金屬材料的導(dǎo)電性

1、中國礦業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章 材料的電學(xué)性能在許多情況下，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。 n 長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： n 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。 n 作為太陽能電池的半導(dǎo)體對其導(dǎo)電性能的要求更高，以追求盡可能高的太陽能利用效率。 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)電性什么是材料的導(dǎo)電性？EJSLRLSR1導(dǎo)電導(dǎo)電電阻電阻電阻率電阻率電導(dǎo)率電導(dǎo)率能

2、夠攜帶電荷的粒子稱為載流子u 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體中載流子電子 u 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)電場作用發(fā)生 定向移動(dòng)的結(jié)果。歐姆定律歐姆定律一些材料在室溫下的電阻率材料按電性能分類:導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體導(dǎo)導(dǎo) 體體 純金屬的電阻率在108 107 m 金屬合金的電阻率為107 105 m半導(dǎo)體半導(dǎo)體 電阻率為103 10+5 m絕緣體絕緣體 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)。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 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)展起來的，它

3、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)電子在周期性勢場中的運(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)成等效勢場能帶理論的出發(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)電子能級分裂，形成了能帶。能量能量能帶能帶能帶能帶禁帶禁帶平衡間距平衡間距原子間距原子間距能級能級能級能級孤立原子孤立原子的能級的能級電子的填充規(guī)則n電子填充在一系列準(zhǔn)連續(xù)分布的能級上，服從泡利不相容原理，即依次

4、從低向上填充，每一個(gè)能級上最多可填充2個(gè)電子；n電子的分布服從費(fèi)米-狄拉克分布：n電子占據(jù)幾率為1/2的能級位置稱為費(fèi)米能級，它反映了電子的填充水平。1exp1BFiiTkEEf電子的某一能級上的分布幾率：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。費(fèi)米能級金屬、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 5 eV半導(dǎo)體的禁帶一般小于 3 eV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5 eV）。特征：禁帶寬

5、度較窄（低于2.0 eV）。常用術(shù)語導(dǎo)帶：最低的不滿帶價(jià)帶：最高的滿帶禁帶：價(jià)帶最高能級與導(dǎo)帶最低能級之間的 能量間隙滿帶：所有能級全被2N個(gè)電子所充滿的能帶空帶：無電子填充的能帶 允帶：允許電子能量存在的范圍 為什么金屬能夠?qū)щ?？無外電場時(shí)滿帶不滿帶E(k)v(k)kkE(k)kv(k)k在無外電場作用時(shí)，無論是滿帶還是非滿帶電子對電流的貢獻(xiàn)均為零，故晶體中無宏觀電流。E(k)v(k)kk有外電場時(shí)滿帶不滿帶E(k)kv(k)k在外電場作用下：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?？第一?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

6、素 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)性能的研究對象Mg 金屬電子能帶金屬電子能帶3s3pNa 金屬電子能帶金屬電子能帶3s3pAl 金屬電子能帶金屬電子能帶3p3s622221pss13s滿滿電電子子能能帶帶半半滿滿帶帶622221pss23s03p滿滿電電子子能能帶帶空空帶帶存在導(dǎo)帶存在導(dǎo)帶滿帶和空帶重疊滿帶和空帶重疊622221pss1233ps滿滿電電子子能能帶帶允允帶帶滿帶和允帶重疊滿帶和允帶重疊幾種典型金屬的能帶實(shí)際晶體總會有雜質(zhì)，存在缺陷。傳導(dǎo)電子在輸運(yùn)過程中的散射：電子

7、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基本電阻0 K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)。殘余電阻殘余電阻中國礦業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院IStrained region by impurity exerts ascattering forceF= d(PE)/dxTwo different types of scattering processes involving scattering fromimpurities alone and thermal vibrations alone.電子-聲子與T 成正比

8、電子-缺陷與T 無關(guān)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 3. 馬基申定則 i殘Ti T殘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常常采用相對電阻率晶體越純，越完善，相對電阻率越大，許多完整的金屬單晶可得到高達(dá)2l04的相對電阻率。u 對理想的金屬（沒有缺陷和雜質(zhì)），其電阻率在絕對 零度時(shí)為零；u 金屬的電阻率隨溫度升高而增大；u 高溫時(shí)金屬的電阻率取決于 ，低溫時(shí)取決于 。 T殘kk2 . 4300/金屬中的電導(dǎo)與熱導(dǎo)LTlvmen*2*2魏德曼 - 弗

9、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)jjjjlc31電導(dǎo)率電導(dǎo)率熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率第一節(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 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)的影響溫度對金屬電阻的影響一般規(guī)律過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 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 殘T在室溫和更高溫度在室溫和更高溫度下，非過渡金屬的下，非過渡金屬的電阻率：電阻率：非過渡族金屬的電阻溫度曲線電子-

10、聲子散射電子-電子散射TT10電阻溫度系數(shù)電阻溫度關(guān)系在低溫條件下較復(fù)雜，室溫以上則較簡單。電阻溫度系數(shù)dTdTT1TT000 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：純金屬： 4103過渡族金屬，特別是鐵磁性金屬過渡族金屬，特別是鐵磁性金屬較高較高Fe：6103Co ：6.6103 Ni ：6.2103 過渡族金屬n 過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。n 過渡族金屬 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。)(T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)電空穴導(dǎo)電線性關(guān)

11、系破壞線性關(guān)系破壞鐵磁金屬的電阻 - 溫度關(guān)系反常n 鐵磁金屬在居里點(diǎn) 附近電阻率溫度系數(shù)存在 著極大值。n 原因：與自發(fā)磁化有關(guān)2sMD/Ni和Pd的 與溫度的關(guān)系溫度對具有磁性轉(zhuǎn)變金屬比電阻和電阻溫度系數(shù)的影響受力情況的影響10p10應(yīng)力系數(shù)n 拉力的影響n 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。對大多數(shù)金屬來說，在受壓力情況下電阻率降低。壓力系數(shù)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n 正常金屬元素n 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

12、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、稀土金屬和第族的半金屬等。與壓力作用下的相變有關(guān)R/R0R/R0p10-8 Pap10-8 Pa正常元素反常元素冷加工對金屬電阻的影響n 冷加工變形使純金屬電阻率增加n 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n 對Ni-Cu，Ni-Cu-Zn，F(xiàn)e-Cr-Al等合金，冷加工 變形則使電阻降低T低溫時(shí)用電阻法研究金屬的冷加工更為有效晶體缺陷對電阻的影響n 晶體缺陷（空位、位錯(cuò)、間隙原子等）會使金屬 電阻率增加n 點(diǎn)缺陷引起的殘余電阻率變化遠(yuǎn)比線缺陷的影響大n 對多數(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)系空位、位錯(cuò)對一些金屬電阻率的影響熱處理對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。冷加工變形Fe的電阻在退火時(shí)的變化退火溫度退火溫度/%/1RR1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 %幾何尺寸的影響KKRR2 . 4273