材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)-第四章第三節(jié)2013

電力機(jī)械、交通電子、微電子日常生活ElectricalPropertiesofMaterials交變電場——介電性質(zhì)弱電場

——導(dǎo)電性質(zhì)強(qiáng)電場

——擊穿現(xiàn)象

材料表面——靜電現(xiàn)象4.3材料的電學(xué)性能

不同材料電學(xué)性能的差異及其與組成和結(jié)構(gòu)的關(guān)系

電導(dǎo)率和電阻率的定義、電導(dǎo)機(jī)制、電導(dǎo)率的基本參數(shù)及影響因素

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

超導(dǎo)電性的定義、超導(dǎo)體的2種特性、3個(gè)性能指標(biāo)

介電常數(shù)的定義、介質(zhì)極化的三種機(jī)制，交變電場中的介電損耗的成因及影響因素

擊穿強(qiáng)度的定義材料電性能與溫度的關(guān)系電導(dǎo)率(electricalconductivity)和電阻率

4.3.1電導(dǎo)率和電阻率測定電阻率的裝置示意圖電阻率分：

體積電阻率：V,Ω·m表面電阻率：S,Ω電阻率S：西門子電導(dǎo)率電導(dǎo)率(electricalconductivity)(1)表征材料導(dǎo)電性的大小。

單位：S/m,

（Ω.m）-1⑵

根據(jù)電導(dǎo)率對(duì)材料分類表4-19

材料的分類及其電導(dǎo)率、電阻率材料電阻率Ω

·m電導(dǎo)率S/m超導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體010-8-10-510-5-107107-1018∞105-10810-7-10510-18-10-7⑶

不同材料的電導(dǎo)率

①金屬

自由電子

電導(dǎo)率高

導(dǎo)電性好

②硅、鍺

半導(dǎo)體

③離子固體（無機(jī)非金屬）

室溫絕緣體

T↑，電導(dǎo)率↑

④高分子絕緣體，雜質(zhì)致有導(dǎo)電性

各種材料在室溫的電導(dǎo)率決定電導(dǎo)率的基本參數(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中的遷移速度)平均漂移速度（driftvelocity）ν，m/s電流密度

單位時(shí)間（1s）通過單位截面積的電荷量

J＝nqv單位：庫倫/(m2·s),J=I/A

根據(jù)歐姆定律，及R=ρL/A電導(dǎo)率

σ=J/E=nqv/E=nqμ載流子的遷移率μ=v/E影響電導(dǎo)率的因素（1）影響離子電導(dǎo)率的因素

溫度T↑，σ↑

晶體結(jié)構(gòu)結(jié)合力大

，σ小

晶格缺陷固體電解質(zhì)雜質(zhì)離子電導(dǎo)與溫度的關(guān)系（2）影響電子電導(dǎo)率的因素溫度

單質(zhì)金屬：電導(dǎo)率的溫度關(guān)系為半導(dǎo)體和絕緣體：電導(dǎo)率隨溫度變化以指數(shù)函數(shù)增大

σ=σ0exp(-Ec/kT)雜質(zhì)及缺陷

半導(dǎo)體摻雜使電導(dǎo)率增大。σ∝T-1StructuresandConductivity

材料的電子結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性

能帶

electronenergyband4.3.2材料的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性N個(gè)原子，N個(gè)能級(jí)能帶間存在能隙（禁帶）Section12.5(a)(b)金屬，(c)絕緣體，(d)半導(dǎo)體固體在0K時(shí)各種可能的電子能帶結(jié)構(gòu)（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）

過渡金屬

鐵、鎳、鈷

鐵（1S22S22P63S23P63d74S2）重迭金屬中的自由電子都能導(dǎo)電嗎？費(fèi)米能級(jí)理論激發(fā)前激發(fā)后影響金屬導(dǎo)電性的因素電阻率

溫度:thermalvibration雜質(zhì):solidsolution塑性形變:dislocation散射（2）絕緣體

insulator13種典型非金屬材料的室溫電導(dǎo)率離子固體的電導(dǎo)性離子性晶格缺陷的濃度溫度晶體結(jié)構(gòu)聚合物的電導(dǎo)性添加型結(jié)構(gòu)型

AlanJ.HeegerUSAUniversityofCaliforniaantaBarbara,CA,USAb.1936發(fā)現(xiàn)并發(fā)展了導(dǎo)電聚合物

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者

2000年白川英樹HidekiShirakawa

JapanUniversityofTsukubaTokyo,Japan

b.1936AlanG.MacDiarmidUSAUniversityofPennsylvaniaPhiladelphia,PA,USAb.19271974年，白川英樹等聚乙炔薄膜銅色（cis-，電導(dǎo)率10－8～10－7S·cm－1）銀色（trans-，電導(dǎo)率10－3～10－2S·cm－1）1977年，

Heeger、MacDiarmid和白川英樹，發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或I2蒸氣氧化后，其電導(dǎo)率可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。通過改變催化劑的制備方法和取向，電導(dǎo)率可達(dá)105S·cm－1。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度的增加而減小摻雜：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的躍遷包含：

沿單一共軛體系的運(yùn)動(dòng)：阻力小或無

在共軛體系之間的躍遷：阻力大聚乙炔，其摻雜的電導(dǎo)率大幅度提高，摻雜到6.67%時(shí)，能隙將消失。導(dǎo)電聚合物電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系導(dǎo)電聚合物具有金屬導(dǎo)電性，且重量輕、易加工、材料來源廣等特點(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)光器件方面的應(yīng)用

聚合物電池（高分子鋰電池）、

電致變色顯示器、

電化學(xué)傳感器、場效應(yīng)管、

聚合物發(fā)光二極管（LED）

導(dǎo)電聚合物的應(yīng)用（3）半導(dǎo)體

Semiconductors

本征半導(dǎo)體

Intrinsicsemiconductors室溫下幾種半導(dǎo)體材料的能隙、電導(dǎo)率、遷移率載流子：自由電子，n,負(fù)電荷

空穴，holep,正電荷carrierμh＜μe雜質(zhì)半導(dǎo)體

extrinsicsemiconductorn型半導(dǎo)體

在Si、Ge等四價(jià)元素中摻入少量五價(jià)元素P、Sb、Bi、As

在導(dǎo)帶附近形成摻雜的能級(jí)

電子型導(dǎo)電

p型半導(dǎo)體

在Si、Ge等四價(jià)元素中摻入B、Al等三價(jià)元素，在四價(jià)帶附近形成摻雜的能級(jí)

空穴型導(dǎo)電

半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系Tσ本征T-1分子軌道理論受激態(tài)可能的形式

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

材料的電子結(jié)構(gòu)與光電導(dǎo)性

光電導(dǎo)效應(yīng)（photo-electrical）：由光照而使?jié)M帶中

的電子激發(fā)到導(dǎo)帶的現(xiàn)象。(1)分子受激過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．光生載流子機(jī)理機(jī)理A：直接帶-帶轉(zhuǎn)變。機(jī)理B：單重態(tài)激子。機(jī)理C：光學(xué)退陷阱。機(jī)理D：光注射電子或空穴4.3.4材料的超導(dǎo)電性1、

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

（小于10-25Ω·cm）液氦，超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者1913年

HeikeKamerlinghOnnes

theNetherlands

LeidenUniversity

Leiden,theNetherlandsb.1853

d.1926汞，4.2K

J.GeorgBednorz

FederalRepublicofGermanyIBMResearchLaboratoryb.1950在陶瓷（金屬氧化物）中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，超導(dǎo)研究取得重大突破,諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者

1987年K.AlexanderMuller

SwitzerlandRchlikon,Switzerlandb.1927超導(dǎo)電性的金屬和合金

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。超導(dǎo)化合物

Nb3Sn，Tc=18～18.5K；

Nb3Ge，Tc≈23.2K，

Nb3（AlGe），Tc≈20.7K等

超導(dǎo)電性的金屬氧化物

1960‘s

Ba-Y-Cu-O系，35K,1986,Bednorz,Muller

Ba-Y-Cu-O系,100K,1987,朱經(jīng)武、我國趙忠賢等

Hg-Ba-Cu-O系，～140K2超導(dǎo)體的兩種特性：

完全導(dǎo)電性

完全抗磁性

磁感應(yīng)強(qiáng)度始終為零三個(gè)性能指標(biāo)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc

愈高愈好

臨界磁場Hc

破壞超導(dǎo)態(tài)的最小磁場。

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)的最大輸入電流

(與Hc相關(guān))

4.3.4

材料的介電性材料極化

1．電容及介電常數(shù)真空電容

C0=Q0/V＝ε0A/l介質(zhì)中電容

C＝Q/V=εA/lε0真空電容率(或真空介電常數(shù))，8.85xl0-12

F／mε

介質(zhì)的電容率（或介電常數(shù)）

permittivity(dielectricproperty)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

取向極化介電常數(shù)

dielectricconstant,

電介質(zhì)在電場作用下極化程度的宏觀物理量。

介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)

εr=C/C0=ε/ε0

相對(duì)電容量，無量綱常數(shù)一些材料的εr

數(shù)值：

石英——3.8；

絕緣陶瓷——6.0；

PE——2.3；

PVC——3.8高分子材料的εr

由主鏈結(jié)構(gòu)中的鍵的性能和排列所決定的。

表4-24某些材料的相對(duì)介電常數(shù)εr（

T=25℃,

ν=106Hz）

塑料和有機(jī)物

玻

璃

無機(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

高鉛玻璃

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3Al2O32SiO26.6酚甲醛

4.75 氟化鎳

9.0氯丁橡膠

6.26

氧化鎂

9.65紙

7.0乙酸乙烯酯的介電常數(shù)-溫度曲線頻率對(duì)介電常數(shù)和介電損耗的影響電介質(zhì)在交變電場作用下,電能轉(zhuǎn)變成熱能而損耗

漏導(dǎo)電電流、極化電流損耗

介電常數(shù)可用復(fù)數(shù)表示：

=ˊ-i

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

〞與電阻電流相關(guān)的分量，虛數(shù)部分，2．

dielectricloss.介電損耗介電損耗因子

滯后位相角

——損耗角

損耗角

的正切：

tg=〞/ˊ

介電損耗影響tg

的因素(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（界面極化）(4)交變電場頻率（介電損耗峰）(5)溫度高聚物的介電性能高聚物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)4.14.03.43.73.02.0-2.22.9-3.12.2

<0.05

0.001<0.0050.04-0.08(1016Hz)

0.010.0140.0210.0050.0060.00020.01-0.0060.004陶瓷電介質(zhì)的性能材料體積電阻率V

Ω.m擊穿強(qiáng)度MV/m介電常數(shù)ε介電損耗角正切值tgδ60Hz105Hz60Hz105Hz絕緣瓷塊滑石鋯英石氧化鋁鈉鈣玻璃電氣玻璃熔融石英1011-1013<1012約1013<10121012<1015約101220-8080-150100-1501010-1066669-7-4-689743.8

0.010.0050.035-0.1-0.001-0.0030.001〈0.00050.010.00060.0001

tg

大，損耗大，材料發(fā)熱。

電容介質(zhì)

大，tg

小

高頻焊接：薄膜封口，tg

大

高頻電纜——用PE，而不用PVC

非極性

極性3．介電性的應(yīng)用強(qiáng)電場中材料破壞。高分子材料，絕緣材料

——重要指標(biāo)。電壓升高，超過臨界值，電阻率急劇下降，電流升高，

材料由絕緣體

導(dǎo)體擊穿強(qiáng)度

E穿=V穿/h

V穿——擊穿電壓；h——材料厚度。

E穿的單位：MV/m或V/cm。介電擊穿分類：特征擊穿、熱擊穿、電機(jī)械擊穿、

放電擊穿4．dielectricstrength擊穿強(qiáng)度4.5材料的光學(xué)性能4.5.1電磁輻射及其與原子的相互作用4.5.2反射、吸收和透射4.5.3材料的光學(xué)性質(zhì)4.5.4旋光性及非光學(xué)性4.5.5光澤4.5.6發(fā)光4.5.7光敏性4.5.1電磁輻射及其與原子的相互作用光子的能量4.5.2反射、吸收和透射光的折射由于介質(zhì)的電子極化使光速降低折射率：n=c/v相對(duì)折射率：

εr：相對(duì)介電常數(shù)光的反射鏡反射：光潔表面；漫反射：粗糙表面。反射率RR=IR/I0

若介質(zhì)1為空氣，n1=1垂直入射光的吸收光吸收的一般規(guī)律

——朗伯特定律

不同材料對(duì)光的吸收系數(shù)α差別很大。空氣10-5cm-1玻璃10-2cm-1金屬的α很大，不透明。（2）光吸收與光波長在可見光區(qū)，金屬和半導(dǎo)體的吸收系數(shù)都很大，但電介質(zhì)材料吸收系數(shù)很小，其在紫外區(qū)、紅外區(qū)出現(xiàn)吸收峰。透明材料的選擇性吸收使其呈現(xiàn)不同的顏色。大多數(shù)金屬的反射率R在0.90~0.95之間。光的透射透射率TI0=IT+IR+IAＴ＋Ｒ＋Ａ＝１α和R與入射光的頻率有關(guān)。4.5.3材料的光學(xué)性質(zhì)金屬的光學(xué)性質(zhì)不透明、高反射率，

α值和R值都很大，反射率與入射光的頻率有關(guān)。非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)大多數(shù)非金屬對(duì)紅外光線有一定程度的吸收。紅外光譜IR非金屬材料是否具有顏色或透明取決于材料的能帶結(jié)構(gòu)以及光線在材料內(nèi)部的散射。許多半導(dǎo)體吸收可見光輻射，不透明。電介質(zhì)材料一般對(duì)可見輻射是透明的，沒有顏色。影響透明性的因素：孔洞；折射率不同產(chǎn)生光散射。

例：已知碲化鋅的Eg=2.26eV，它對(duì)哪一部分

可見光透明？解：Eg=hc/λ

其中h=6.62×10-34J·s；C=3×108m/s；1eV=1.6×10-19J

碲化鋅不能吸收波長在0.549μm以上的可見光，它對(duì)橙紅光是透明的。4.5.4旋光性及非線性光學(xué)性旋光性（opticalactivity）

偏振光、偏振面

旋光性：使偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)。旋光性物質(zhì)非線性光學(xué)性質(zhì)激光對(duì)介質(zhì)的極化作用：

誘導(dǎo)極化強(qiáng)度

極化強(qiáng)度

能產(chǎn)生大的二階或三階非線性光學(xué)效應(yīng)的物質(zhì)稱二階或三階非線性光學(xué)材料。應(yīng)用：具有變頻、增幅、開關(guān)、記憶等功能，用于調(diào)制器、重現(xiàn)器、放大器、光學(xué)信號(hào)處理等。4.5.5光澤光澤是物體表面定向選擇反射的性質(zhì)，體現(xiàn)在表面上呈現(xiàn)不同的亮斑或形成重疊于表面的物體的像。