9-离子导电-四探针法详解.ppt

直流四探针法－仪器 电阻法分析应用－固溶度曲线 * 作业 1.设离子晶体晶格常数为0.5nm，振动频率为1012(Hz)，势垒u=0.5eV，求室温（T=300k)下离子的迁移率。 2.根据下表的数据，计算NaCl的电导率(设T=300k)。 3.假定将一个Na原子由Na晶体内部移至表面所需能量为1eV，计算300k下肖特基空位的浓度。 4.除离子晶体外，以其它方式（如共价键）结合的晶体是否存在典型的离子导电性？ 5. 书 p95，12题 §2.3 离子导电 一. 引言 电子导电－金属和半导体材料的导电，Hall效应是特征。 离子导电－离子和空穴在电场的作用下，通过材料的长距离的迁移。 一般讨论离子型晶体的导电。这类晶体往往含有电负性弱的金属原子和电负性强的O、F。电荷载流子一定是材料中最易移动的离子。例如，硅化物玻璃，可移动的载流子一般是SiO2基体中的一价阳离子，如Na＋（发绿玻璃）、K＋（发黄玻璃）。在多晶陶瓷材料中，晶界碱金属原子的迁移是离子导电机制的主体。电解效应是特点。 电负性－表示原子与电子相结合的趋向。 以分子键、氢键结合的晶体的导电情况？ 载流子－带电荷的正负离子。 本征导电－晶体点阵的基本离子，由于热振动离开晶格，形成热缺 陷（离子或空穴），在电场作用下成为导电的载流子。 杂质导电－杂质离子与晶格联系弱，晶体中载流子主要是杂质。在 较低的温度下起主要导电作用。 本征导电 杂质导电 电解效应－离子导电的特征是存在电解效应。离子的迁移伴随着一 定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产生新的物质。 离子电导的特征是具有电解效应。 利用电解效应可以检验 材料是否存在离子导电 载流子是正离子还是负离子 1F = 96500库仑 二.离子导电理论 1. 载流子浓度 (1) 本征电导－载流子（离子和空位）由晶体本身热缺陷提供。 Frenkel defect：晶体内部的离子由于热运动离开点阵跳进间隙位置，形成填隙离子，留下个空位。由这种方式产生空位和间隙离子，Frenkel首次提出。常存在于纯净的卤化银晶体中。填隙离子与空穴浓度相等。 N为单位体积内的格点数，Ef为形成一个Frenkel缺陷（即同时生成一个间隙离子和一个空位）所需要的能量，k为Boltzman常数，T为绝对温度。 Schottky defect：将完整晶体内部格点上的一个离子转移到晶体表面的一个格点上，在晶体中单独产生一个空位，即肖特基缺陷。常存在于纯净的卤化碱晶体中。 N为单位体积内离子对数目，Es为离解一个阴离子和阳离子并达到表面所需要的能量。 常温下，kTE，只有在高温下，热缺陷浓度才明显大起来，固有电导才显著。 也有书用-Es/kT (2) 杂质电导:载流子浓度取决于杂质的数量和种类。离子活化能小， 低温下起主导作用。 2.离子迁移率 如图，以间隙离子为例，讨论离子的迁移。间隙离子处于间隙位置时，受周围离子的作用，处于一定的平衡位置。它要从一个平衡位置进入相邻的平衡位置，需克服高度为u的势垒。 由于u相当大(1eV～104K)，通常热运动的平均能量和离子在一般电场强度下获得的能量比u小得多。所以用量子力学的热运动涨落来解释离子的位移。 根据量子力学和Boltzman统计规律，无外场时，单位时间内间隙离子沿某一方向跃迁的次数（即离子由于热运动而越过势垒跃迁到邻近间隙位置的几率）为 位置x △u 电场E b -b u 势垒V 无电场E 对跃迁几率的理解： 间隙位置上的杂质原子，位于高度为u的势阱内。温度为T时，由于热涨落，1s内此原子仅在exp(-u/kT)的那部分时间内具有足够高的热能越过势垒。若以ν表示原子的特征振荡频率，则在1s内某一个时刻原子具有足够的热能而越过势垒的概率为 在1s时间内，原子对势垒进行ν次冲击，而每次尝试中越过势垒的概率是exp(-u/kT)。P称为跃迁频率（1s内的概率）。 加电场E，晶体中间隙离子的势垒不再对称，电荷为q的离子在电场E中的附加能量为-qEx。所以X方向势垒的变化如图所示。 ν0 为间隙离子在稳定位置上振动的频率。 无外场时，向各方向的迁移次数相同，宏观上无电荷定向运动，介质中无电导现象。 z，离子价。由此，在一维平行于电场的x方向，一个间隙离子的剩余跃迁次数为 对正离子，x正方向， 对正离子，x负方向， 表示1s内△p个正离子沿x正方向移动距离b（一个晶格常数）。 故载流子沿电场方向的迁移率为 每跃迁一次的距离为b，所以载流子沿电场方向的迁移速度v为