材料科學(xué)和工程基礎(chǔ)顧宜材料的電學(xué)性能市公開(kāi)課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

第四章

內(nèi)容4-1固體材料機(jī)械性能4-2材料熱性能4-3材料電學(xué)性能4-4材料磁學(xué)性能4-5材料光學(xué)性能4-6材料耐腐蝕性4-7復(fù)合材料性能4-8納米材料及效應(yīng)第1頁(yè)Chapter12ElectricalPropertiesofMaterials

TheelectricalbehaviorsofthevariousmaterialsDescribetherelationshipofelectricalconductivitiesandfourpossibleelectronbandstructuresforsolidmaterials.

HowtocalculatetheelectricalconductivitiesDefinedielectricconstantofadielectricmaterials

intermsofpermittivities.4-3材料電學(xué)性能第2頁(yè)電力機(jī)械、交通電子、微電子日常生活材料電學(xué)性能(electricalproperty)直流電場(chǎng)交變電場(chǎng)——介電性質(zhì)弱電場(chǎng)

——導(dǎo)電性質(zhì)強(qiáng)電場(chǎng)

——擊穿現(xiàn)象

材料表面——靜電現(xiàn)象第3頁(yè)不一樣材料電學(xué)性能差異及其與組成和結(jié)構(gòu)關(guān)系電導(dǎo)率和電阻率定義、電導(dǎo)機(jī)制、電導(dǎo)率基本參數(shù)及影響原因

材料電子能帶結(jié)構(gòu)與電導(dǎo)性、光導(dǎo)性和半導(dǎo)電性公式

超導(dǎo)電性定義、超導(dǎo)體2種特征、3個(gè)性能指標(biāo)

介電常數(shù)定義、介質(zhì)極化三種機(jī)制，

交變電場(chǎng)中介電損耗成因及影響原因

擊穿強(qiáng)度定義材料電性能與溫度關(guān)系第4頁(yè)電導(dǎo)率(electricalconductivity)和電阻率

4-3-1電導(dǎo)率和電阻率第5頁(yè)電阻率分：

體積電阻率：V,Ω·m表面電阻率：S,Ω電阻率

1、第6頁(yè)西門子電導(dǎo)率電導(dǎo)率(electricalconductivity)(1)表征材料導(dǎo)電性大小。

單位：S.m-1,

（Ω.m）-1⑵

依據(jù)電導(dǎo)率對(duì)材料分類2、第7頁(yè)表4-19

材料分類及其電導(dǎo)率材料電阻率電導(dǎo)率超導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體010-8-10-510-5-107107-1018∞105-10810-7-10510-18-10-7第8頁(yè)⑶

不一樣材料電導(dǎo)率舉例①金屬

自由電子

電導(dǎo)率高

導(dǎo)電性好②硅

半導(dǎo)體③離子固體

室溫絕緣體

T高

電導(dǎo)率大

（無(wú)機(jī)非金屬）

④高分子

雜質(zhì)致有導(dǎo)電性第9頁(yè)

各種材料在室溫電導(dǎo)率金屬和合金Σ(Ω-1.m-1)非金屬σ（Ω-1.m-1）銀銅，工業(yè)純金鋁,工業(yè)純

Al-1.2%,Mn合金鈉鎢，

工業(yè)純黃銅（70%Cu-30%Zn鎳,工業(yè)純純鐵,工業(yè)純鈦,工業(yè)純TiC不銹鋼，301型鎳鉻合金

(80%Ni-20%Cr）6.3*1075.85*1074.25*1073.45*1072.96*1072.1*1071.77*1071.66*1071.46*1071.03*1070.24*1070.17*1070.14*1070.093*107石墨SiC鍺，純硅，純苯酚甲醛（電木）窗玻璃

氧化鋁（Al2O3）云母甲基丙烯酸甲酯氧化鈹（BeO）聚乙烯聚苯乙烯金剛石石英玻璃聚四氟乙烯105(平均)102.24.3*10-410-7-10-11<10-1010-10-10-1210-11-10-15〈10-1210-12-10-15〈10-14〈10-14〈10-14〈10-16〈10-16結(jié)合原子電子結(jié)構(gòu)討論第10頁(yè)怎樣了解材料電導(dǎo)現(xiàn)象，必須明確幾個(gè)問(wèn)題：

1.參加遷移是哪種載流子——相關(guān)載流子類別問(wèn)題

2.

載流子數(shù)量有多大——相關(guān)載流子濃度、載流子產(chǎn)

生過(guò)程問(wèn)題

3.

載流子遷移速度大小——相關(guān)載流子輸運(yùn)過(guò)程問(wèn)題第11頁(yè)⑷決定電導(dǎo)率基本參數(shù)

parameters

載流子類型

chargecarrier——

電子、空穴、正離子、負(fù)離子

載流子數(shù)

chargecarrierdensity----n,個(gè)/m3

載流子遷移率

electronmobility(物理意義為載流子在單位電場(chǎng)中遷移速度)

μ=ν/E

m2/(v.s)

平均漂移速度（driftvelocity）ν，m/s第12頁(yè)電流密度（單位時(shí)間（1s）經(jīng)過(guò)單位截面積電荷量）

J＝nqv電導(dǎo)率

σ=J/E=nqv／E=nqμ第13頁(yè)⑸

影響原因影響離子電導(dǎo)率原因

溫度

晶體結(jié)構(gòu)

晶格缺點(diǎn)第14頁(yè)第15頁(yè)(A)聲子對(duì)遷移率影響,可寫成μL=aT-3/2

(B)雜質(zhì)離子對(duì)遷移率影響,可寫成

μI=bT3/2

影響電子電導(dǎo)率原因溫度、雜質(zhì)缺點(diǎn)第16頁(yè)單質(zhì)金屬中主要散射機(jī)制是電聲子相互作用,電導(dǎo)率溫度關(guān)系為

σ∝T-1。半導(dǎo)體和絕緣體電導(dǎo)率隨溫度改變以指數(shù)函數(shù)增大

σ=σ0exp(-Eg/2kT)第17頁(yè)影響半導(dǎo)體電導(dǎo)率原因：溫度

公式4-106，12.18

k為Boltzmann常數(shù)=8.6210-5evEg為能帶間隙能，Table12.2第18頁(yè)例題第19頁(yè)材料結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性StructuresandConductivity1、

材料電子結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性

能帶

electronenergyband4-3-2材料結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性第20頁(yè)外層電子能級(jí)N個(gè)原子N個(gè)能級(jí)重迭分離第21頁(yè)Section12.5第22頁(yè)(a)(b)金屬Section12.5第23頁(yè)（1）導(dǎo)體

conductor

堿金屬

鋰、鈉、鉀

鈉（1S22S22P63S1）

堿土金屬

鈹、鎂、鈣鎂（1S22S22P63S2）

3S與3P重迭

貴金屬

銅、銀、金銅（1S22S22P63S23P63d104S1）

過(guò)渡金屬

鐵、鎳、鈷

鐵（1S22S22P63S23P63d74S2）重迭第24頁(yè)金屬中自由電子都能導(dǎo)電嗎？費(fèi)米能級(jí)理論第25頁(yè)影響金屬導(dǎo)電性原因電阻率

溫度:thermalvibration雜質(zhì):solidsolution塑性形變:dislocation第26頁(yè)散射第27頁(yè)第28頁(yè)電子局域：離子鍵

共價(jià)鍵（2）絕緣體

insulator第29頁(yè)第30頁(yè)離子固體電導(dǎo)性離子性晶格缺點(diǎn)濃度溫度晶體結(jié)構(gòu)聚合物電導(dǎo)性添加型結(jié)構(gòu)型第31頁(yè)

AlanJ.Heeger1/3oftheprizeUSAUniversityofCaliforniaantaBarbara,CA,USAb.1936發(fā)覺(jué)并發(fā)展了導(dǎo)電聚合物諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)取得者白川英樹(shù)HidekiShirakawa

1/3oftheprizeJapanUniversityofTsukubaTokyo,Japan

b.1936AlanG.MacDiarmid1/3oftheprizeUSAUniversityofPennsylvaniaPhiladelphia,PA,USAb.1927第32頁(yè)1974年，白川英樹(shù)等人用Ziegler-Natta催化劑制備聚乙炔薄膜銅色（cis-，電導(dǎo)率10－8～10－7S·cm－1）銀色（trans-，電導(dǎo)率10－3～10－2S·cm－1）第33頁(yè)1977年，

Heeger、MacDiarmid和白川英樹(shù)、發(fā)覺(jué)當(dāng)聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或I2蒸氣氧化后，其電導(dǎo)率可提升幾個(gè)數(shù)量級(jí)。經(jīng)過(guò)改變催化劑制備方法和取向，電導(dǎo)率可達(dá)105S·cm－1。（Teflon為10－16S·cm－1，Cu為108S·cm－1）。第34頁(yè)圖

3三維、二維和一維碳化合物材料共軛能帶間隙隨聚合物長(zhǎng)度增加而減小第35頁(yè)第36頁(yè)摻雜

在聚合物上去掉或增加電子。

氧化摻雜（也稱P型摻雜）用鹵素?fù)诫s

還原摻雜（也稱n型摻雜）用堿金屬進(jìn)行：載流子在共軛聚合物材料中躍遷包含：

沿單一共軛體系運(yùn)動(dòng)：阻力小或無(wú)

在共軛體系之間躍遷：阻力大第37頁(yè)聚乙炔，其摻雜電導(dǎo)率大幅度提升，摻雜到6.67%時(shí)，能隙將消失。第38頁(yè)

聚乙炔鏈上共軛缺點(diǎn)（載流子）第39頁(yè)

陽(yáng)離子自由基產(chǎn)生和移動(dòng)

聚乙炔異構(gòu)化產(chǎn)生孤子及移動(dòng)第40頁(yè)導(dǎo)電聚合物電導(dǎo)率與溫度關(guān)系第41頁(yè)理想情況下，導(dǎo)電聚合物含有金屬導(dǎo)電性，且重量輕、易加工、材料起源廣等特點(diǎn)用作電極、電磁波屏蔽、抗靜電材料等半導(dǎo)體器件和發(fā)光器件方面得應(yīng)用

聚合物電池、電致變色顯示器、

電化學(xué)傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管、

聚合物發(fā)光二極管（LED）

導(dǎo)電聚合物應(yīng)用第42頁(yè)（3）半導(dǎo)體

Semiconductors

本征半導(dǎo)體

Intrinsicsemiconductors第43頁(yè)載流子：自由電子，n,負(fù)電荷

空穴，hole

p,正電荷carrier第44頁(yè)例題第45頁(yè)雜質(zhì)半導(dǎo)體

extrinsicsemiconductorn型半導(dǎo)體

n-TYPEEXTRINSICSEMICONDUCTION

在Si、Ge等四價(jià)元素中摻入少許五價(jià)元素P、Sb、Bi、As

在導(dǎo)帶附近形成摻雜能級(jí)

電子型導(dǎo)電

第46頁(yè)p型半導(dǎo)體

p-TYPEEXTRINSICSEMICONDUCTION

在四價(jià)Si、Ge等四價(jià)元素中摻入B、Al、Sc、Y，在四價(jià)帶附近形成摻雜能級(jí)

空穴型導(dǎo)電

第47頁(yè)半導(dǎo)體電導(dǎo)率與溫度關(guān)系第48頁(yè)第49頁(yè)第50頁(yè)熱激發(fā)第51頁(yè)分子軌道理論受激態(tài)可能形式

π，π*狀態(tài)

n，π*狀態(tài)，

含有N、O或S

CT狀態(tài)——電荷轉(zhuǎn)移受激態(tài)電子給體基團(tuán)（如一NH2，一0H）及受體基（＞C=0，一N02）之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移

材料電子結(jié)構(gòu)與光電導(dǎo)性材料電子結(jié)構(gòu)與光電導(dǎo)性

photo-electrical(1)分子受激過(guò)程與能量交換光電流激活能

ΔE＝EJ－EI＝hv兩種構(gòu)型:

單重態(tài)\三重態(tài)2．第52頁(yè)第53頁(yè)（2）光生載流子機(jī)理第54頁(yè)4-3-4材料超導(dǎo)電性1、

超導(dǎo)電性-(superconductivity)——在一定低溫下材料突然失去電阻現(xiàn)象

（小于10-25Ω·cm）第55頁(yè)液氦，超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)覺(jué)諾貝爾物理獎(jiǎng)取得者19HeikeKamerlinghOnnes

theNetherlands

LeidenUniversity

Leiden,theNetherlandsb.1853

d.1926汞，4.2K第56頁(yè)

J.GeorgBednorz1/2oftheprizeFederalRepublicofGermanyIBMResearchLaboratoryb.1950在陶瓷（金屬氧化物）中發(fā)覺(jué)超導(dǎo)現(xiàn)象，超導(dǎo)研究取得重大突破,諾貝爾物理獎(jiǎng)取得者

1987年K.AlexanderMuller

1/2oftheprizeSwitzerlandR黶chlikon,Switzerlandb.1927第57頁(yè)超導(dǎo)電性金屬和合金

Tc＜30K

鈦、釩、鋯、鈮、鉬、鉭、鎢、錸、鉍、鋁、錫、鎘等28種。

二元合金NbTi，Tc＝8～10K；

NbZr，Tc≈10～11K。三元系合金有鈮-鈦-鋯，Tc=10K；鈮-鈦-鉭，Tc=9～10K。第58頁(yè)超導(dǎo)化合物

Nb3Sn，Tc=18～18．5K；

Nb3Ge，Tc≈23．2K，Nb3（AlGe），Tc≈20．7K等

超導(dǎo)電性金屬氧化物

1960‘sBa-Y-Cu-O系，35K,1986,Bednorz,MullerBa-Y-Cu-O系,100K,1987,我國(guó)趙忠賢等

Hg-Ba-Cu-O系，～140K第59頁(yè)2、超導(dǎo)體兩種特征：

完全導(dǎo)電性

完全抗磁性

磁感應(yīng)強(qiáng)度一直為零第60頁(yè)3、三個(gè)性能指標(biāo)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc

愈高愈好

臨界磁場(chǎng)Hc

破壞超導(dǎo)態(tài)最小磁場(chǎng)。

隨溫度降低，Hc將增加；

當(dāng)T＜Tc時(shí),

Hc=Hc,0[1-（T/Tc)2]

臨界電流密度Jc

保持超導(dǎo)狀態(tài)最大輸入電流

(與Hc相關(guān))第61頁(yè)FIGURE18.22

Criticaltemperature,currentdensity,andmagneticfieldboundaryseparatingsuperconductingandnormalconductingstates第62頁(yè)第63頁(yè)4-3-5

材料介電性材料極化

1．介質(zhì)極化、電容、介電常數(shù)真空電容

Co=Qo/V＝ε0A/l介質(zhì)中電容

C＝Q/V=εA/lε。真空電容率(或真空介電常數(shù))，8．85xl0-12

F／mΕ

介質(zhì)電容率（或介電常數(shù)）

permittivity(dielectricproperty)第64頁(yè)原因：材料極化

極化原因

電子極化

電子云

偏離中心

離子極化

取向極化第65頁(yè)（2）

介電常數(shù)

dielectricconstant,

表征電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下極化程度宏觀物理量。

電介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)

εr=C/C0=ε/ε0

相對(duì)電容量，無(wú)量綱常數(shù)第66頁(yè)一些材料εr

數(shù)值：

石英——3.8；

絕緣陶瓷——6.0；

PE——2.3；

PVC——3.8高分子材料εr

由主鏈結(jié)構(gòu)中鍵性能和排列所決定。第67頁(yè)

表4-3-4一些材料介電常數(shù)ε（

T=25℃

ν=106Hx）

塑料和有機(jī)物

玻

璃

無(wú)機(jī)晶態(tài)材料聚四氟乙烯（Tefton）2.1

石英玻璃

3.8氧化鋇

3.4聚異丁烯

2.23 耐熱玻璃

3．8-3．9 云母

3.6聚乙烯

2.35 派勒克斯玻璃

4.0-6.0 氯化鉀

4.75聚苯乙烯

2.55 堿-石灰-硅石玻璃

6.9 溴化鉀

4.9丁基橡膠

2．56 高鉛板璃

19.0

青石陶瓷

4.5-5.4有機(jī)玻璃

2.63 （2MgO·2Al2O33SiO4為基）聚氯乙烯

3.3

金剛石

5.5聚酰胺66 3.33鎂橄欖石

6.22 (Mg2SiO4）

聚酯

3．1-4.0 多鋁紅柱石3Al2O36.62SiO2

酚甲醛

4.75 氟化鎳

9.0氯丁橡膠

6.26

氧化鎂

9.65紙

70第68頁(yè)第69頁(yè)第70頁(yè)電介質(zhì)在交變電場(chǎng)作用下,電能轉(zhuǎn)變成熱能而損耗

漏電導(dǎo)電流\極化電流損耗

介電常數(shù)可用復(fù)數(shù)表示：

=’-i

’’式中’為與電容電流相關(guān)介電常數(shù)，實(shí)數(shù)部分；

’’與電阻電流相關(guān)分量，虛數(shù)部分，2．

dielectricloss.介電損耗第71頁(yè)介電損耗因子

滯后相位角

——損耗角

損耗角

正切：

tg=’’/’

介電損耗第72頁(yè)影響tg

原因(1)

分子結(jié)構(gòu)

極性

大

tg

大

基團(tuán)數(shù)目

多

tg

大

(2)小分子及雜質(zhì)(3)多相體系(4)交變電場(chǎng)頻率(5)溫度第73頁(yè)表4-3-5高聚物介電性能高聚物ρv體積電阻率（.m）擊穿強(qiáng)度（MV/m）介電常數(shù)（60Hz）介電損耗角正切值（60Hz）聚乙烯（高密度）聚丙烯聚苯乙烯聚氯乙烯尼龍6尼龍66滌綸聚甲醛聚碳酸酯聚四氟乙烯聚砜丁苯橡膠1014

>101410141012-10151012-101510121012-10161012101410161014101326-28

302415-252215-19

18-617-2225-4016-20202.2-2.4(1016Hz)

2.0-2.6(1016Hz)2.5(1016Hz)3.2-3.6(1016Hz)4.14.03.43.73.0