材料电学性能PPT学习教案.pptx

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1、会计学 1材料(cilio)电学性能第一页，共41页。2 2、电导率 电导率(electrical conductivity)(electrical conductivity)(1)(1)电导是指真实电荷在电场 电导是指真实电荷在电场(din ch(din ch ng)ng)作用下在 作用下在介质中的迁移，它是衡量材料电导能力的表观物理 介质中的迁移，它是衡量材料电导能力的表观物理量。量。单位：单位：S.m-1,S.m-1,即：（即：（.m.m）-1-1 R=R=L/S=L/S L/S=L/S 根据电导率对材料的分类 根据电导率对材料的分类表4-19 材料(cilio)的分类及其电导率材料 电

2、阻率/.m 电导率/S.m-1超导体导体半导体绝缘体010-8-10-510-5-10 710 7-10 2010 5-10 810-7-10 510-20-10-7第1页/共41页第二页，共41页。各种(zhn)材料在室温的电导率金属和合金(-1.m-1)非金属(-1.m-1)银铜，工业纯金铝,工业纯 Al-1.2%,Mn 合金钠钨，工业纯黄 铜（70%Cu-30%Zn镍,工业纯纯铁,工业纯钛,工业纯TiC不锈钢，301型镍 铬 合 金(80%Ni-20%Cr）6.3*1075.85*1074.25*1073.45*1072.96*1072.1*1071.77*1071.66*1071.46

3、*1071.03*1070.24*1070.17*1070.14*1070.093*107石墨SiC锗，纯硅，纯苯酚甲醛（电木）窗玻璃氧化铝（Al2O3）云母甲基丙烯酸甲酯氧化铍（BeO）聚乙烯聚苯乙烯金刚石石英玻璃聚四氟乙烯105(平均)10 2.24.3*10-410-7-10-1110-1010-10-10-1210-11-10-1510-1210-12-10-1510-1410-1410-1410-1610-16第2页/共41页第三页，共41页。（）决定电导率的基本参数（）决定电导率的基本参数 parameters parameters电导率与两个基本参数相关，即载流子密度和载流子迁移

4、率 电导率与两个基本参数相关，即载流子密度和载流子迁移率 载流子 载流子 charge carrier charge carrier 电子、空穴、正离子、负离子 电子、空穴、正离子、负离子 载流子数 载流子数 charge carrier density-n,charge carrier density-n,个 个/m3/m3 载流子迁移率 载流子迁移率 electron mobility electron mobility(其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度 其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度)即：即：=/E=/E 单位为 单位为m2/(v.s)m2/(v.s)电流密度 电流密度

5、（单位时间（单位时间（1s 1s）通过单位截面积的电荷量）通过单位截面积的电荷量）J J nqv nqvn n：单位体积内的载流子数；：单位体积内的载流子数；q q：每一载流子的荷电量；：每一载流子的荷电量；v v：每一载流子在方向：每一载流子在方向(fngxing)(fngxing)发生漂移的平均速度（发生漂移的平均速度（m/s m/s）电导率 电导率=J/E=nqv=J/E=nqv E=nq E=nq 更一般(ybn)的表达式为：第3页/共41页第四页，共41页。qi 是第 i 种载流子的荷电量(dinling)，负电子、正空穴、正负离子都可以是诱导电流的载流子。该式反映电导率 的微观本质

6、，即宏观电导率 与微观载流子的浓度 n，每一种载流子的电荷量 q 以及每种载流子的迁移率 的关系。第4页/共41页第五页，共41页。4-3-2 材料(cilio)的结构与导电性 Structures and Conductivity1、材料的电子(dinz)结构与导电性 能带理论重迭(zhn di)分离外层电子能级N个原子N个能级固体理论指出:（1）在无外场作用时,无论绝缘体、半导体或导体都无电流；（2）在外场作用下，不满带导电而满带不导电。由此可得出一个区别导体和绝缘体的原则，即固体中虽然有很多电子，但是如果一个固体中的电子恰好充填某一能带及其下面的一系列能带，并且在此之上相隔一个较宽禁带的

7、其他能带都是空的，那么它就是绝缘体，相反，如果电子未能填满最高的能带，或者能带之间有重叠，结果就会形成导体。第5页/共41页第六页，共41页。导体(dot)（半满带）导体(dot)（满带与空带有重叠）绝缘体 半导体第6页/共41页第七页，共41页。（1）导体conductor碱金属锂、钠、钾钠（1S22S22P63S1）：它是属于不满带的情况，故为导体，其中每个原子都有一个(y)s价电子，众多原子聚合成固体后，s能级将分裂成很宽的s能带，而且是半充满的。碱土金属铍、镁、钙镁（1S22S22P63S2）：虽然每个原子的s能带是满的，但它不是绝缘体而是导体，因为它们的s能带与较高的能带3P有交叠的

8、现象，故能导电。但是重叠程度有差异，例如钙的上、下两个能带重叠的部分很小，因而是不良导体。贵金属铜、银、金铜（1S22S22P63S23P63d104S1）：它们都有一个(y)s态价电子，因d层填满，原子恰如钢球，不易压缩，贵金属等的价电子数是奇数，本身的能带也没有填满，故为良导体。过渡金属铁、镍、钴铁（3S23P63d74S2）：具有未满的d层，过渡金属的d层能夺取较高的s带中的电子而使能量降低，即d层和s层往往会产生能级交叉现象，故有导电性。第7页/共41页第八页，共41页。（2 2）绝缘体 绝缘体 insulator insulator绝缘体的能带结构具有下列特征：在满带与导带之间存在一

9、个较大的禁带，约大于6.40810-19J，禁带宽度依物质不同而异，禁带越宽，绝缘性越好。无机绝缘体对温度的稳定性较好有机绝缘体随温度升高会发生热解，在多数情况下因游离(yul)出碳而使绝缘体变性。第8页/共41页第九页，共41页。（3）半导体 Semiconductors 本征半导体 Intrinsicsemiconductors半导体的禁带宽度较小，约在.附近。例如室温下硅为.，故在室温由晶体中原子的振动(zhndng)就可使少量电子受到热激发，从满带跃迁到导带，即在导带底部附近存在少量电子，从而在外电场下显示出一定导电性。半导体在一般条件下就具有一定的导电能力，这是与绝缘体的主要区别。实

10、际上，半导体在外电场下显示出的传导性能，不仅与激发到导带中的电子有关，还与满带的空穴有关。半导体的一个电子从价带激发到导带上，便产生两个载流子，即形成空穴电子对，这是与金属导电的最大区别。第9页/共41页第十页，共41页。载流子：自由电子(z yu din z)，负电荷 空穴，hole，正电荷carrier第10页/共41页第十一页，共41页。杂质(zzh)半导体 extrinsic semiconductorn型半导体 n-TYPE EXTRINSIC SEMICONDUCTION 在Si、Ge等四价元素中掺入少量五价元素P、Sb、Bi、As等，因价电子多出一个(y)，在导带附近会形成由杂质

11、造成的能级。这种杂质能级与导带之间的禁带宽度很窄，故多余的一个(y)电子在室温下就可跃迁到导带上去。这类电子型导电的半导体，称为n型半导体。Section 12.11第11页/共41页第十二页，共41页。p型半导体 p-TYPE EXTRINSIC SEMICONDUCTION 在四价元素Si、Ge等中掺入少量三价元素B、Al、Sc、Y，在价带附近形成(xngchng)掺杂的能级，因缺少一个电子，以少许的能量就可使电子从价带跃迁到掺杂能级上，相应地在价带中则形成(xngchng)一定数量的空穴，这些空穴可看成是参与导电的带有正电的载流子。这种空穴型导电的半导体，称为p型半导体。第12页/共41

12、页第十三页，共41页。本征半导体 n型半导体 p型半导体第13页/共41页第十四页，共41页。半导体的导电性能取决于传导电子数和空穴数。掺入的杂质的种类和数量可控制半导体的导 半导体的导电性能取决于传导电子数和空穴数。掺入的杂质的种类和数量可控制半导体的导电类型和电导率。电类型和电导率。本征半导体：在外界能量作用下电子从满带激发到导带从而具有半导体性质，属于电子和空 本征半导体：在外界能量作用下电子从满带激发到导带从而具有半导体性质，属于电子和空穴的混合导电。温度越高，从满带激发至导带的电子数就越多，导带或满带中的载流子数就 穴的混合导电。温度越高，从满带激发至导带的电子数就越多，导带或满带中

13、的载流子数就越大，导电性就越好。越大，导电性就越好。杂质半导体：杂质半导体：在硅晶体中掺磷后，磷原子很容易贡献出一个电子进入导带，使硅晶体成为电子型导电。每 在硅晶体中掺磷后，磷原子很容易贡献出一个电子进入导带，使硅晶体成为电子型导电。每个杂质磷原子能提供一个参与导电的电子，故称为施主。施主失去电子后成为正离子，其正 个杂质磷原子能提供一个参与导电的电子，故称为施主。施主失去电子后成为正离子，其正电荷显然是被束缚的，不能自由移动。施主能级靠近导带的下缘。电荷显然是被束缚的，不能自由移动。施主能级靠近导带的下缘。在硅晶体中加入三价元素硼，则硼原子与相邻的四个硅原子以共价键结合时，尚缺少一个电 在

14、硅晶体中加入三价元素硼，则硼原子与相邻的四个硅原子以共价键结合时，尚缺少一个电子。此时硅的满带中的电子由于热激发很容易到达硼原子处，填补所缺的电子。满带中就产 子。此时硅的满带中的电子由于热激发很容易到达硼原子处，填补所缺的电子。满带中就产生了一个空穴，这个空穴可自由移动，是能导电的自由载流子。由于硼原子很容易吸收满带 生了一个空穴，这个空穴可自由移动，是能导电的自由载流子。由于硼原子很容易吸收满带中的电子，故把硼原子称为受主。所以 中的电子，故把硼原子称为受主。所以(su(su y y)掺硼的硅半导体是空穴型导电。受主原子获得 掺硼的硅半导体是空穴型导电。受主原子获得额外的电子后成为负离子，

15、其负电荷也是束缚电荷。受主能级靠近满带的上缘。额外的电子后成为负离子，其负电荷也是束缚电荷。受主能级靠近满带的上缘。第14页/共41页第十五页，共41页。4-3-4 4-3-4 材料 材料(cilio)(cilio)的超导电性 的超导电性(superconductivity)(superconductivity)1 1、超导电性 超导电性(chod(chod odinxng)odinxng)在一定低温下材料突然 在一定低温下材料突然失去电阻的现象 失去电阻的现象（小于目前所能检测的最小电阻率（小于目前所能检测的最小电阻率10-25cm 10-25cm）超导(cho do)现象发现诺贝尔物理奖获

16、得者1913年 Heike Kamerlingh Onnesthe NetherlandsLeidenUniversityLeiden,theNetherlandsb.1853d.19261908年 氮液化-4.2K低温1911年 汞，4.2 K，电阻消失第15页/共41页第十六页，共41页。J.Georg BednorzK.Alexander Muller1/2oftheprize1/2oftheprizeFederal Republic of Germany SwitzerlandIBMResearchLaboratoryR.chlikon,Switzerlandb.1950b.1927在

17、陶瓷（金属氧化物）中发现超导现象，超导研究(ynji)取得重大突破诺贝尔物理奖获得者 1987年，第16页/共41页第十七页，共41页。超导电性的金属和合金(hjn)临界温度 Tc 30 K 钛、钒、锆、铌、钼、钽、钨、铼、铋、铝、锡、镉等 28种。二元合金(hjn)NbTi，Tc810K；NbZr，Tc1011K。三元系合金(hjn)有铌-钛-锆，Tc=10 K；铌-钛-钽，Tc=910K。超导化合物 Nb3Sn，Tc=18185K；Nb3Ge，Tc232K，Nb3（AlGe），Tc207K等 超导电性的金属氧化物 1960s Ba-Y-Cu-O系，35K,1986,Bednorz,Mull

18、er Ba-Y-Cu-O系,100 K,1987,我国赵忠贤等 Hg-Ba-Cu-O系，140 K第17页/共41页第十八页，共41页。超导现象的发现及高温(gown)超导材料超导体临界温度随年代(nindi)的变化 1986第18页/共41页第十九页，共41页。2、超导体的三种特性：完全导电性：例如在室温下把超导体做成圆环放在磁场中，并冷却到低温(dwn)使其转入超导态，这时把原来的磁场去掉，则通过磁感作用，沿着圆环将感生出电流。由于圆环的电阻为零，故此电流将永不衰减，称为永久电流。第19页/共41页第二十页，共41页。零电阻(dinz)的应用:“持久电流(dinli)实验”铅环 1954年

19、3月到1956年9月费勒和密尔斯 核磁共振方法 衰减(shui jin)时间不少于10万年超导输电损耗 15%1000多亿度制造大型磁铁体积小、能耗少、磁场强 第20页/共41页第二十一页，共41页。安装在长通电缆公司的75m高温(gown)超导电缆直流输电(shdin)高温超导电缆结构示意图第21页/共41页第二十二页，共41页。完全抗磁性：处于超导状态的材料，不管其经历如何，磁感应强度 B始终为零，这就是(jish)所谓迈斯纳效应。因此，超导体具有屏蔽磁场和排除磁通的性能。常导态 超导(chodo)态第22页/共41页第二十三页，共41页。实验:浅平锡盘+体积小磁性(cxng)强的永久磁铁

20、锡盘出现(chxin)超导性小磁体离开锡盘表面(biomin)悬浮空中降温磁场畸变，产生浮力小磁铁悬浮在Ba-La-Cu-O超导体（浸在液氮中）上方的照片小磁铁第23页/共41页第二十四页，共41页。超导(chodo)磁悬浮列车：MLX低温超导(chodo)型磁悬浮列车运行速度可500600km/h，每次振动偏差上下不超过03毫米，左右不超过06毫米第24页/共41页第二十五页，共41页。2000年12月，西南交通大学超导技术研究所研制出了世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车“世纪号”，悬浮净高大于20毫米(hom)，时速最高可达每小时300公里。第25页/共41页第二十六页，共41页。约瑟夫森效

21、应(xioyng)：1962年，年仅22岁的英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森（Brian David Josephson）预言，当两个(lin)超导体之间设置一个绝缘薄层构成一个超导结时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。他还总结出：（1）超导结中可以形成无阻的超导电流(dinli)；（2）超导结两端加电压，将产生高频振荡；没有电压降（3）超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。第26页/共41页第二十七页，共41页。MPMS(SQUID)VSM磁学测量(cling)系统超导量子干涉仪（SQUID）用作磁强计，可精确到 10-7 T。为了对这个量级有所理解，可以列举一

22、些例子。地磁场的磁感应强度为 103T；环境磁噪声的磁感应强度为 10-410-1T；人们的肺、心、脑都有一定的生物磁感应强度，分别为 10-1T、10-2T和10-5T。由此可见，比脑磁场还弱 100倍的磁场，SQUID都能准确地测量出来。以心脏为例，心磁图可以衡量直流电效应，而心电图对直流电效应无法感知(gnzh)。并且，磁场测量几乎不受信号源和检测线圈之间夹杂物的影响，所以可以检出局部的信号。第27页/共41页第二十八页，共41页。n n 3 3、三个性能指标、三个性能指标n n 超导转变温度 超导转变温度Tc Tc超导体低于某一温度 超导体低于某一温度c c时，时，n n 便出现完全导

23、电和迈斯纳效应等基本特性。便出现完全导电和迈斯纳效应等基本特性。n n 超导材料转变温度越高越好，越有利于应用。超导材料转变温度越高越好，越有利于应用。n n 临界磁场 临界磁场Hc Hc 破坏超导态的最小磁场。破坏超导态的最小磁场。n n 随温度降低，随温度降低，Hc Hc将增加；将增加；n n 当 当T T Tc Tc时 时,Hc=Hc,01-,Hc=Hc,01-（T/Tc)2 T/Tc)2 n n 临界电流密度 临界电流密度Jc Jc 保持超导状态的最大输入 保持超导状态的最大输入 电流 电流(与 与Hc Hc相关）相关）n n 随着外磁场增加，随着外磁场增加，Jc Jc必须相应减小，以

24、使 必须相应减小，以使n n 它们的总和不超过 它们的总和不超过(chogu)Hc(chogu)Hc值，从而保持超导 值，从而保持超导态 态n n 以上三个性能指标是相互关联的。以上三个性能指标是相互关联的。第28页/共41页第二十九页，共41页。超导体的临界(ln ji)条件强电(qindin)应用典型应用Jc/(A/cm2)磁场/T温度/K故障限流器电机(dinj)发电机(dinj)储能电缆变压器1041051051051051041051052077207720502077657765770.1345455100.20.10.5高温超导线带材不同应用对超导材料性能的要求第29页/共41页

25、第三十页，共41页。4-3-5 4-3-5 材料 材料(cilio)(cilio)的介电性 的介电性(dielectric property)(dielectric property)1介质(jizh)极化、电容、介电常数真空电容 Co=Qo/V 0 A/l 介质(jizh)中电容 CQ/V=A/l。真空电容率(或真空介电常数)，885xl0-12 Fm 介质(jizh)的电容率（或介电常数）A：极板(jbn)面积；l：极板(jbn)间距离第30页/共41页第三十一页，共41页。把电介质引入真空(zhnkng)电容器，引起极板上电荷量增加，电容增大，这是由于在电场作用下，电介质中的电荷发生了再

26、分布，靠近极板的介质表面上将产生表面束缚电荷，结果使介质出现宏观的偶极，这一现象称为电介质的极化。极化原因：电子极化 在外电场作用下，围绕核的电子云中心发生偏离 离子极化 在外电场作用下，阳离子沿电场方向移动，阴离子沿电场的反方向移动，结果使每个化学式单元具有净余偶极矩。取向极化 具有永久电偶极矩的分子倾向于沿外电场排列第31页/共41页第三十二页，共41页。（2）介电常数 dielectricconstant表征电介质贮存电能能力的大小的宏观物理量，是介电材料一个十分重要的性能指标。电介质的相对介电常数 r=C/C0=/0相对电容量，无量纲常数一些材料的 r数值：石英3.8；绝缘(juyun)陶瓷6.0；PE2.3；PVC3.8高分子材料的 r由主链结构中的键的性能和排列所决定的。极性聚合物一般具有较高的 值。第32页/共41页第三十三页，共41页。