无机材料物理性能第9讲ppt课件.ppt

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1、6.无机材料的电导,6.1 概述 6.2 电导的物理现象6.3 离子电导6.4 电子电导6.5 玻璃态电导6.6 无机材料的电导6.7 半导体陶瓷的物理效应6.8 超导体,本章的关键：理解并掌握如下公式的含义,要理解电导，必须明确：,1、参与导电的是那种载流子?载流子类别。,2、载流子的数量有多大?载流子浓度、载流子产生过程。,3、载流子迁移速度的大小?载流子输运过程。,6.1 概述,电学性能：材料受到某种或几种因素作用时，材料内部的带电粒子（载流子）发生相应的定向运动或者空间分布状态发生变化，由此导致宏观上出现电荷输运或电荷极化的现象。,电学性能包括：导电性、超导电性、介电性、磁电性、热电性

2、、热释电性、压电性和光电性等。,导电性：在电场作用下，材料中的带电粒子发生定向移动从而形成宏观电流的现象，属于材料的电荷输运的特性。,材料电学性能的应用,6.2 电导的物理现象,一、电导的宏观参数,欧姆定律示意图,1、电导率和电阻率,电导率：,E：V/cm,电阻率：,欧姆定律的微分形式：,注意：并非所有材料器件的导电性都服从欧姆定律，如：单项导通的二极管、具有放大作用的晶体管等器件。,电导率和电阻率的意义,意义：是材料的本征参数，与材料的形状尺寸无关，从而可以用来评价和比较材料的导电性。,根据材料的电导率可把材料分为：超导体：1015-1.m-1导体：在108104-1.m-1半导体：在106

3、10-6-1.m-1绝缘体：在10-810-20-1.m-1,注意：不同类别材料的导电性之间的界线有交叉重叠，不同资料中给出的界线也不完全一致。,2、体积电阻和体积电阻率,电流:,电阻:,板状样品：,h板状样品的厚度(cm)；S板状样品的电极面积(cm2)；v体积电阻率。,管状试样的体积电阻,圆片试样,g,精确测定结果:,板状式样：,3、表面电阻和表面电阻率,圆片试样：,4、单电桥法(略),5、双电桥法（略）,6、电位差计法（略）,7、直流四端电极法,适用于中高电导率的材料，能消除电极非欧姆接触对测量结果的影响。,该式在试样尺寸比探针间距近似无限大的情况下成立，实际上当试样的厚度及任一探针与试

4、样最近边界的距离至少大于4倍探针间距时，即可认为满足上述要求。若测量薄膜等试样，该式中需引入修正因子（详见教材P163-164）。,8、直流四探针法,二、电导的物理特性,1、载流子,任何一种物质，只要存在带电荷的自由粒子载流子，就可以在电场下产生导电电流。金属中：自由电子无机材料中：电子（负电子/空穴）电子电导离子（正、负离子/空位）离子电导,材料的导电现象，其微观本质就是载流子在电场作用下的定向迁移！,（1）霍尔效应（1879年G.Hall发现）,现象：置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电势差，这种现象称霍尔效应。原因

5、：源于电子在磁场作用下产生的横向移动。意义：证实了电子的粒子性，是电子电导的特征，利用其检验材料是否存在电子电导。,JX,Z,霍尔系数,电导率,霍尔迁移率,（2）电解效应,离子电导的特征。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，产生新物质，这就是电解现象。法拉第电解定律：电解物质与通过的电量成正比。g=CQ=Q/F,g为电解物质的量，Q为通过的电量，C为电化学当量，F为法拉第常数。利用电解效应可以检验材料是否存在离子导电可以判定载流子是正离子还是负离子,2、迁移率和电导率的一般表达式,该式反映了电导率的微观本质，即宏观电导率与微观载流子的浓度、每一种载流子的电荷量以及每一种

6、载流子的迁移率的关系。,（迁移率：载流子在单位电场中的迁移速度）,6.3 离子电导,离子电导：带电荷的离子载流体在电场作用下的定向运动。晶体的离子电导主要有两类：、固有离子电导（本征电导）：源于离子自身随着热振动离开晶格形成热缺陷。（高温下显著）、杂质电导：由固定较弱的离子运动造成的，主要是杂质离子。（较低温度下，杂质电导显著）,1、本征电导：载流子弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。,一、载流子浓度,弗仑克尔缺陷：离子进入晶格间隙，空位和间隙离子成对产生，FF Fi+VF肖特基缺陷：离子跃迁到晶体表面，正负离子空位成对产生，0 VNa+VCl,（1）弗仑克尔缺陷 弗仑克尔缺陷浓度：Ef：形成一个弗仑克

7、尔缺陷（即同时生成一个填隙离子和一个空位）所需要的能量。,（2）肖特基缺陷 肖特基缺陷浓度：Es：离解一个阴离子和一个阳离子并到达表面所需能量。,热缺陷的浓度取决于温度T和离解能E。在高温下，热缺陷浓度显著大起来，本征电导才显著。E与结构有关，一般肖特基缺陷较弗仑克尔缺陷形成能低很多，容易形成。在结构较为疏松，离子半径很小的的情况下，才能形成弗仑克尔缺陷。,2、杂质电导,杂质离子的存在，增加了电流载体数，而且使点阵发生畸变，杂质离子离解活化能变小。杂质载流子的浓度决定于杂质的数量和种类。低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定。,二、离子迁移率,离子电导的微观机构 离子的扩散。如：间隙离

8、子在晶格间隙的扩散过程就构成了宏观的离子“迁移”。,间隙离子的势垒,U0一般相当大，远大于一般的电场能 热运动能是间隙离子迁移所需要能量的主要来源。通常热运动平均能量仍比U0小很多。,疑问?,可用热运动的涨落现象来解释！,某一间隙离子单位时间内某一方向跃迁的次数：,v0：间隙离子在半稳定位置上的振动频率,间隙离子的势垒变化（a）无电场；（b）施加外电场E,（波尔兹曼统计规律）,在/2距离上，顺电场和逆电场方向跃迁次数：,剩余跃迁次数：,速度：,代入上式，得：,UkT时,相邻半稳定位置间的距离（cm），等于晶格距离v0 间隙离子的振动频率(s-1)q 电荷数(C)k=0.8610-4(eV/)U

9、0 无外电场时的间隙离子的势垒（e）,上式各物理量的意义：,离子迁移率：,三、离子电导率,1、离子电导的一般表达式,其中Ws称为电导活化能，它包括缺陷形成能和迁移能。在温度不高时，可以认为As为常数，因而电导率由指数项决定。,本征离子电导：,杂质离子电导：,杂质电导率比本征电导率大得多，因而离子晶体中，主要以杂质电导为主。,若物质存在多种载流子，其总电导率为：,2、扩散与离子电导,（1）离子扩散机构,空位扩散：较为容易。间隙扩散：较难进行。亚晶格扩散：比较容易产生。,（2）能斯脱-爱因斯坦方程,扩散系数与离子迁移率的关系：,D扩散系数 B离子绝对迁移率,四、离子电导率的影响因素,呈指数关系，随

10、温度升高，电导率迅速增大。低温下，杂质电导占主要地位(曲线1)；高温下，固有电导起主要作用。,杂质离子电导与温度的关系,注：刚玉瓷在低温下，发生杂质离子电导，在高温下主要为电子电导，这种情况下也会出现转折点。,1、温度,2、晶体结构,活化能大小取决于晶体间各粒子的结合力，而晶粒结合力受下列因素影响：离子半径：离子半径小，结合力大离子电荷：电价高，结合力大堆积程度：结合愈紧密，可供移动的离子数目就少，且移动也要困难些，可导致较低的电导率,3、晶格缺陷,离子晶体具有离子电导的必要条件：电子载流子的浓度小；离子晶格缺陷浓度大，并且参与导电。,晶格缺陷生成的主要原因：热激励形成晶格缺陷；不等价掺杂形成

11、晶格缺陷；正负离子计量比随着气氛的变化发生偏离，形成非化学计量比，因而产生晶格缺陷,固体电解质简介定义具有离子电导的固体物质称为固体电解质,固体电解质的电导以离子电导为主，但或多或少地具有电子电导，因此：,=i+e,离子迁移数：ti=i/=i/(i+e)电子迁移数：te=e/=e/(i+e),迁移数表征各种载流子对总电导贡献的比例！,固体电解质的分类,银离子、铜离子、钠离子、氧离子等,晶体、玻璃,储能类、传感器类,高温固体电解质、低温固体电解质,固体电解质一般有如下特征数据：,离子电导率应在10-2102 S/m范围；,传导离子在晶格中的活化能很低，约在0.010.1eV之间。,离子电导小结,1、本征电导即离子、空位等的产生，在高温下十分显著；杂质离子是弱联系离子，故在较低温度下杂质电导表现得很显著。2、A、本征电导中晶体的热缺陷主要有两类：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷；B、杂质离子的浓度决定于杂质的数量和种类。3、正离子顺电场方向“迁移”容易，反电场方向“迁移”困难。4、离子晶体的电导主要为杂质电导。5、离子扩散机构主要有：1、空位扩散；2、间隙扩散；3、亚晶格间隙扩散,6、影响离子电导率的因素：A、温度，在低温下，杂质电导占主要地位；高温下，固有电导起主要作用。B、晶体结构，关键点：活化能大小决定于晶体间各粒子结合力。C、晶体缺陷,