第四章___材料的电导性能-101018.ppt

无机非金属材料性能 第一章 材料的力学性能 9第二章 材料的热学性能 9第三章 材料的光学性能 9第四章 材料的电导性能 9第五章 材料的磁学性能 9 第六章 材料的功能转换性能 9 第四章 材料的电导性能 掌握电导率、电阻率、迁移率等概念及影响因素，离子电导、电子电导的本质及影响因素，金属材料及固体材料的电导特性，半导体陶瓷的物理效应 了解导体材料、半导体材料、超导体材料、绝缘材料的应用及发展 电导率、电阻率、迁移率等概念及影响因素 离子的电导、电子的电导本质 固体材料的电导特性 半导体陶瓷的物理效应 1. 载流子的迁移率的物理意义是什么？ 2. 电导率的微观本质是什么？ 3. 什么叫晶体的热缺陷？有几种类型？写出其浓 度表达式？晶体中离子电导分为哪几类？ 4. 载流子的散射有哪几种机构？ 5. 举例说明陶瓷的表面效应和晶界效应。 欧姆定律微分式适用于非均匀导体，表示导体中某点的电流密度正比于该点的电场，比例系数为σ（S?cm-1）。 材料按电导率大小可分为： 绝缘体： σ 10-6S/m 半导体： σ= 10-6～102 S/m 导 体： σ 1 S/m 超导体： σ∝∞ S/m 4.1.2 电导的物理特性 电流是电荷的定向运动，所以有电流必须有电荷的输运过程。 电荷靠什么输送呢？电荷的载体称为载流子。任何一种物质，只要存在载流子，就可以在电场作用下产生导电电流。 物体的导电现象的微观本质是载流子在电场作用下定向迁移。 1、本征电导的载流子浓度 热缺陷——当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热运动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。热缺陷无论是离子或空位都可以在电场作用下定向移动而导电。 弗伦克尔缺陷——正常格点的原子由于热运动进入晶格间隙，而在晶体内正常格点留下空位。空位和间隙离子成对产生，浓度相等。 肖特基缺陷——正常格点的原子由于热运动跃迁到晶体表面，在晶体内正常格点留下空位。对于离子晶体，为保持电中性，正离子空位和负离子空位成对产生，浓度相等。 2、杂质电导的载流子浓度 参加导电的载流子主要是杂质，其载流子浓度决定于杂质的数量和种类。 由于杂质的存在，不仅增加了载流子数，而且使点阵发生畸变，使得离子离解能变小。在低温下，离子晶体的电导主要是杂质电导。 杂质含量相同时，杂质不同产生的载流子浓度不同；而同样的杂质，含量不同，产生的载流子浓度不同。 离子电导的微观机构为离子的扩散(迁移)。 间隙离子在晶格间隙的扩散： 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(半稳定位置)。如果它要从一个间隙位置跃入相邻原子的间隙位置，需克服一个高度为U0的“势垒”。完成一次跃迁，又处于新的平衡位置(间隙位置)上。这种扩散过程就构成了宏观的离子的“迁移”。 2、扩散与离子电导 （1）温度的影响 （2）离子性质及晶体结构的影响 电导率随着电导活化能负指数规律变化，而活化能大小反映离子的固定程度，与晶体结构有关。熔点高、结合能大的晶体，其导电激活能也高，电导率低。 对碱金属化合物，负离子半径增大，正离子激活能降低，电导率提高。 NaF: 216KJ/mol NaCl: 169 KJ/mol NaI: 118 KJ/mol 低价正离子荷电少，活化能低，电导率大；高价正离子价键强，激活能高 ，迁移率低，电导率也低。 结构紧密的离子晶体，可供移动的间隙小，间隙离子迁移困难，活化能高，电导率低。 离子晶体要具有离子电导的特性，必须具备两个条件： ①电子载流子的浓度小； ②离子晶格缺陷浓度大并参与电导。 点缺陷增加导电性。产生离子型点缺陷时，也会有相应的电子型缺陷出现，从而显著影响电导率。 总结: 电流是电荷的定向运动，所以有电流必须有电荷的输运过程。载流子（电荷的载体）为电子和空穴的为电子电导，载流子为正、负离子的为离子电导。 几乎所有的电解质中都或多或少地具有电子电导。 tx表示某一种载流子输运电荷占全部电导率的分数。把离子迁移数ti0.99的导体称为离子导体，把ti0.99的导体称为混合导体。 满带：全部被电子占满的能级。 空带：未被电子占住，全部空着的能级。 未满带：部分被电子占住的能级。 重带：空带与未满带重叠的能级。 禁带：在准连续的能谱上出现能隙Eg。 价带：原子基态价电子能级分裂而成的能带。 导带：相应于价带