離子導(dǎo)電性幾超導(dǎo)性簡(jiǎn)介

1、2.4離子導(dǎo)電性及超導(dǎo)性簡(jiǎn)介2.4.1離子的導(dǎo)電性1.離子的導(dǎo)電機(jī)理及其影響因素 離子的導(dǎo)電性：離子化合物中，帶電的正、負(fù)離子在電場(chǎng)作用下的定向移動(dòng)，稱為擴(kuò)散過程。考察離子在兩個(gè)相鄰的平衡位置（間距為a）的能量差：E=E2-E1=0施加外加電場(chǎng)，對(duì)于化合價(jià)為Z的離子，能量變化為E=E2-E1=-Zea因此，在與電場(chǎng)相同或相反的方向上，離子的移動(dòng)速度分別為TkaZeQavTkaZeQav2exp2exp圖圖2-36 離子化合物中正離子的能量隨著位置的變化以及電場(chǎng)的影響示意圖離子化合物中正離子的能量隨著位置的變化以及電場(chǎng)的影響示意圖（a）無電場(chǎng)作用時(shí)的能量曲線）無電場(chǎng)作用時(shí)的能量曲線（b）在電場(chǎng)作

2、用下能量曲線）在電場(chǎng)作用下能量曲線得到離子平均凈移動(dòng)速度得到離子平均凈移動(dòng)速度得到得到能斯特能斯特-愛因斯坦遷移率：愛因斯坦遷移率：離子的愛因斯坦離子的愛因斯坦-能斯特遷移率能斯特遷移率D為擴(kuò)散系數(shù)，為擴(kuò)散系數(shù)，k是玻爾茲曼常數(shù)是玻爾茲曼常數(shù)離子導(dǎo)電的電導(dǎo)率離子導(dǎo)電的電導(dǎo)率N離子離子是可移動(dòng)離子的體積密度，正比于是可移動(dòng)離子的體積密度，正比于空位體積密度空位體積密度Qf是空位形成能，是空位形成能，N0為與晶體中離子的為與晶體中離子的體積密度相關(guān)的材料常數(shù)。體積密度相關(guān)的材料常數(shù)。TkEaeTkQavB2sinh2expkTDZekTZekTQavexp2kTZDe離子kTQkTDZeNexp0

3、2離子離子TkQNNf0離子exp影響因素：影響因素：（1）溫度影響）溫度影響-溫度升高，離子導(dǎo)電性程指數(shù)規(guī)律增加溫度升高，離子導(dǎo)電性程指數(shù)規(guī)律增加（2）雜質(zhì)影響）雜質(zhì)影響-很少量異價(jià)雜質(zhì)在離子晶體中的引入的結(jié)很少量異價(jià)雜質(zhì)在離子晶體中的引入的結(jié)構(gòu)性空位使構(gòu)性空位使N離子離子顯著的相對(duì)提高，使化合物離子導(dǎo)電性大顯著的相對(duì)提高，使化合物離子導(dǎo)電性大幅度提高幅度提高。如圖。如圖2-37圖圖2-37 異價(jià)雜質(zhì)離子所造成的離子所造成異價(jià)雜質(zhì)離子所造成的離子所造成的離子晶體空位示意圖的離子晶體空位示意圖圖2-38 離子導(dǎo)電性與溫度關(guān)系示意圖 離子化合物晶體的離子導(dǎo)電性隨離子化合物晶體的離子導(dǎo)電性隨溫度變

4、化的典型規(guī)律性曲線。離溫度變化的典型規(guī)律性曲線。離子導(dǎo)電性受溫度影響分為高溫和子導(dǎo)電性受溫度影響分為高溫和低溫兩個(gè)區(qū)間。該溫度特征類似低溫兩個(gè)區(qū)間。該溫度特征類似于摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，高溫于摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，高溫和低溫的分界點(diǎn)是幾段斜率不同和低溫的分界點(diǎn)是幾段斜率不同的直線段的交點(diǎn)。的直線段的交點(diǎn)。高溫下，離子導(dǎo)電性內(nèi)稟導(dǎo)電性高溫下，離子導(dǎo)電性內(nèi)稟導(dǎo)電性類似于半導(dǎo)體材料的內(nèi)稟導(dǎo)電性。類似于半導(dǎo)體材料的內(nèi)稟導(dǎo)電性。較低溫度下，同樣類似于摻雜半較低溫度下，同樣類似于摻雜半導(dǎo)體，有摻雜的離子化合物顯示導(dǎo)體，有摻雜的離子化合物顯示以摻雜特性標(biāo)識(shí)的部分。以摻雜特性標(biāo)識(shí)的部分?！盁o摻雜無摻雜”化合物

5、在較低溫區(qū)域化合物在較低溫區(qū)域表現(xiàn)雜質(zhì)特性，類似于摻雜特性，表現(xiàn)雜質(zhì)特性，類似于摻雜特性，是由于材料中的雜質(zhì)的緣故。是由于材料中的雜質(zhì)的緣故。2.陶瓷材料的導(dǎo)電性陶瓷材料的導(dǎo)電性 陶瓷材料大部分是離子化合物，以正、負(fù)離子作為載流子導(dǎo)電。但離子陶瓷材料大部分是離子化合物，以正、負(fù)離子作為載流子導(dǎo)電。但離子導(dǎo)電并非其唯一的導(dǎo)電機(jī)理，因此化合物陶瓷的導(dǎo)電性變化范圍很大導(dǎo)電并非其唯一的導(dǎo)電機(jī)理，因此化合物陶瓷的導(dǎo)電性變化范圍很大 高電導(dǎo)率陶瓷：ReO3，CrO2，F(xiàn)e3O4, 電導(dǎo)率達(dá)5.0105，3.3104,1.0102（cm）-1類似于金屬 低電導(dǎo)率陶瓷：MgO,Al2O3,SiO2,均小于10

6、-14 （cm）-1類似于絕緣體 半導(dǎo)體類型陶瓷：CoO,NiO,Cu2O,Fe2O3,低溫下為絕緣體電導(dǎo)率低于10-16 （cm）-1 ，2501000K電導(dǎo)率線性增加到10-410-2 （cm）-1，具有大小適當(dāng)?shù)哪軒чg距 電子導(dǎo)電陶瓷：過度族金屬氧物,受到的影響因素與金屬材料相似。不同陶瓷材料導(dǎo)電的微觀機(jī)理一般而言，離子的遷移率很小，一旦陶瓷材料有較多的電子參與導(dǎo)電，其離子的導(dǎo)電性會(huì)被掩蓋掉。且依靠離子導(dǎo)電的導(dǎo)電性比較差快離子導(dǎo)體（固體電解質(zhì)）：ZrO2，該化合物晶體具有特定的結(jié)構(gòu)，尺寸大的離子形成相互，聯(lián)通的間隙通道，尺寸較小的離子擴(kuò)散所需激活能低，遷移率高，具有相當(dāng)高的離子導(dǎo)電性。

7、適當(dāng)選擇一種導(dǎo)電或者半導(dǎo)體性質(zhì)的陶瓷與一種絕緣性的陶瓷混合起來，可以使導(dǎo)電性發(fā)生巨大變化。見表2-7。 絕大多是純的氧化物和碳酸鹽都是良好的絕緣體，具有很高的電阻率。2.4.2 超導(dǎo)性1. 超導(dǎo)現(xiàn)象與基本規(guī)律圖2-39所示為Hg電阻率隨溫度變化曲線：當(dāng)溫度降至4.2K時(shí)，電阻率降至檢測(cè)儀器所顯示的0. 定義：某些材料隨溫度下降電阻率突然減小到0 的現(xiàn)象，將具有超導(dǎo)現(xiàn)象的材料叫做超導(dǎo)材料。與普通材料不同，超導(dǎo)體在臨界溫度附近電阻突變，是一種轉(zhuǎn)變，并不是電阻連續(xù)變化的結(jié)果。超導(dǎo)體具有極低的電阻率特性，即零電阻特性。圖2-39 Hg電阻率隨溫度變電阻率隨溫度變化化第一類超導(dǎo)材料 抗磁性（Meissn

8、er）：超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體收到外部磁場(chǎng)作用，發(fā)生電磁感應(yīng)，自身所建立的磁場(chǎng)與外部磁場(chǎng)相排斥。重要特征：超導(dǎo)體內(nèi)部的合磁感強(qiáng)度盡量低。 完全抗磁性：表現(xiàn)出將磁力線排斥在自身以外的現(xiàn)象。磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.如圖2-40所示.圖2-40 第一類超導(dǎo)材料的meissner效應(yīng)示意圖正常狀態(tài)下磁場(chǎng)的磁通線分布超導(dǎo)狀態(tài)下對(duì)超導(dǎo)線的排斥作用第二類超導(dǎo)體 外部磁場(chǎng)較弱時(shí)，呈現(xiàn)完全抗磁性，完全與第一類超導(dǎo)體相同；當(dāng)外界磁場(chǎng)超過某個(gè)臨界值時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)部某些區(qū)域仍保持磁感應(yīng)強(qiáng)度為0，另外一些區(qū)域有磁感線穿過，而這些區(qū)域呈現(xiàn)規(guī)則分布。此時(shí)，超導(dǎo)體處于混合態(tài)，無磁通區(qū)域?yàn)槌瑢?dǎo)區(qū)域，有磁通區(qū)域?yàn)榉浅瑢?dǎo)區(qū)。超導(dǎo)體整體上處于零電阻狀態(tài)。如圖2-41。圖2-42 以磁強(qiáng)化強(qiáng)度M隨著所處磁場(chǎng)H的變化的磁化曲線方式，對(duì)兩種不同的超導(dǎo)體處于不同的狀態(tài)下的磁化情況進(jìn)行了對(duì)比。圖2-42 兩類不同類型的超導(dǎo)體磁化曲線對(duì)比（a）第一類超導(dǎo)體的磁化曲線第二類超導(dǎo)體的磁化曲線 超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中完全抗磁性強(qiáng)化，用經(jīng)典的電磁學(xué)理論處理；外部磁場(chǎng)中的抗磁性，是因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)束縛電場(chǎng)建立磁場(chǎng)的結(jié)果。束縛電流的強(qiáng)度從外表面向內(nèi)