以百分電導(dǎo)率表示。導(dǎo)電材料最主要的性質(zhì)是良好的導(dǎo)電性能。6.1 導(dǎo)電材料3共一百一十三頁材料material導(dǎo)體材料(conductor)超導(dǎo)材料(superconductivity)絕緣體材料(insulator)半導(dǎo)體材料(semiconductor)電導(dǎo)率無限大電導(dǎo)率106 s/m電導(dǎo)率10-7 104 s/m電導(dǎo)率 0.5D，金屬電阻率與溫度T成正比7共一百一十三頁金屬導(dǎo)電(dodin)材料的電氣性質(zhì)影響金

3、屬電阻率的因素雜質(zhì)(zzh)與缺陷：一般合金電阻率高于純金屬溫度壓力：最常用的三種金屬導(dǎo)電材料：銅、鋁、鐵，它們的主要用途是制造電線電纜。8共一百一十三頁影響(yngxing)導(dǎo)體電阻值的因素 雜質(zhì)、缺陷、溫度、應(yīng)力是影響導(dǎo)體電阻的主要(zhyo)原因。一般純金屬的電導(dǎo)率比其合金的高。合金的電導(dǎo)率由于合金的組成不同而各異，例如，在二元合金中由于成分相互溶解而生成固溶體。如果在純金屬中加入少量的其他金屬，則電導(dǎo)率將急劇下降。9共一百一十三頁常用(chn yn)的電線電纜材料純金屬(jnsh)：如銅、鋁、鐵等。電阻率?。河尚〉酱螅y（Ag）、銅(Cu)、金(Au)、鋁(Al)、納(Na)、鉬(Mo

4、)、 鎢(W)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、鉑(Pt)、錫(Sn)、鉛（Pb）等。合金：如銅合金，銀銅、鎘(ge,2)銅、鉻(ge,4)銅、鈹(pi,2)銅、鋯銅等；鋁合金，鋁鎂硅、鋁鎂、鋁鎂鐵、鋁鋯等。機(jī)械性能或耐腐蝕性好10共一百一十三頁導(dǎo)電(dodin)材料應(yīng)具備的性質(zhì)作為金屬導(dǎo)電(dodin)材料，用得最多的是銅，其次是鋁、鐵等。作為導(dǎo)電材料應(yīng)具備的條件：電導(dǎo)率大、易連接、較大的抗拉強(qiáng)度、易彎曲、容易加工成型、耐腐蝕、產(chǎn)量大、價(jià)格低等。但是，由于純金屬的抗拉強(qiáng)度都比較低，所以在對抗拉強(qiáng)度要求高的場合，應(yīng)采用熱處理的金屬或合金。11共一百一十三頁電線電纜材料(cilio)主要性能

5、電性能導(dǎo)電性能-大多數(shù)產(chǎn)品要求良好的導(dǎo)電性能，個(gè)別產(chǎn)品要求有一定的電阻范圍。 電絕緣性能-絕緣電阻、介電系數(shù)、介質(zhì)損耗、耐電特性等。傳輸特性-指高頻(o pn)傳輸特性、抗干擾特性等。機(jī)械性能熱性能耐腐蝕和耐氣候性老化性能12共一百一十三頁6.2 快離子(lz)導(dǎo)體（固體電解質(zhì)） (Fast Ion Conductor or Solid Electrolyte)快離子導(dǎo)體(dot)的發(fā)展歷史1914年，Tubandt和Lorenz發(fā)現(xiàn)銀的化合物在恰低于其熔點(diǎn)時(shí)，AgI的電導(dǎo)率要比熔融態(tài)的AgI的電導(dǎo)率高約20；1934年，Strock系統(tǒng)研究了AgI的高溫相有異乎尋常的離子導(dǎo)電性，并首次提出了

6、熔融晶格導(dǎo)電模型；20世紀(jì)60年代中期，發(fā)現(xiàn)了復(fù)合碘化銀和Na+離子為載流子的b-Al2O3快離子導(dǎo)體，其電導(dǎo)率可達(dá)到10-1Scm-1;20世紀(jì)70年代，美國福特汽車公司已把Na-b-Al2O3快離子導(dǎo)體制成Na-S電池，鋰快離子制成的電池用于計(jì)算機(jī)、電子表、心臟起搏器等。現(xiàn)在快離子導(dǎo)體制作的化學(xué)傳感器、電池等已廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)、生活各個(gè)方面。13共一百一十三頁到20世紀(jì)70年代中后期，逐漸形成一門新的學(xué)科分支 固體離子學(xué) 。同時(shí)(tngsh)召開了若干次國際會議，1980年創(chuàng)刊了專門的國際學(xué)術(shù)期刊 “Solid State Ionics” (固態(tài)離子學(xué))，國內(nèi)外出版了有關(guān)專著。 14共一百

7、一十三頁快離子導(dǎo)體和普通(ptng) Schottky 導(dǎo)體和Frenkel 離子導(dǎo)體一樣，電導(dǎo)率隨溫度的關(guān)系都服從Arrhenius 公式：s = A exp(-H/RT)普通晶體的活化能DH在12eV，快離子導(dǎo)體的活化能DH在0.5eV以下。上圖反映了這些導(dǎo)體電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系。Frenkel 導(dǎo)體Schottky導(dǎo)體各種離子導(dǎo)體電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系logs100/T(K-1)Fast Ion 導(dǎo)體b - AgIa-AgI15共一百一十三頁離子(lz)在晶體中的運(yùn)動特征，取決于晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵性質(zhì)。 快離子導(dǎo)體的晶格特點(diǎn)由不運(yùn)動的骨架離子占據(jù)特定的位置構(gòu)成剛性晶格，為遷移離子的運(yùn)動提供通道；

8、由遷移離子構(gòu)成亞晶格。亞晶格點(diǎn)陣之間具有近乎相等的能量和相對較低的激活能。具有數(shù)量遠(yuǎn)高于可移動離子數(shù)的大量(dling)空位，存在可供遷移離子占據(jù)的空位。在空位遷移的點(diǎn)陣間存在通道。快離子導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特征16共一百一十三頁固體結(jié)構(gòu)中存在大量(dling)的晶格缺陷； 即遷移離子附近應(yīng)存在可能被占據(jù)的空位，而空位數(shù)目應(yīng)遠(yuǎn)較遷移離子本身的數(shù)目為多。這種快離子導(dǎo)體的特征使離子的移動非常容易。存在亞晶格結(jié)構(gòu)； 固體有層狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)； 應(yīng)存在提供離子遷移所需的通道。即離子遷移所需克服的勢壘高度應(yīng)相當(dāng)小。 離子(lz)遷移變成快離子(lz)導(dǎo)體條件17共一百一十三頁一維傳導(dǎo)是指晶體結(jié)構(gòu)中的傳輸通道(tngd

9、o)都是同一指向，都出現(xiàn)在具有鏈狀結(jié)構(gòu)的化合物中；如四方鎢青銅。二維傳導(dǎo)是指離子在晶體結(jié)構(gòu)中的某一個(gè)面上遷移，都出現(xiàn)在層狀結(jié)構(gòu)的化合物中；如Na-b-Al2O3快離子導(dǎo)體。三維傳導(dǎo)是指在某些骨架結(jié)構(gòu)的化合物中，離子可以在三維方向上遷移，傳導(dǎo)性能基本上是各向同性。如Nasicon (Sodium superionic conductor,NaZr2P3O12)等。 離子(lz)傳導(dǎo)的通道類型快離子導(dǎo)體中存在大量可供離子遷移占據(jù)的空位置，這些空位置往往連接成網(wǎng)狀敞開通道，以供離子遷移。根據(jù)通道特點(diǎn)，可將快離子導(dǎo)體劃分為：18共一百一十三頁正離子載流子：銀離子導(dǎo)體(dot)、銅離子導(dǎo)體(dot)、鈉

10、離子導(dǎo)體(dot)、鋰離子導(dǎo)體(dot)以及氫離子導(dǎo)體(dot)；負(fù)離子載流子：氧離子導(dǎo)體和氟離子導(dǎo)體。 快離子導(dǎo)體(dot)的分類快離子導(dǎo)體中載流子主要是離子，其可移動離子數(shù)目高達(dá)1022/cm3，比普通離子晶體高一萬倍。根據(jù)載流子類型，可將快離子導(dǎo)體分為兩類：19共一百一十三頁正常固體熔化時(shí)，正負(fù)離子均轉(zhuǎn)化為無序狀態(tài)，其熔化熵接近于常數(shù)，并且有相當(dāng)大的電導(dǎo)值，例如堿金屬鹵化物熔化熵約為12 JK-1mol-1，電導(dǎo)值增大34個(gè)數(shù)量級?？祀x子導(dǎo)體的亞晶格熔化相變。1930年Strock研究AgI的導(dǎo)電性質(zhì)時(shí)，提出了“液態(tài)亞晶格”概念，認(rèn)為快離子導(dǎo)體有套亞晶格，傳導(dǎo)離子組成一套，非傳導(dǎo)離子組成

11、另一套。在一定相中，傳導(dǎo)相離子亞晶格呈液態(tài)，而非傳導(dǎo)相亞晶格呈剛性起骨架作用。這樣(zhyng)，非傳導(dǎo)相到傳導(dǎo)相的轉(zhuǎn)變，可以看作傳導(dǎo)相離子亞晶格的熔化或有序到無序的轉(zhuǎn)變。快離子導(dǎo)體往往是指某一材料的特定相。對碘化銀而言，它有a、b、g 三個(gè)相之多，但只有a相為(xin wi)快離子導(dǎo)體。某一組成材料，往往存在有由非傳導(dǎo)相到傳導(dǎo)相的轉(zhuǎn)變，快離子導(dǎo)體由非傳導(dǎo)相到傳導(dǎo)相轉(zhuǎn)變往往有如下特點(diǎn)：20共一百一十三頁例如(lr)： b-AgI 146 a-AgI 非傳導(dǎo)相 傳導(dǎo)相 I- 離子作立方密堆 I- 離子作體心立方堆積由于這類轉(zhuǎn)變只相應(yīng)固體中一半離子亞晶格的熔化，故相應(yīng)相變的熵值與熔化熵之和約為同類

12、非快離子導(dǎo)體熔化熵值的大小?；衔锕虘B(tài)相變熵JK-1 mol-1 (溫度 )固態(tài)熔化熵JK-1 mol-1 (溫度 )總熵值JK-1 mol-1快離子導(dǎo)體AgI14.5(419)11.3(830)25.8Ag2S9.3(452)12.6(1115)21.9CuBr9.0(664)12.6(761)21.6SrBr213.3(918)11.3(930)24.6經(jīng)典固體NaCl24MgF23521共一百一十三頁屬于 nA2O3-M2O一類非化學(xué)計(jì)量化合物，組成表達(dá)通式為：A3+ = Al3+,Ga3+,Fe3+ nA2O3M2O M+ = Na+,K+,Rb+,Ag+,Tl+,H3O+b-Al2O

13、3族鈉離子導(dǎo)體是其中最重要的快離子導(dǎo)體材料。1967年公布(gngb)了 Na+ b-Al2O3的導(dǎo)電性及其可能應(yīng)用后，各國進(jìn)行了大量研究。理論方面對其結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性、傳導(dǎo)機(jī)理進(jìn)行了深入的研究；應(yīng)用方面，發(fā)展了以鈉 b-Al2O3為隔膜材料的鈉硫電池。該電池具有能量密度高（150200Wh/kg）、壽命長、價(jià)格低、無污染等優(yōu)點(diǎn)，作為驅(qū)動能源等方面有著廣闊的前景；還應(yīng)用在金屬鈉提純、制造、工業(yè)鈉探測器以及一些固體離子器件等方面。b-Al2O3族鈉離子導(dǎo)體(dot)22共一百一十三頁1937年Beevers和Ross用 x射線衍射法測定了b-Al2O3和b-Al2O3的結(jié)構(gòu)：b-Al2O3 屬于六方

14、結(jié)構(gòu)，空間群為P63/mmc, a=559pm, c=2353pm;b-Al2O3屬于三方結(jié)構(gòu)，空間群為R3m, a=559pm, c=3395pm。b-Al2O3中，Al3+和O2-離子(lz)的排列與在尖晶石中的情形一樣，O2-離子做面心立方密堆排列，氧離子層為尖晶石結(jié)構(gòu)中的 111晶面，堆砌形成ABCA 4層，Al3+離子占據(jù)其中的八面體和四面體空隙，相當(dāng)于尖晶石中鋁和鎂的位置。由4層密堆氧離子層和鋁離子組成的結(jié)構(gòu)單元塊常稱作“尖晶石基塊”（Spinel block）。(1) 結(jié)構(gòu)(jigu)23共一百一十三頁尖晶石基塊ABCA，從第一層A位置的O2-離子到第四層A位置的O2-離子中心的

15、距離為660pm，層與晶胞中的c軸垂直。層間靠Al-O-Al鍵和Na連接成三維晶體，屬六方晶系，a=560.4pm, c=2253pm.兩基塊之間是由Na+和O2-離子構(gòu)成疏松堆積的鈉氧層，厚度為470 pm。鈉氧層中原子密度只有正常密堆層的1/2。因此鈉離子在鈉氧層里易于移動，鈉氧層是其傳導(dǎo)(chundo)面，b-Al2O3呈各向異性。每個(gè)晶胞有兩個(gè)尖晶石基塊和兩個(gè)鈉傳導(dǎo)層，傳導(dǎo)層是兩個(gè)基塊的對稱鏡面。 b-Al2O3 的單胞24共一百一十三頁b-Al2O3中有3種Na+離子的位置，如圖所示： BR位： 上下兩層氧三角形構(gòu)成(guchng)的氧三棱柱中心； aBR位：上下兩層尖晶石基塊上氧離

16、子間的位置； mo位： 鈉氧層內(nèi)兩個(gè)氧離子間位置。 這3種鈉離子占據(jù)的位置并不等價(jià)。在aBR位，上下兩個(gè)氧離子之間只有238pm，Na+離子通過此位置需要跨過較高的能壘。(2) 傳導(dǎo)(chundo)面結(jié)構(gòu)及電導(dǎo)機(jī)理25共一百一十三頁aBRBRBRmmmNa+離子在傳導(dǎo)面中由于可以占據(jù)許多位置，包括BR、aBR和mo位，如圖形成協(xié)同遷移路線，有很高的電導(dǎo)，但在垂直的方向則不易流動，所以b-Al2O3是一個(gè)二維導(dǎo)體。在鈉氧層中，BR、aBR和mo位連成六邊形的網(wǎng)，鈉離子進(jìn)行(jnxng)長程遷移時(shí)，必須經(jīng)過如下位置： mo aBR mo BR mo 導(dǎo)電活化能（0.16ev）表示從一個(gè)BR 位移到

17、下一BR位所需的能量。26共一百一十三頁（3）Li+快離子導(dǎo)體：隨著高能電池研究發(fā)展，以Li+導(dǎo)體隨著研究的進(jìn)展，以鋰離子導(dǎo)體作為隔膜材料(cilio)的室溫全固態(tài)鋰電池，由于壽命長、裝配方便、可以小型化等優(yōu)點(diǎn)引起人們的重視。鋰離子導(dǎo)體種類很多，按離子傳輸?shù)耐ǖ婪譃槿箢悺Ｒ痪S、二維、三維傳導(dǎo)三大類。27共一百一十三頁一維傳導(dǎo) 有-鋰霞石(-LiAlSiO4)和鎢青銅（LixNbxW1-xO3）結(jié)構(gòu)固溶體。鋰離子的遷移通道(tngdo)平行于c軸。二維傳導(dǎo) 有Li-A12O3 和Li3N及其它鋰的含氧酸鹽，鋰離子遷移一般發(fā)生(fshng)在層狀結(jié)構(gòu)中。Li-A12O3和Li3N晶體中，鋰離子在

18、垂直于c軸方向的a-b面上遷移。 28共一百一十三頁和一維導(dǎo)體相比，二維傳導(dǎo)的鋰離子導(dǎo)體的遷移途徑較多，電導(dǎo)率較高 ；由于Li-A12O3在制備、純化和去水方面存在技術(shù)困難，所以(suy)目前尚難應(yīng)用。雖然Li3N對鋰的穩(wěn)定性好，400電導(dǎo)率能達(dá)10-110-2S/cm，但分解電壓低 (25 ，為0.44V)，使其實(shí)際應(yīng)用受到限制。29共一百一十三頁三維傳導(dǎo)的鋰離子導(dǎo)體是骨架結(jié)構(gòu)，遷移(qiny)通道更多，由于傳導(dǎo)性更好，又是各向異性，因而引起更多興趣和更多的研究。 Li4Zn(GeO4)4是具有三維傳導(dǎo)性能最好的快離子導(dǎo)體。在300時(shí)電導(dǎo)率為0.125S/cm，并兼有燒成溫度低(1100-1

19、200)、制備方便等優(yōu)點(diǎn)。但它對熔融鋰不穩(wěn)定，對CO2和H2O很敏感，因此使應(yīng)用受到限制。30共一百一十三頁應(yīng)用：鋰離子固體電解質(zhì)電池，其中鋰碘電池由于具有高可靠性和長壽命特性可用作心臟起搏器。目前發(fā)達(dá)國家每年植入人體的心臟起搏器有20-30萬臺，其中90%以上是鋰碘電池。以聚合物離子導(dǎo)體為隔膜材料的鋰電池已商品化。Li+在Ta2O5（氧化鉭）離子導(dǎo)體膜上改性的電致變色材料，現(xiàn)在已經(jīng)用快離子導(dǎo)體材料涂在普通玻璃上制成電致變色智能(zh nn)玻璃, 其反射率和透射率能根據(jù)溫度、光強(qiáng)或熱點(diǎn)等自動調(diào)節(jié)。31共一百一十三頁（4）H+快離子導(dǎo)體： 氫離子導(dǎo)體又名質(zhì)子導(dǎo)體，由于它在能源及電化學(xué)器件等方面

20、有良好的應(yīng)用前景，引起人們的重視。 化學(xué)儲能是一種無污染的儲能方式。例如將水電解得到氫，再將氫作為燃料通過氫氧燃料電池發(fā)電，在此過程中氫和氧又化合成水。 在這個(gè)循環(huán)中，無論是水電解 ，還是(hi shi)氫氧燃料電池發(fā)電 ，都要?dú)潆x子導(dǎo)體或氧離子導(dǎo)體作為隔膜材料 。32共一百一十三頁負(fù)離子(lz)作為傳導(dǎo)離子(lz)的快離子(lz)導(dǎo)體有許多種，但傳導(dǎo)離子(lz)主要為O2-和F-離子。已研究的負(fù)離子快離子導(dǎo)體有以下類型：負(fù)離子(lz)快離子(lz)導(dǎo)體傳導(dǎo)離子結(jié)構(gòu)類型示 例O2- 離子螢石型鈣鈦礦型ZrO2基固溶體，ThO2基固溶體HfO2基固溶體，GeO2基固溶體Bi2O3基固溶體LaAl

21、O3基, CaTiO3基, SrTiO3基F- 離子螢石型氟鈰礦型CaF2基固溶體，PbF2基固溶體(CeF3)0.95(CaF2)0.0533共一百一十三頁螢石型結(jié)構(gòu)(jigu)的氧化鋯快離子導(dǎo)體正離子按面心立方(lfng)密堆結(jié)構(gòu)，每個(gè)單胞中有4個(gè)Ca2+離子，其可以形成4個(gè)O位和8個(gè)T位(其中4個(gè)T+位和4個(gè)T-位)。負(fù)離子占據(jù)全部T位，它們構(gòu)成簡單立方格子，正負(fù)離子配位數(shù)為8：4。也可以說，正離子位于立方排列的負(fù)離子立方體孔隙的中央，占據(jù)其中一半的位置。對氧化鋯(ZrO2)而言，Zr2+離子占據(jù)負(fù)離子2-排列的立方體體心位置。ZrO結(jié)構(gòu)特征34共一百一十三頁不同溫度下氧化鋯具有3種結(jié)構(gòu)

22、，從高溫液相冷卻(lngqu)到室溫的過程中，ZrO2將發(fā)生從：液相 立方ZrO2 (2715 oC) 四方ZrO2 (2370 oC) 單斜ZrO2 (1170 oC)的轉(zhuǎn)變。相變將產(chǎn)生明顯的體積變化，常常導(dǎo)致開裂。 因此，常在氧化鋯中摻入穩(wěn)定劑來改善其機(jī)械性能。這些穩(wěn)定劑主要是低價(jià)的堿土金屬氧化物(MO)或稀土金屬氧化物L(fēng)nIII2O3，為了保持電中性，就必然導(dǎo)致氧離子空位出現(xiàn)。例如：每摻雜1個(gè)二價(jià)金屬離子就會產(chǎn)生1個(gè)2-離子空位，其材料組成式可以表示為： Zr1-xMxO2-x(VO )x每摻雜1個(gè)三價(jià)稀土金屬離子就會產(chǎn)生1/2個(gè)O2-離子空位，其材料組成式可以表示為： Zr1-2x L

23、n2x Ox2- (VO )x35共一百一十三頁 組成(z chn) 負(fù)離子空位 1000電導(dǎo)（scm-1） Ea (ev)ZrO212mol% CaO 6.0 0.055 1.1ZrO2 9mol% Y2O3 4.1 0.12 0.8ZrO2mol% Y2O3 3.7 0.088 0.75ZrO210mol% Sc2O3 4.5 0.25 0.65摻雜后形成的氧化鋯基固溶體就比純氧化鋯中含有更多的空位，使得氧離子的遷移更加容易，也就改善(gishn)了材料的導(dǎo)電性。摻雜后形成室溫穩(wěn)定的螢石結(jié)構(gòu)的立方固溶體 (a=510pm)。立方固溶體相是最好的傳導(dǎo)相。離子電導(dǎo) 摻雜后空位增多，電導(dǎo)率明顯改

24、善。摻雜氧化鋯的電導(dǎo)情況如下表:36共一百一十三頁1. 電化學(xué)熱力學(xué)研究使用快離子導(dǎo)體構(gòu)成的原電池可以研究氧化還原反應(yīng)的熱力學(xué)。如圖，設(shè)計(jì)兩個(gè)由固體、液體或氣體構(gòu)成的電極區(qū)a1和a2，以快離子導(dǎo)體做隔膜。該原電池的emf由Nernst方程確定：電極反應(yīng)為： 正極 MM+e 負(fù)極 X+eX-根據(jù)(gnj)Nernst方程式有：E=E0M+/M+ RT/F ln(M+/M)E=E0 X/X- + RT/F ln(X/X-)對總反應(yīng) X+MX，就有： E=E2 - E1= (E0 X/X- -E0M+/M)+ RT/F(MX/M+X-）由G=-nEF，可求得該氧化還原反應(yīng)的自由能值?？祀x子(lz)

25、導(dǎo) 體a2a1emf快離子導(dǎo)體的應(yīng)用37共一百一十三頁采用快離子導(dǎo)體作電解質(zhì)，可以將氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)成原電池。如以Na-Al2O3快離子導(dǎo)體作為(zuwi)電解質(zhì)，熔融硫和金屬鈉作電極，可制作用于高放電電流密度的Na-S高能蓄電池。2. 化學(xué)電池S 陰極(ynj)Al2O3電解質(zhì)不銹鋼 外殼鈉硫電池x決定電池的充電水平。在放電階段，x=5，即放電反應(yīng)如下：2Na+5SNa2S5開路電壓為2.08v。放電時(shí)，x3，電壓為1.8v。該電池理論容量為750whkg-1，實(shí)際可達(dá)到100200whkg-1。電池的結(jié)構(gòu)式：Na | Na+ Al2O3| Na2Sx S C電池反應(yīng)：2Na+xS=Na2S

26、xNa陽極38共一百一十三頁3. Na離子(lz)傳感探頭 AlSi熔體(rn t)Al2O3 Al2O3 V4. 氧傳感器 (氧濃差電池）空氣O2(c)被檢測氣體O2 (a)5. 燃料電池6. 高溫發(fā)熱體 （ZrO2）39共一百一十三頁快離子導(dǎo)體陶瓷(toc)的制備方法(fngf)1.固相燒結(jié)法6.激光溶膠法2.溶膠-凝膠法3.化學(xué)氣相沉積法5.水熱法4.射頻濺射沉積法7.高能球磨法40共一百一十三頁6.3 聚合物導(dǎo)電(dodin)材料高分子材料一般(ybn)作為絕緣材料使用 如電線的絕緣層等。如果高分子材料能象金屬一樣導(dǎo)電，我們生活將會發(fā)生什么變化呢？ （1） 用高分子材料代替金屬電線：

27、質(zhì)量輕，價(jià)格便宜，資源廣泛。（2）可以解決生活中的很多靜電吸塵問題（3）電磁波屏蔽.41共一百一十三頁 傳統(tǒng)的高分子是以共價(jià)鍵相連的一些大分子，組成大分子的各個(gè)化學(xué)鍵是很穩(wěn)定的，形成化學(xué)鍵的電子不能移動，分子中無很活潑(hu po)的孤對電子或很活潑的成鍵電子，為電中性，所以高分子一直視為絕緣材料。為什么高分子材料(cilio)一般是絕緣的？42共一百一十三頁高分子材料(cilio)有可能導(dǎo)電嗎？108107 S/m103102 S/mTi(OC4H9)4Al(C2H5)3HCCH溫度 1974年日本筑波大學(xué)H.Shirakawa在合成聚乙炔的實(shí)驗(yàn)中，偶然地投入過量1000倍的催化劑，合成出令

28、人興奮的有銅色的順式聚乙炔薄膜與銀白色光澤的反式聚乙炔。有機(jī)(yuj)高分子不能作為導(dǎo)電材料的概念被徹底改變。43共一百一十三頁世紀(jì)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電(dodin)高分子材料 G. MacDiarmid H.Shirakawa J.Heeger 艾倫馬克迪爾米德 白川英樹 艾倫黑格44共一百一十三頁其他導(dǎo)電(dodin)高分子材料 聚噻吩(sifn) 聚苯胺 聚對苯撐乙炔 聚吡咯 由于分子中雙鍵的電子的非定域性，這類聚合物大都表現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性。 以及聚對苯（PPP）、聚咔唑（PCB）、聚喹林（PQ）、聚硫萘（PTIN） 45共一百一十三頁電子導(dǎo)電(dodin)聚合物特征 有機(jī)聚合物成為導(dǎo)體的必要條件(

29、b yo tio jin)：有能使其內(nèi)部某些電子或空穴具有跨鍵離域移動能力的大共軌結(jié)構(gòu)。 電子導(dǎo)電型聚合物的共同結(jié)構(gòu)特征：分子內(nèi)具有大的共扼電子體系，具有跨鍵移動能力的價(jià)電子成為這一類導(dǎo)電聚合物的唯一載流子。 已知的電子導(dǎo)電聚合物，除早期發(fā)現(xiàn)的聚乙炔，多為芳香單環(huán)、多環(huán)、以及雜環(huán)的共聚或均聚物 。根據(jù)載流子的不同，導(dǎo)電高分子的導(dǎo)電機(jī)理可分為三種：電子導(dǎo)電、離子導(dǎo)電和氧化還原導(dǎo)電三種：46共一百一十三頁 純凈的，或未予“摻雜”的電子導(dǎo)電聚合物分子中各鍵分子軌道之間還存在著一定的能級差。而在電場力作用下，電子在聚合物內(nèi)部遷移必須跨越這一能級差，這一能級差的存在造成價(jià)電子還不能在共軛聚合中完全自由跨

30、鍵移動(ydng)。因而其導(dǎo)電能力受到影響，導(dǎo)電率不高。屬于半導(dǎo)體范圍。 47共一百一十三頁 圖中碳原子右上角的符號表示(biosh)未參與形成鍵的p電子。上述聚乙炔結(jié)構(gòu)可以看成內(nèi)多享有一個(gè)木成對電子的CH自由基組成的長鏈，當(dāng)所有碳原子處在一個(gè)平面內(nèi)時(shí)，其末成村電子云在空間取向?yàn)橄嗷テ叫胁⑾嗷ブ丿B構(gòu)成共短鍵。根據(jù)固態(tài)物理理論，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)是一個(gè)理想的一維金屬結(jié)構(gòu) 電子應(yīng)能在一維方向上自由移動，這是聚合物導(dǎo)電的理論基礎(chǔ)。 由分子電子(dinz)結(jié)構(gòu)分析，聚乙炔結(jié)構(gòu)可以寫成以下形式。48共一百一十三頁 如上圖所示，兩個(gè)能帶在能量上存在著個(gè)差值，而導(dǎo)電狀態(tài)下P電子離域運(yùn)動必須越過這個(gè)能級差。這就是(j

31、ish)我們在線性共扼體系中碰到的阻礙電子運(yùn)動，因而影響其電導(dǎo)率的基本因素 如果考慮到每個(gè)CH自由基結(jié)構(gòu)單元p電子軌道中只有一個(gè)(y )電子，而根據(jù)分子軌道理論，一個(gè)分子軌道中只有填充兩個(gè)自旋方向相反的電子才能處于穩(wěn)定態(tài)。每個(gè)P電子占據(jù)個(gè)軌道構(gòu)成上圖所述線性共軛電子體系應(yīng)是一個(gè)半充滿能帶，是非穩(wěn)定態(tài)。它趨向于組成雙原子對使電子成對占據(jù)其中一個(gè)分子軌道，而另一個(gè)成為空軌道。出于空軌道和占有軌道的能級不同使原有p原子形成的能帶分裂成兩個(gè)亞帶，一個(gè)為全充滿能帶，構(gòu)成價(jià)帶，另一個(gè)為空帶，構(gòu)成導(dǎo)帶。 49共一百一十三頁 現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析和測試結(jié)果證明，線性共軛聚合物中相鄰的兩個(gè)鍵的鍵長和鍵能是有差別的。這一

32、結(jié)果間接證明了在此體系中存在著能帶分裂。Peierls理論不僅解釋了線性共扼型聚合物的導(dǎo)電現(xiàn)象和導(dǎo)電能力，也提示我們?nèi)绾螌ふ?、提?t go)導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電能力的方法。 電子的相對遷移是導(dǎo)電的基礎(chǔ)。電子如若要在共扼電子體系中自由移動、首先(shuxin)要克服滿帶與空帶之間的能級差，因?yàn)闈M帶與空帶在分子結(jié)構(gòu)中是互相間隔的。這一能級差的大小決定了共軛型聚合物的導(dǎo)電能力的高低。正是由丁這一能級差的存在決定了我們得到的不是一個(gè)良導(dǎo)體，而是半導(dǎo)體。 由此可見，減少能帶分裂造成的能級差是提高共軛型導(dǎo)電聚合物電導(dǎo)率的主要途徑。50共一百一十三頁電子(dinz)導(dǎo)電聚合物的摻雜摻雜的作用：在聚合物的空軌道中

33、加入電子，或從占有軌道中拉出電子，進(jìn)而改變現(xiàn)有 電子能代的能級，出現(xiàn)能量居中的半充滿(chngmn)能帶，減小能帶間的能量差，使得自由電子或空穴移動的阻礙力減小因而導(dǎo)電能力大大提高。1）物理化學(xué)摻雜： n-摻雜：給電子的物質(zhì)（如Na）， 又稱還原摻雜 p-摻雜；接受電子的物質(zhì)（如I2）， 又稱氧化摻雜2）電化學(xué)摻雜： 氧化反應(yīng)：摻雜ClO4-等陰離子 還原反應(yīng)；摻雜NR4+等陽離子3）質(zhì)子酸摻雜：質(zhì)子化反應(yīng)4）其他物理摻雜：光等激發(fā)摻雜方法51共一百一十三頁電子導(dǎo)電(dodin)聚合物電導(dǎo)率影響因素1） 摻雜(chn z)過程、摻雜(chn z)劑及摻雜(chn z)量52共一百一十三頁 金屬

34、材料的電導(dǎo)溫度系數(shù)是負(fù)值，即溫度越高，電導(dǎo)率越低。 電子導(dǎo)電聚合物的溫度系數(shù)是正的；即隨著溫度的升高電阻(dinz)減小、電導(dǎo)率增加2） 溫度：電在導(dǎo)電(dodin)聚合物的電導(dǎo)率隨著溫度的變化而變化： 式中sat、To和分別為常數(shù)，具體數(shù)值取決于材樹本身的性質(zhì)和摻雜的程度，取值一般在o.250.5之間。53共一百一十三頁 隨著共扼鏈長度的增加，電子波函數(shù)的這種趨勢越明顯，從而有利于自由電子沿著分子共軛鏈移動，導(dǎo)致聚合物的電導(dǎo)率增加。從圖中可以看出，線性共軛導(dǎo)電聚合物的電導(dǎo)率隨著其共軛鏈長度的增加而呈指數(shù)快速增加。因此，提高(t go)共軛鏈的長度是提高(t go)聚合物導(dǎo)電性能的重要手段之一

35、這一結(jié)論對所有類型的電子導(dǎo)電聚合物都適用。 3） 分子中共軛鏈長度： 電在導(dǎo)電聚合物的電導(dǎo)率隨著(su zhe)溫度的變化而變化：54共一百一十三頁離子(lz)導(dǎo)電高分子材料載流子：正、負(fù)離子載流子正、負(fù)離子的體積比電子大的多，使其不能在固體的晶格間相對移動。構(gòu)成導(dǎo)電必須的兩個(gè)條件(tiojin)： 1） 具有獨(dú)立存在的正、負(fù)離子，而不是離子對 2） 離子可以自由移動55共一百一十三頁影響離子導(dǎo)電聚合物的導(dǎo)電能力(nngl)的因素聚合物其他(qt)因素：聚合物溶劑化能力：聚合物玻璃化溫度：56共一百一十三頁改進(jìn)(gijn)離子導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電性能的措施1）共聚：降低(jingd)Tg和結(jié)晶性能2

36、）交聯(lián)： 降低材料的結(jié)晶性3）共混： 提高導(dǎo)電性能4）增塑： 降低Tg和結(jié)晶度57共一百一十三頁氧化(ynghu)還原型導(dǎo)電聚合物氧化(ynghu)還原型導(dǎo)電聚合物的導(dǎo)電機(jī)理58共一百一十三頁金屬導(dǎo)電(dodin)： 自由電子電子型導(dǎo)電聚合物：含有共軛鍵，載流子為電子（空穴）或孤子。離子型導(dǎo)電聚合物：載流子為正負(fù)離子。氧化還原型導(dǎo)電聚合物：可逆氧化還原反應(yīng) 但總的來說，結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的實(shí)際應(yīng)用尚不普遍，關(guān)鍵(gunjin)的技術(shù)問題在于大多數(shù)結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子在空氣中不穩(wěn)定，導(dǎo)電性隨時(shí)間明顯衰減。此外，導(dǎo)電高分子的加工性往往不夠好，也限制了它們的應(yīng)用。59共一百一十三頁本征型導(dǎo)電高分子材料的合

37、成(hchng)方法本征型導(dǎo)電高分子材料的合成方法主要有電化學(xué)聚合(jh)法和化學(xué)聚合(jh)法兩種：1. 化學(xué)聚合法 聚苯（撐）的化學(xué)聚合法（Kovacic)60共一百一十三頁缺點(diǎn)：只適宜(shy)于合成小批量的生產(chǎn)2. 電化學(xué)聚合(jh)法聚苯（撐）優(yōu)點(diǎn)：純度高，反應(yīng)條件簡單且容易控制61共一百一十三頁其他合成(hchng)方法：3. 乳液聚合法4. 微乳液聚合法62共一百一十三頁高分子材料絕緣是因?yàn)槠浞肿咏Y(jié)構(gòu)中共價(jià)鍵限制了電子(dinz)的移動，解決高分子材料導(dǎo)電性能的關(guān)鍵問題是產(chǎn)生電流的載流子問題。 還有其他(qt)辦法使高分子材料導(dǎo)電嗎？ 如果能設(shè)法在聚合物中引入足夠數(shù)量的載流子，就

38、可以使絕緣的聚合物變成半導(dǎo)體或?qū)w。是這樣子的嗎？ 那么如果將導(dǎo)電的粒子填充到絕緣的聚合物中，讓導(dǎo)電粒子來充擔(dān)載流子，所得復(fù)合材料可否也能導(dǎo)電呢？ 63共一百一十三頁 何為(h wi)導(dǎo)電高分子復(fù)合材料？ 以結(jié)構(gòu)型高分子從材料(cilio)為基體（連續(xù)相），與各種導(dǎo)電性物質(zhì)（如碳系、金屬、金屬氧化物、結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子等），通過分散復(fù)合、層積復(fù)合、表面復(fù)合或梯度復(fù)合等方法構(gòu)成的具有導(dǎo)電能力的材料(cilio)。其中又以分散復(fù)合方法最為常用。 導(dǎo)電填料在復(fù)合型導(dǎo)電高分子中起提供載流子的作用，它的形態(tài)、性質(zhì)和用量直接決定材料的導(dǎo)電性。64共一百一十三頁導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料的導(dǎo)電(dodi

39、n)機(jī)理導(dǎo)電(dodin)填料 聚合物基體 65共一百一十三頁導(dǎo)電復(fù)合材料(f h ci lio)的導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電(dodin)復(fù)合材料的逾滲現(xiàn)象逾滲區(qū)間66共一百一十三頁導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料的基本概念高分子基體(j t)材料導(dǎo)電填充材料導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的組成其他助劑67共一百一十三頁影響導(dǎo)電性能的主要(zhyo)因素導(dǎo)電填料(tinlio)的性質(zhì)制備工藝導(dǎo)電填料的用量導(dǎo)電填料的形狀68共一百一十三頁導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料的應(yīng)用1. 抗靜電 抗靜電的必要性：電絕緣的聚合物，在許多應(yīng)用環(huán)境中產(chǎn)生靜電作用，如塑料梳子產(chǎn)生頭發(fā)豎立，合成纖維制成的衣服產(chǎn)生放電，吸塵器外殼吸附大量

40、(dling)灰塵，電視屏幕吸附灰塵，電視何收音機(jī)干擾，有些場合靜電泄漏甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重火災(zāi)或爆炸事故。 抗靜電方法：將產(chǎn)生的靜電適時(shí)導(dǎo)走，避免靜電積累69共一百一十三頁導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料的應(yīng)用近幾年,鉛錫焊料是印刷線路板和表面組裝技術(shù)中的連接材料,其中含鉛在40%左右。鉛既危害人體健康(jinkng),也污染環(huán)境。對電子產(chǎn)品及制造過程中所使用的有毒重金屬如鉛等,美國1992年開始禁用,日本規(guī)定2001年限制使用鉛;歐洲也明確規(guī)定2004年停止使用。歐盟對禁鉛政策的積極運(yùn)作,全球所有電子產(chǎn)業(yè)可望于2008 年徹底執(zhí)行無鉛電子產(chǎn)業(yè)。2. 導(dǎo)電膠70共一百一十三頁導(dǎo)電(dodin)高分

41、子復(fù)合材料的應(yīng)用 導(dǎo)電型膠粘劑,簡稱導(dǎo)電膠,是一種既能有效地膠接各種材料,又具有導(dǎo)電性能的膠粘劑。導(dǎo)電膠作為一種新型(xnxng)的復(fù)合材料其應(yīng)用日益受到人們的重視,有著廣闊的市場前景和發(fā)展?jié)摿Α?導(dǎo)電填料可以很大的提高線分辨率,更能順應(yīng)高的I/O密度;此外它還有固化溫度低、簡化組裝工藝等優(yōu)點(diǎn),因此發(fā)展迅速。 現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電話和移動通訊系統(tǒng),廣播、電視、計(jì)算機(jī)行業(yè),汽車工業(yè);醫(yī)用設(shè)備,解決電磁兼容( EMC) 等方向。71共一百一十三頁 導(dǎo)電高分子復(fù)合材料(f h ci lio)的應(yīng)用2. 導(dǎo)電膠72共一百一十三頁 隱身技術(shù)是當(dāng)今軍事科學(xué)的重要技術(shù)之一，是國家軍事實(shí)力的重要標(biāo)志。 隱身材料是

42、指能夠減少軍事目標(biāo)的雷達(dá)特征、紅外特征、光電特征及目視特征的材料的系統(tǒng)。 自從(zcng)導(dǎo)電聚合物一出現(xiàn)，導(dǎo)電聚合物作為新型的有機(jī)和聚合物雷達(dá)波吸收材料稱為導(dǎo)電聚合物領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和導(dǎo)電聚合物實(shí)用化的突破點(diǎn)。 導(dǎo)電高聚物是巡洋導(dǎo)彈可控頭罩的首選隱身材料 3. 軍事(jnsh)隱身材料 導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的應(yīng)用73共一百一十三頁 導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料的應(yīng)用雷達(dá)(lid)隱身技術(shù)雷達(dá)吸波材料3. 軍事隱身（隱形）材料紅外隱身技術(shù)紅外隱身材料74共一百一十三頁 導(dǎo)電高分子復(fù)合材料(f h ci lio)的應(yīng)用電磁屏蔽材料 導(dǎo)電高分子材料具有同樣電磁屏蔽性能，且重量輕、韌性好、易加工、電

43、導(dǎo)率易于調(diào)節(jié)、成本低、易大面積涂敷、施工方便。因此，它是一種非常理想的替代傳統(tǒng)金屬的新型電磁屏蔽材料，可應(yīng)用在計(jì)算機(jī)房、手機(jī)(shu j)、電視機(jī)、電腦和心臟起搏器等電子電器元件上。 4. 其他應(yīng)用75共一百一十三頁 PTC型導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料PTC型導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料的基本概念 所謂PTC效應(yīng)（positive temperature coefficient),即正溫度系數(shù)效應(yīng)，指材料的電阻率隨著溫度的升高而增大的現(xiàn)象。76共一百一十三頁 PTC型導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料復(fù)合材料的電阻隨著溫度(wnd)的升高而增大,具有明顯的突變現(xiàn)象 PTC導(dǎo)電復(fù)合材料功

44、能原理77共一百一十三頁 PTC型導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料聚合物基體(j t)性質(zhì)填料組成及含量制備工藝影響PTC性能的主要因素78共一百一十三頁 PTC型導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料電阻率及PTC強(qiáng)度與填料含量(hnling)關(guān)系影響PTC性能的主要因素79共一百一十三頁 PTC型導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料1. 自控溫加熱(ji r)系統(tǒng) 自控溫加熱電纜線在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用 2. 加熱元件在其它領(lǐng)域的作用PTC復(fù)合材料的應(yīng)用 3. 電路保護(hù)元件 在通信電路中的應(yīng)用在節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器中的應(yīng)用微電機(jī)自保 4. 其他方面的應(yīng)用80共一百一十三頁 氣敏導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合

45、材料氣敏導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料的基本概念 當(dāng)復(fù)合材料吸收有機(jī)溶劑蒸氣時(shí)，復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇的變化，從而推動填料偏移平衡位置，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)被破壞，復(fù)合材料的電阻急劇上升幾個(gè)數(shù)量級。當(dāng)復(fù)合材料重新置于空氣中時(shí)，吸收的蒸氣發(fā)生脫附，復(fù)合材料的電阻迅速恢復(fù)初始值，具有這種氣敏開關(guān)特性的導(dǎo)電高分子復(fù)合材料被成為氣敏導(dǎo)電高分子復(fù)合材料。它集合了靈活性，性質(zhì)多樣性，高度氣敏性，優(yōu)良的重復(fù)可逆性于一體，現(xiàn)階段已成為聚合物氣敏材料的研究熱點(diǎn) 81共一百一十三頁 氣敏導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料導(dǎo)電復(fù)合材料(f h ci lio)在有機(jī)溶劑中電阻發(fā)生非線性的突變現(xiàn)象氣敏導(dǎo)電復(fù)合材料功能原理82共

46、一百一十三頁 氣敏導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料1. 響應(yīng)速度快，在30秒內(nèi)可以達(dá)到(d do)最大電阻值，脫附時(shí)，40秒內(nèi)電阻可以下降到最大值的1以下。2. 重復(fù)性和穩(wěn)定性好。在低蒸氣壓下，復(fù)合材料的氣敏響應(yīng)度與蒸氣壓成線性關(guān)系可定量的用于檢測有機(jī)蒸氣的濃度83共一百一十三頁 氣敏導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料氣敏導(dǎo)電(dodin)高分子復(fù)合材料傳感器,傳感器陣列或“電子鼻”設(shè)計(jì)制備工藝簡單,響應(yīng)靈敏,常溫操作,能耗低，易加工,經(jīng)濟(jì)氣敏導(dǎo)電復(fù)合材料的應(yīng)用84共一百一十三頁導(dǎo)電高分子復(fù)合材料(f h ci lio)的小結(jié) 優(yōu)越性：質(zhì)輕（密度(md)小）、易成型加工、導(dǎo)電性和制品可一次完成、

47、電阻率調(diào)節(jié)范圍廣、成本低、結(jié)構(gòu)易調(diào)節(jié).挑戰(zhàn)：穩(wěn)定性有待于提高，新應(yīng)用領(lǐng)域 還需要不斷去發(fā)現(xiàn)和開發(fā)。85共一百一十三頁3 薄膜電阻(dinz)材料2 線繞電阻(dinz)材料1 電阻材料慨述4 厚膜電阻材料6.1.4 電阻材料86共一百一十三頁電阻(dinz)材料是指常用的電阻器、片式電阻器、混合集成電路中的薄膜和厚膜電阻器、可變電阻器和電位器等所用(su yn)的電阻體材料。主要包括線繞電阻材料、薄膜電阻材料和厚膜電阻材料。 電阻器是二個(gè)引出線其阻值固定不變。電位器是三個(gè)引出線中間線頭為內(nèi)部滑動觸點(diǎn)轉(zhuǎn)軸時(shí)中間線頭與兩端線頭阻值變化，其轉(zhuǎn)角與阻值變化特性分：線性（X），指數(shù)（Z），對數(shù)（D），無

48、軸者稱可調(diào)電阻。 87共一百一十三頁電阻(dinz)材料慨述1 電阻、電阻器和電阻單位 電阻是材料在一定程度上阻礙電流流通，并將電能轉(zhuǎn)變成熱能的一種(y zhn)物理性質(zhì)。對于某導(dǎo)體，如果在導(dǎo)體兩端加上的電壓為U、流過的電流為I，則其導(dǎo)體的電阻R可用下式表示： R=U/I88共一百一十三頁將電阻材料做成具有(jyu)一定形狀、結(jié)構(gòu)的實(shí)體元件、常稱它為電阻器或電阻元件。電阻器在電子設(shè)備中主要功能是調(diào)節(jié)和分配電能。在電路中常(zhngchng)作分壓、調(diào)壓、分流、消耗電能的負(fù)載以及濾波元件等。89共一百一十三頁 在實(shí)際應(yīng)用中，常將電阻(dinz)材料作成線狀、箔狀、薄膜狀、厚膜狀、棒狀(塊狀)及片

49、狀。 用這類形狀的電阻材料(cilio)所做成的電阻器。則相應(yīng)稱為線繞電阻器、合金箔電阻器、薄膜電阻器、厚膜電阻器、實(shí)心電阻器及片式電阻器。 電阻器有固定電阻器、可變電阻器和電位器之分。固定電阻器的阻值是不可調(diào)的，可變電阻器和電位器的阻值是可調(diào)的，其區(qū)別是可變電阻器是兩端元件，電位器是四端元件。90共一百一十三頁電阻(dinz)率和膜電阻(dinz)導(dǎo)體的電阻值決定于導(dǎo)電材料的性質(zhì)和幾何尺寸，對于橫截面積恒定的導(dǎo)體，其電阻R用下式表示: R=L/s 對于薄膜電阻材料，由于膜比較薄，電阻率常不是一個(gè)常數(shù)，隨膜厚而變化，故常用膜電阻表示薄膜電阻材料電阻的大小。膜電阻Rs用下式表示： Rs= /d

50、d 為膜的厚度,Rs是指長寬相等的一塊薄膜電阻,即1方的電阻,所以有稱之為方阻。材料的電阻率是決定該材料是導(dǎo)體、或是半導(dǎo)體和絕緣體的主要依據(jù)。材料的電阻率與材料的種類(zhngli)和結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與環(huán)境條件有關(guān)，如溫度、壓力、濕度等。91共一百一十三頁電阻與溫度(wnd)的關(guān)系所有材料(cilio)的電阻率都是溫度的函數(shù)，除了熱敏電阻器和一些特殊要求的電阻器而外，作為電阻器和電位器的電阻材料(cilio)總是希望電阻值隨溫度的變化越小越好。為了評定電阻器對溫度的穩(wěn)定性，常用電阻溫度系數(shù)來表。電阻溫度系數(shù)是表示溫度每改變1時(shí)電阻值的相對變化量，可用下式表示：R=dR/RdT平均電阻溫度系數(shù)是指在

51、一定溫度范圍內(nèi)，溫度改變1時(shí)，電阻值的平均相對變化量。92共一百一十三頁 電阻材抖的電阻值也是溫度的函數(shù)，不同(b tn)電阻材料，由于導(dǎo)電機(jī)理不同(b tn),它們的電阻溫度關(guān)系也有所不同。 1. 純金屬 它的電阻是自由電子與晶格的振動相互碰撞引起散射而產(chǎn)生的。當(dāng)溫度增加時(shí)，電子平均運(yùn)動速度增加，單位時(shí)間碰撞次數(shù)增多，電子平均自由時(shí)間減少，電子的平均自由行程長度也相應(yīng)(xingyng)縮短，因而電阻率增加。 可用下式表示金屬電阻率與溫度的關(guān)系： M=AT 純金屬的電阻溫度系數(shù)為正值，而且隨著溫度的增加而下降。在室溫附近金屬的電阻溫度系數(shù)為36x10-3 /0C93共一百一十三頁2合金材料 由

52、于在金屬中加入了其他金屬雜質(zhì)原子之后，破壞了原來晶格的周期性排列，使自由電子的散射幾率增加。其結(jié)果(ji gu)是合金的電阻率比純金屬的電阻率高。可用下式表示： =+i 式中， 為合金的電阻率； 為純金屬的電阻率； i為雜質(zhì)散射增加的電阻率。合金電阻率中， 與溫度有關(guān)， i與溫度無關(guān)， 所以合金的電阻率與溫度的關(guān)系可用下式表示：=A(B+T), B是與雜質(zhì)有關(guān)的常數(shù) 合金的電阻溫度系數(shù)比純金屬小，一般要小12個(gè)量級。94共一百一十三頁為了提高金屬和合金電阻材料的電阻率和降低電阻溫度系數(shù)，常采用如下一些措施： 盡量采用合金、多元合金，有溫度系數(shù)補(bǔ)償雜質(zhì)的合金； 把金屬和合金做成線材(xin ci

53、)、薄膜、厚膜或箔狀； 在金屬和合金粉狀材料中加入絕緣填充料，用有機(jī)或無機(jī)粘結(jié)劑制成合成型電阻材料； 將金屬和合金氧化物或與其他非金屬材料組成化合物等。95共一百一十三頁金屬(jnsh)和合金薄膜電阻材料金屬和合金薄膜電阻材料簡稱金屬膜，一般用真空蒸發(fā)、濺射、化學(xué)沉積等方法制得根據(jù)微觀分析，這種金屬膜一般有下列三種結(jié)構(gòu)： 無定形結(jié)構(gòu)薄膜由致密的無定向的極小顆粒組成，顆粒的尺寸通常為十幾埃左右。這些無定形結(jié)構(gòu)的電子衍射花樣圖是一些彌散環(huán)。 沒有擇優(yōu)取向的多晶結(jié)構(gòu)。其晶粒較大。這種結(jié)構(gòu)的衍射花樣圖為一些邊緣清晰的圓環(huán)，即清銳環(huán)。如果膜較薄，也出現(xiàn)彌散環(huán)，隨著膜層變厚，衍射環(huán)從彌散變化到清銳。 擇優(yōu)

54、取向的多晶結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的薄膜基本上由大尺寸晶體組成，晶粒相對(xingdu)于基體有擇優(yōu)取向，通常都是晶粒原子排列整齊呈致密的表面，與基體表面平行，具衍射花樣圖為斷續(xù)的清銳環(huán)。96共一百一十三頁 其金屬膜的結(jié)構(gòu)和性能跟薄膜的厚度有很大關(guān)系。一般把它分成三種情況加以考慮。 厚度大于100 nm。這種薄膜呈連續(xù)狀結(jié)構(gòu)，其電性能與塊狀金屬接近，有較小的電阻率和正的電阻溫度系數(shù)，其密度比塊狀金屬小，晶格也不如塊金屬完整，雜質(zhì)玷污較多，薄膜表面對電子還存在一定的散射，所以電阻率高于同類塊狀金屬材料。 厚度為100 nm以下到幾十納米。這種薄膜基本上是連續(xù)的，但有時(shí)會出現(xiàn)一些孔隙、溝道，形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

55、，其電阻率隨厚度的減小逐漸(zhjin)增大，而電阻溫度系數(shù)逐漸(zhjin)減小面接近于零。 厚度在幾納米到幾十納米之間、薄膜呈不連續(xù)的島狀結(jié)構(gòu)，其電阻率隨厚度減小急劇增大，電阻溫度系數(shù)變成負(fù)值而且負(fù)得更大，電阻率與溫度的關(guān)系非常類似于半導(dǎo)體材料。97共一百一十三頁3合成(hchng)型電阻材料用顆粒形的導(dǎo)電材料加上絕緣的填充料和粘結(jié)劑組成的電阻材料，人們常稱它為合成型電阻材料。這類材料常用改變導(dǎo)電顆粒種類、多少、顆粒的粗細(xì)、分散性來改善合成物的性能。圖為導(dǎo)電合成物的斷面圖。圖中，打圓圈的為導(dǎo)電顆粒，它們在合成物中互相接觸組成連續(xù)的導(dǎo)電鏈。它們有的也可分散在合成物中，其中一些相互靠得很近很近

56、，靠隧道效應(yīng)形成間隙導(dǎo)電。圖中的白塊為填充料，空隙為粘結(jié)劑。合成物中的鋁箔劑和填充料等均屬絕緣材料，它們組成絕緣回路。該合成物的等效電路如圖313所示。Rn為導(dǎo)電顆粒本身的電阻；Rk為導(dǎo)電顆粒之間的接觸電阻；Rb為導(dǎo)電顆粒之間的間隙電阻；Ca為間隙電容；Rc為絕緣電阻。所以整個(gè)導(dǎo)電合成物的電阻值可以表示為：98共一百一十三頁4半導(dǎo)體電阻(dinz)材料一些金屬氧化物、化合物和鹽，在配料、成型和燒結(jié)時(shí)加人雜質(zhì)，或讓它們的化學(xué)比失配，或出現(xiàn)(chxin)缺氧和剩氧，或出現(xiàn)(chxin)空格點(diǎn)，用這種方法制得的電阻材料常顯示半導(dǎo)體特性。它們的電阻率與溫度的關(guān)系可用下式表示：式中u為常數(shù)，它與材料中載

57、流子的激活能有關(guān)。半導(dǎo)體中的載流于濃度與溫度有關(guān)。溫度升高載流于濃度增加，電阻率降低。其電阻率溫度系數(shù)用下式表示：半導(dǎo)體電阻材料的電阻率溫度系數(shù)為負(fù)值99共一百一十三頁線繞電阻(dinz)材料線繞電阻材料的特點(diǎn)和要求 線繞電阻材料主要是指電阻合金線。用這些不同規(guī)格的電阻合金線繞在絕緣的骨架上可以制成線繞電阻器和電位器。 電阻合金線通常用元素周期表中B、B、B、B族的金屬(如銅、銀、金、鉻、錳等）組成合金后，經(jīng)拉伸而成。這種合金線具有電阻率高、電阻溫度系數(shù)小、使用溫度范圍寬、耐熱性高、穩(wěn)定性好、噪聲小、耐磨等優(yōu)點(diǎn)(yudin)。它是制造線繞電阻器和線繞電位器的繞組材料。電阻合金線使用的場合不同，

58、對它的要求也不一樣。100共一百一十三頁薄膜電阻(dinz)材料在絕緣基體上(或基片上)用真空蒸發(fā)、濺射、化學(xué)沉積(chnj)、熱分解等方法制得的膜狀電阻材料，其膜厚一般在1um以下，人們常稱它為薄膜電阻材料。它的特點(diǎn)是體積小、阻值范圍寬、電阻溫度系數(shù)小、性能穩(wěn)定、容易調(diào)阻、易于散熱、用料少、適合大量生產(chǎn)、應(yīng)用廣。特別適用于制造高頻、高阻、大功率、小尺寸、片式和薄膜集成式電阻器。101共一百一十三頁對這類電阻材料的要求是：電阻率范圍寬，即能制高、中、低阻值的電阻器，電阻溫度系數(shù)小，電阻電壓系數(shù)小，噪聲電平低，使用溫度范圍寬，高頻性能好，穩(wěn)定性和可靠性高，工藝性能好。使用場合不同，對電阻材料還會

59、有些(yuxi)特殊要求，如耐輻射、抗霉菌、耐鹽霧等。作為薄膜電阻材料的原料主要是：金屬、合金、金屬氧化物、金屬化合物、碳、碳化物、硅化物、硼化物等。按組成分類主要有：碳系薄膜、錫銻氧化膜、金屬膜、化學(xué)沉積金屬膜、鎳鉻系薄膜、金屬陶瓷薄膜、鉻硅薄膜、鉭基薄膜、復(fù)合電阻薄、其他電阻薄膜等。102共一百一十三頁1 碳膜碳基薄膜 氣態(tài)碳?xì)浠衔镌诟邷睾驼婵罩蟹纸?fnji)，碳沉積在瓷棒或者瓷管上，形成一層結(jié)晶碳膜。改變碳膜厚度和用刻槽的方法變更碳膜的長度，可以得到不同的阻值。碳膜電阻成本較低，性能一般。 碳膜電阻器成本低、性能穩(wěn)定、阻值范圍寬、溫度系數(shù)和電壓(diny)系數(shù)低，是目前應(yīng)用最廣泛的電

60、阻器。103共一百一十三頁2硅碳膜 硅碳膜是用含硅的有機(jī)化合物和碳?xì)浠衔锿瑫r(shí)熱分解而制成，也可用依次熱分解硅有機(jī)化合物和碳?xì)浠衔镏频谩?采用先熱分解正硅酸乙酯，使在基體表面上形成一層含硅碳層，作為底層，它具有填平基體表面、增加附著力的作用。該層熱分解溫度950980，真空度為2Pa以上(yshng)。接著用庚烷等熱分解，形成一層碳膜層，作為導(dǎo)電層，即為中阻或高阻層。熱分解溫度為1000，真空度同上。如要得到低阻層，可用苯熱分解得到。最后將六甲基二硅醚在850和同樣真空度下熱分解，形成含有SiO2的硅碳膜層作為保護(hù)層這種方法制出的硅碳膜電阻率比碳膜高2030。硅碳膜具有耐潮和耐腐蝕的特性。這