第六講-金屬材料的導(dǎo)電性-課件

第二章材料的電學(xué)性能

顧修全1ppt課件2ppt課件在許多情況下，材料的導(dǎo)電性能比力學(xué)性能和熱學(xué)還重要。導(dǎo)電材料、電阻材料、電熱材料、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料和絕緣材料等都是以材料的導(dǎo)電性能為基礎(chǔ)的。3ppt課件

長(zhǎng)距離傳輸電力的金屬導(dǎo)線應(yīng)該具有很高的導(dǎo)電性，以減少由于電線發(fā)熱造成的電力損失。舉例：

陶瓷和高分子的絕緣材料必須具有不導(dǎo)電性，以防止產(chǎn)生短路或電弧。

作為太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體對(duì)其導(dǎo)電性能的要求更高，以追求盡可能高的太陽(yáng)能利用效率。4ppt課件本章內(nèi)容金屬的導(dǎo)電性合金的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性材料的介電性材料的超導(dǎo)電性5ppt課件什么是材料的導(dǎo)電性？導(dǎo)電電阻電阻率電導(dǎo)率能夠攜帶電荷的粒子稱為載流子

金屬、半導(dǎo)體和絕緣體中載流子——電子

離子化合物中的載流子——離子

微觀機(jī)理：材料中帶有電荷的粒子響應(yīng)電場(chǎng)作用發(fā)生定向移動(dòng)的結(jié)果。歐姆定律6ppt課件一些材料在室溫下的電阻率7ppt課件材料按電性能分類:導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體8ppt課件導(dǎo)體純金屬的電阻率在108

～107

m

金屬合金的電阻率為107~105m半導(dǎo)體電阻率為103~10+5

m絕緣體電阻率為10+9~10+17

m電阻率的大小取決于材料的結(jié)構(gòu)。9ppt課件第一節(jié)金屬的導(dǎo)電性

晶體的能帶理論金屬的導(dǎo)電機(jī)制馬基申定則影響因素10ppt課件1.晶體的能帶理論

晶體的能帶理論是在量子力學(xué)研究金屬導(dǎo)電理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它的成功之處是在于定性地闡明了晶體中電子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。特征：不連續(xù)能量分布的價(jià)電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。原子核電子內(nèi)層電子外層電子離子實(shí)價(jià)電子構(gòu)成等效勢(shì)場(chǎng)11ppt課件能帶理論的出發(fā)點(diǎn)是固體中的電子不再束縛于個(gè)別的原子，而是在整個(gè)固體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，稱為共有化電子。在討論共有化電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，假定原子實(shí)處在平衡位置，而把原子實(shí)偏離平衡位置的影響看成微擾。能帶理論的基本思想12ppt課件晶體的能帶價(jià)電子的共有化使單個(gè)原子的價(jià)電子能級(jí)分裂，形成了能帶。13ppt課件能量能帶能帶禁帶平衡間距原子間距能級(jí)能級(jí)孤立原子的能級(jí)14ppt課件電子的填充規(guī)則電子填充在一系列準(zhǔn)連續(xù)分布的能級(jí)上，服從泡利不相容原理，即依次從低向上填充，每一個(gè)能級(jí)上最多可填充2個(gè)電子；電子的分布服從費(fèi)米-狄拉克分布：電子占據(jù)幾率為1/2的能級(jí)位置稱為費(fèi)米能級(jí)，它反映了電子的填充水平。電子的某一能級(jí)上的分布幾率：15ppt課件費(fèi)米分布函數(shù)0K時(shí)為一折線，在能量高于費(fèi)米能量的區(qū)域幾率為零溫度的升高將使得少量能量較高的電子躍遷到高能級(jí)。費(fèi)米能級(jí)16ppt課件17ppt課件金屬、半導(dǎo)體及絕緣體的比較導(dǎo)帶和價(jià)帶重疊絕緣體的禁帶一般大于5eV半導(dǎo)體的禁帶一般小于3eV18ppt課件金屬絕緣體半導(dǎo)體特征：最高占有帶僅部分充滿，即除了滿帶外，存在不滿帶。特征：電子恰好填滿了最低的一系列能帶，能量更高的能帶都是空的，而且禁帶很寬（大于5eV）。特征：禁帶寬度較窄（低于2.0eV）。19ppt課件常用術(shù)語(yǔ)導(dǎo)帶：最低的不滿帶價(jià)帶：最高的滿帶禁帶：價(jià)帶最高能級(jí)與導(dǎo)帶最低能級(jí)之間的能量間隙滿帶：所有能級(jí)全被2N個(gè)電子所充滿的能帶空帶：無(wú)電子填充的能帶允帶：允許電子能量存在的范圍20ppt課件為什么金屬能夠?qū)щ姡繜o(wú)外電場(chǎng)時(shí)滿帶不滿帶E(k)v(k)kkE(k)kv(k)k在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，無(wú)論是滿帶還是非滿帶電子對(duì)電流的貢獻(xiàn)均為零，故晶體中無(wú)宏觀電流。21ppt課件E(k)v(k)kk有外電場(chǎng)時(shí)滿帶不滿帶E(k)kv(k)k在外電場(chǎng)作用下：滿帶電子沒有導(dǎo)電作用；而在非滿帶中的電子運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生電流。為什么金屬能夠?qū)щ姡?2ppt課件第一節(jié)金屬的導(dǎo)電性

晶體的能帶理論

金屬的導(dǎo)電機(jī)制馬基申定則影響因素23ppt課件2.金屬的導(dǎo)電機(jī)制金屬純金屬、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。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24ppt課件Mg金屬電子能帶3s3pNa金屬電子能帶3s3pAl金屬電子能帶3p3s滿電子能帶半滿帶滿電子能帶空帶存在導(dǎo)帶滿帶和空帶重疊滿電子能帶允帶滿帶和允帶重疊幾種典型金屬的能帶25ppt課件實(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(guò)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)缺陷的相互作用金屬中的電阻基本電阻0K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26ppt課件電子-聲子~與T成正比電子-缺陷~與T無(wú)關(guān)27ppt課件第一節(jié)金屬的導(dǎo)電性

晶體的能帶理論金屬的導(dǎo)電機(jī)制

馬基申定則影響因素28ppt課件3.馬基申定則為金屬的基本電阻率，與溫度有關(guān)；為化學(xué)缺陷和物理缺陷引起的殘余電阻率，與溫度無(wú)關(guān)。聲子散射和電子散射雜質(zhì)和缺陷上的散射反映了金屬的純度和完整性29ppt課件常常采用相對(duì)電阻率晶體越純，越完善，相對(duì)電阻率越大，許多完整的金屬單晶可得到高達(dá)2×l04的相對(duì)電阻率。

對(duì)理想的金屬（沒有缺陷和雜質(zhì)），其電阻率在絕對(duì)零度時(shí)為零；

金屬的電阻率隨溫度升高而增大；

高溫時(shí)金屬的電阻率取決于，低溫時(shí)取決于。30ppt課件金屬中的電導(dǎo)與熱導(dǎo)魏德曼-弗蘭茲定律

傳導(dǎo)方式：自由電子運(yùn)動(dòng)熱阻或電阻的起因：電子–電子之間的碰撞低溫下的電阻或熱阻：都與電子–聲子之間的碰撞有關(guān)電導(dǎo)率熱導(dǎo)率31ppt課件第一節(jié)金屬的導(dǎo)電性

晶體的能帶理論金屬的導(dǎo)電機(jī)制馬基申定則

影響因素

32ppt課件4.影響導(dǎo)電性的因素溫度的影響受力情況的影響冷加工的影響晶體缺陷的影響熱處理的影響幾何尺寸效應(yīng)的影響33ppt課件溫度對(duì)金屬電阻的影響一般規(guī)律過(guò)渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變鐵磁金屬的電阻-溫度關(guān)系的反常34ppt課件

一般規(guī)律1——理想金屬晶體2——含有雜質(zhì)的金屬3——含有晶體缺陷的金屬35ppt課件在室溫和更高溫度下，非過(guò)渡金屬的電阻率：非過(guò)渡族金屬的電阻—溫度曲線電子-聲子散射電子-電子散射電阻溫度系數(shù)電阻—溫度關(guān)系在低溫條件下較復(fù)雜，室溫以上則較簡(jiǎn)單。36ppt課件電阻溫度系數(shù)0~T℃溫區(qū)的平均溫度系數(shù)在溫度T時(shí)的真電阻溫度系數(shù)為純金屬：α≈4×10－3過(guò)渡族金屬，特別是鐵磁性金屬α較高Fe：6×10－3Co：6.6×10－3

Ni：6.2×10－3

37ppt課件過(guò)渡族金屬

過(guò)渡族金屬的電阻可以認(rèn)為是由一系列具有不同溫度關(guān)系的成分疊加而成。

過(guò)渡族金屬的反常往往是由兩類載體的不同電阻與溫度關(guān)系決定的。38ppt課件多晶型轉(zhuǎn)變多晶型金屬電阻率與溫度的關(guān)系線性關(guān)系只保持到350℃850~900℃出現(xiàn)了多晶型轉(zhuǎn)變?？昭▽?dǎo)電線性關(guān)系破壞39ppt課件鐵磁金屬的電阻-溫度關(guān)系反常

鐵磁金屬在居里點(diǎn)θ

附近電阻率溫度系數(shù)存在著極大值。

原因：與自發(fā)磁化有關(guān)40ppt課件Ni和Pd的與溫度的關(guān)系41ppt課件溫度對(duì)具有磁性轉(zhuǎn)變金屬比電阻和電阻溫度系數(shù)的影響42ppt課件受力情況的影響

拉力的影響

壓力的影響在彈性范圍內(nèi)單向拉伸或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力能提高金屬的ρ。對(duì)大多數(shù)金屬來(lái)說(shuō)，在受壓力情況下電阻率降低。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43ppt課件

正常金屬元素

反常金屬元素電阻率隨壓力升高而下降，如Fe、Co、Ni、Rh、Pd、Cu、Ag等。電阻率隨壓力升高到一定值后下降，即電阻率有極大值，如堿金屬、堿土金屬、稀土金屬和第Ⅴ族的半金屬等。與壓力作用下的相變有關(guān)44ppt課件R/R0R/R0p×10-8Pap×10-8Pa正常元素反常元素45ppt課件冷加工對(duì)金屬電阻的影響

冷加工變形使純金屬電阻率增加

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

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低溫時(shí)用電阻法研究金屬的冷加工更為有效46ppt課件晶體缺陷對(duì)電阻的影響

晶體缺陷（空位、位錯(cuò)、間隙原子等）會(huì)使金屬電阻率增加

點(diǎn)缺陷引起的殘余電阻率變化遠(yuǎn)比線缺陷的影響大

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)密度變化之間呈線性關(guān)系47ppt課件空位、位錯(cuò)對(duì)一些金屬電阻率的影響48ppt課件熱處理對(duì)金屬電阻的變化一般，淬火使晶格畸變，電阻增加，退火使畸變回復(fù)．電阻降低。當(dāng)退火溫度接近再結(jié)晶溫度時(shí)，電阻可恢復(fù)到接近冷加工前的水平；但當(dāng)退火溫度高過(guò)再結(jié)晶溫度時(shí)，電阻反又增大，原因是再結(jié)晶后新晶粒的晶界阻礙了電子運(yùn)動(dòng)。淬火能夠固定金屬在高溫時(shí)空位的濃度，從而產(chǎn)生殘余電阻。淬火溫度愈高空位濃度愈高，則殘余電阻率就越大。49ppt課件冷加工變形Fe的電阻在退火時(shí)的變化退火溫度/℃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%50ppt課件幾何尺寸的影響隨著鉬、鎢單晶體厚度變薄，4.2K時(shí)晶體的電阻增大薄膜試樣的電阻率