材料物理材料的電學性能課件

材料的電學性能

材料物理1編輯版ppt

材料的電學性能材料物理1編輯版ppt主要內(nèi)容6.1

導電性6.2

超導性6.3

熱傳導與熱電效應6.4

材料的介電性能2編輯版ppt主要內(nèi)容6.1導電性2編輯版ppt6.1導電性6.1.1自由電子近似下的導電6.1.2能帶理論下的導電性6.1.3導電性與溫度的關(guān)系6.1.4電阻率與雜質(zhì)的關(guān)系6.1.5霍爾效應6.1.6電導功能材料3編輯版ppt6.1導電性6.1.1自由電子近似下的導電3編輯版ppt6.1.1自由電子近似下的導電（1）經(jīng)典自由電子理論歐姆定律：電流密度與電場強度成正比：J=σEσ：稱為電導率，電阻率ρ的倒數(shù)。經(jīng)典自由電子理論：當有電場存在時，材料中無規(guī)則熱運動的自由電子受電場力作用作加速運動。當電子與晶格原子碰撞時停止，運動受到阻力，即電阻的來源。設電場強度為E，單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n，電子兩次碰撞的平均自由時間（弛豫時間）為τ，電子的平均漂移速度為v，電子的電量為e，質(zhì)量為m,則價電子受到的力4編輯版ppt6.1.1自由電子近似下的導電（1）經(jīng)典自由電子理論4編輯所以有電流密度所以電導率其中l(wèi)=τv為電子的平均自由程?！晒Φ亟o出了電導率和電導率與熱導率的關(guān)系，但實際測得的電子平均自由程比經(jīng)典理論估計的要大得多，且無法解釋導體、半導體和絕緣體的差異。5編輯版ppt所以有電流密度所以電導率其中l(wèi)=τv為電子的平均自由程。5編（2）量子自由電子理論考慮量子效應，在自由電子近似下，僅費米面附近的電子運動未被抵消，對導電性有貢獻。在此情況下與經(jīng)典自由電子理論下的電導率的形式相同。τF,lF,vF分別是費米面附近的電子的弛豫時間、平均自由程和運動速度。按此模型可以成功地解釋堿金屬的電導。但對其他金屬，如過渡金屬，其電子結(jié)構(gòu)復雜，電子分布不是簡單的費米球，必須用能帶理論才能解釋其導電性。6編輯版ppt（2）量子自由電子理論考慮量子效應，在自由電子近似下，僅費米實際晶體的電子是以布洛赫波傳導，電子的能量分布服從費米—狄拉克統(tǒng)計。自由電子模型的費米球和費米-狄拉克分布函數(shù)對于自由電子近似，電子處于動量空間(Px，Py，Pz)中，從原點開始，每個體積中依次占有兩個電子，n個電子處于填滿球形的狀態(tài)。

這個球稱為費米球，球表面稱為費米面，球表面上的電子能量(最大的電子能)稱為費米能。7編輯版ppt實際晶體的電子是以布洛赫波傳導，電子的能量分布服從費米—狄在有限溫度下，熱激發(fā)引起球面混亂，即電子的占有幾率服從費米—狄拉克統(tǒng)計分布：熱激發(fā)引起的電子占有幾率小于1的能量幅為kT(T＝300K時為0.025eV)。費米能為幾個ev，因此，即使在有限溫度，費米球混亂也只在最表面。8編輯版ppt在有限溫度下，熱激發(fā)引起球面混亂，即電子的占有幾率服從費米—如果不施加電場，電子作各向同性運動，沒有電流流動；如果在某個方向上施加一個電壓，電子的速度分布應該偏向該方向，有凈電流流動。弛豫時間：系統(tǒng)恢復到平衡狀態(tài)的時間。弛豫時間τ是電子能量的函數(shù)，以費米能級電子的弛豫時間控制。電導率σ9編輯版ppt如果不施加電場，電子作各向同性運動，沒有電流流動；弛豫時間：自由電子近似對堿金屬等純金屬成立，但對過鍍金屬等具有復雜電子結(jié)構(gòu)的金屬不成立，這類金屬的導電性必須根據(jù)能帶理論處理。自由近似電子的E-K曲線電子有效質(zhì)量m*由德布羅意關(guān)系式和得即采用E-K曲線的曲率決定電子的有效質(zhì)量。10編輯版ppt自由電子近似對堿金屬等純金屬成立，但對過鍍金屬等具有復雜電子有效電子數(shù)n*設一維晶格的長度為L，dk范圍內(nèi)包含的電子數(shù)為(L/2π)dk,則n*只由費米水平上的E-K曲線的形狀決定。自由電子情況下的E-K曲線是拋物線，但一般情況下卻不是拋物線。因此根據(jù)E-K曲線的形狀決定n*將會有很大的變化。11編輯版ppt有效電子數(shù)n*設一維晶格的長度為L，dk范圍內(nèi)包含的電子數(shù)為6.1.2能帶理論下的導電性在能帶理論下，有

n*：有效電子數(shù)，表示單位體積內(nèi)實際參加傳導過程的電子數(shù)；m*：電子的有效質(zhì)量，是考慮晶體點陣對電場作用的結(jié)果。該公式不僅適用于金屬，也適用于非金屬。對堿金屬，n*=n，m*=m，即與自由電子的假設形式相同。不同的材料有不同的n*，導致其導電性的很大差異。12編輯版ppt6.1.2能帶理論下的導電性在能帶理論下，有n*：有效(1)一價元素IA族堿金屬Li,Na,K,Rb,Cs和IB族Cu,Ag,Au價帶s電子半充滿，良導體。電阻率ρ=10-6~10-2Ωm13編輯版ppt(1)一價元素IA族堿金屬Li,Na,K,Rb,Cs(2)二價元素IIA族堿土金屬Be,Mg,Ca,Sr,Ba和IIB族Zn,Cd,Hg價帶s電子充滿，應為絕緣體。但在三維晶體，能帶交疊，費米能級以上無禁帶，導體。14編輯版ppt(2)二價元素IIA族堿土金屬Be,Mg,Ca,Sr(3)三價元素IIIA族Al,Ga,In,Tl，s電子充滿，p電子半充滿，導體。(4)四價元素IVA族Si,Ge，價帶填滿，導帶空，有能隙Eg。對Si,Ge,Eg分別為0.67eV,1.14eV，室溫下價帶電子受熱激發(fā)進入導帶，成為傳導電子——低溫下絕緣體，室溫下半導體。溫度升高，導電性增加。15編輯版ppt(3)三價元素IIIA族Al,Ga,In,Tl，s電(5)五價元素As,Sb,Bi，每個原子有5個價電子，每個原胞有兩個原子，使五個帶填10個電子，幾乎全滿。有效電子很少，比一般金屬少4個數(shù)量級——半金屬16編輯版ppt(5)五價元素As,Sb,Bi，每個原子有5個價電子，(6)離子晶體能帶結(jié)構(gòu)與四價元素相同，但Eg很大，一般有效電子數(shù)是0，為絕緣體。例：NaCl，Na+的3s電子移到Cl-的3p軌道，3s成為空帶，3p成為滿帶，其間是10eV的禁帶，熱激發(fā)不能使之進入導帶。17編輯版ppt(6)離子晶體能帶結(jié)構(gòu)與四價元素相同，但Eg很大，一般有效電6.1.3導電性與溫度的關(guān)系電阻的來源能帶理論認為：能帶中的電子可在晶格中自由運動，因此電子波通過理想晶體點陣(0K）時不受散射，電阻為0。電阻的來源：破壞晶格周期性的因素對電子的散射。A.雜質(zhì)和缺陷（空位、間隙原子、位錯、晶界等）。B.聲子：晶格振動波的能量子。晶格熱振動：晶體中的原子以平衡位置為中心不停地振動，在彈性范圍內(nèi)交替聚攏和分離。晶格熱振動有波的形式，稱為晶格波（點陣波），其能量是量子化的。18編輯版ppt6.1.3導電性與溫度的關(guān)系電阻的來源晶格熱振動弛豫時間τF：平均自由程λF：有點缺陷、位錯和晶界等晶體缺陷決定。19編輯版ppt弛豫時間τF：19編輯版ppt電阻與溫度的關(guān)系對理想晶體，由于只有聲子散射電子，所以電子的平均自由程lF由聲子數(shù)目決定。聲子數(shù)目隨溫度升高而增多，在不同的溫度范圍有不同的規(guī)律。20編輯版ppt電阻與溫度的關(guān)系對理想晶體，由于只有聲子散射電子，所以電子的6.1.2導電性與溫度的關(guān)系—高溫時的電阻德拜溫度TD：具有原子間距波長的聲子被激發(fā)的溫度。

聲子的波長越長，能量越低；低溫下只有長波長的聲子被熱激發(fā)。愛因斯坦近似：溫度遠大于TD時原子是以穩(wěn)定位置為中心獨立振動的狀態(tài)。

各種原子的振動頻率稱為愛因斯坦頻率。在晶體中等于德拜頻率:21編輯版ppt6.1.2導電性與溫度的關(guān)系—高溫時的電阻德拜溫度TD：具對于熱平衡狀態(tài)下的諧振子，能量KT/2分別被分配到平均動能和勢能中。

設振幅為x，勢能的平均值為2π2ν2DM<x2>（M為原子質(zhì)量）,溫度為T時振幅的均方值<x2>為因電子運動的平均自由程λF與散射的橫截面積成正比，且認為原子熱振動引起的散射橫截面積與<x2>成正比，因此可見電阻ρ與溫度成正比，即：6.1.2導電性與溫度的關(guān)系—高溫時的電阻

(T>2TD/3的高溫)22編輯版ppt對于熱平衡狀態(tài)下的諧振子，能量KT/2分別被6.1.2導電性與溫度的關(guān)系—低溫時的電阻低溫即T遠低于TD下，愛因斯坦近似不成立。須處理電子波與聲子的能量互換。低溫時的電阻的推導結(jié)果如下：根據(jù)低溫晶格振動的德拜近似，被激發(fā)的聲子數(shù)和T3成正比，且低溫時被激發(fā)的聲子波長很長，其動量遠比費米級電子的動量小，因此一次散射產(chǎn)生的電子散射角很小。

設平均散射時間為τC，電阻表達式中的弛豫時間τ：θ與T成正比。23編輯版ppt6.1.2導電性與溫度的關(guān)系—低溫時的電阻6.1.2導電性與溫度的關(guān)系—低溫時的電阻另一方面，τC與聲子數(shù)（∞T3）成反比，因此變成∞T5，即低溫時的電阻則為

(T<TD的低溫)在2K以下的極低溫，電子－電子之間的散射構(gòu)成了電阻的主要機制，有：24編輯版ppt6.1.2導電性與溫度的關(guān)系—低溫時的電阻6.1.3電阻率與雜質(zhì)的關(guān)系—馬西森定律由于實際材料總是有雜質(zhì)和缺陷，電子被散射，電阻發(fā)生變化。電子散射的幾率用各種散射體產(chǎn)生的產(chǎn)生的幾率和表示，散射幾率與弛豫時間的倒數(shù)成正比。設聲子產(chǎn)生散射的弛豫時間為τp，雜質(zhì)產(chǎn)生散射的弛豫時間為τi，缺陷產(chǎn)生散射的弛豫時間為τd，則整個弛豫時間

τi與τd，τp不同，與溫度無關(guān)。因此有缺陷的金屬電阻為純金屬ρ0與雜質(zhì)和缺陷對金屬電阻的貢獻ρ(t)之和，則馬西森定律（馬其阿斯）(Matthiessen′sRule)25編輯版ppt6.1.3電阻率與雜質(zhì)的關(guān)系—馬西森定律由純金屬的中的值稱為剩余電阻，是金屬純度的標準。剩余電阻比RRR：金屬導體300k下的電阻率與剩余電阻率ρ0（一般為4.2K下的電阻）的比值。RRR越高，表明金屬在低溫下的剩余電阻率越低，金屬純度越高。目前的純金屬的RRR高達104~105。由馬西森定律知，高溫時聲子引起的電阻主其主導作用；而低溫時雜質(zhì)和缺陷引起的電阻起主導作用。26編輯版ppt純金屬的中的值稱為剩余電阻，是金屬純度的標準。剩余電阻比RR低溫下雜質(zhì)、缺陷對金屬電阻的影響1、理想金屬晶體2、含有雜質(zhì)金屬3、含有晶體缺陷電阻的溫度系數(shù)純金屬：~4×10-3K過渡金屬：稍高~6×10-3K電阻溫度系數(shù)27編輯版ppt低溫下雜質(zhì)、缺陷對金屬電阻的影響電阻的溫度系數(shù)純金屬：

金屬電阻的其他影響因素—磁性轉(zhuǎn)變

過渡族金屬的電阻與溫度關(guān)系經(jīng)常出現(xiàn)反常，特別是具有鐵磁性金屬在發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變時，電阻率出現(xiàn)反常。在居里點以下電阻率偏離線性溫度關(guān)系。這是由于鐵磁性金屬內(nèi)d和s殼層電子云相互作用的特點決定的。金屬磁性轉(zhuǎn)變對電阻的影響28編輯版ppt金屬電阻的其他影響因素—磁性轉(zhuǎn)變過渡族金屬的電阻與溫度關(guān)

金屬電阻的其他影響因素—壓力電阻壓力系數(shù)壓力對金屬導電性影響正常金屬：隨壓力（>1.2GPa），電阻率降低；反常金屬：隨壓力（>1.2GPa），電阻率升高；這是由于原子間距縮小，內(nèi)部缺陷狀態(tài)、電子結(jié)構(gòu)、費米能和能帶結(jié)構(gòu)都會發(fā)生變化。具體情況需仔細分析。29編輯版ppt金屬電阻的其他影響因素—壓力電阻壓力系數(shù)壓力對金屬導電性影壓力可引起絕緣體－金屬轉(zhuǎn)變！

金屬電阻的其他影響因素—壓力一些半導體和絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷w的壓力極限30編輯版ppt壓力可引起絕緣體－金屬轉(zhuǎn)變！金屬電阻的其他影響因素—壓力一

金屬電阻的其他影響因素—冷加工正常情況：冷加工將導致金屬電阻率增加純金屬（Fe，Cu，Ag，Au）：2～6％W可達50％，Mo可達20％，有序固溶體可達100％以上。原因：冷加工導致的晶格畸變、晶體缺陷引起，能增加電子散射幾率。反常情況：Ni-Cr，Ni-Cu-Zn等。原因：K態(tài)有關(guān)。冷加工將導致材料剩余電阻率增加。31編輯版ppt金屬電阻的其他影響因素—冷加工正常情況：冷加工將導致金屬電點缺陷引起的剩余電阻率變化遠大于線缺陷引起的變化。

金屬電阻的其他影響因素—缺陷低濃度堿金屬的剩余電阻32編輯版ppt點缺陷引起的剩余電阻率變化遠大于線缺陷引起的變化。金屬電阻

金屬電阻的其他影響因素—位錯一般金屬在形變量為8％時，位錯密度為105～108/cm2再結(jié)晶溫度退火，位錯大量湮滅，因而此時位錯的影響可忽略4.2K時位錯密度對電阻的影響(a)Fe,(b)Mo33編輯版ppt金屬電阻的其他影響因素—位錯一般金屬在形變量為8％時，位錯6.1.4霍爾效應霍爾效應：將金屬導體放在與通過它的電流方向垂直的磁場內(nèi)，則在橫跨樣品的兩面產(chǎn)生一個與電流和磁場都垂直的電場?；魻枅龌魻栂禂?shù)：表征霍爾場的物理參數(shù)霍爾效應示意圖導體處于電場Ex和磁場Hs中，電子運動速度為vx，則有電場Ey產(chǎn)生。34編輯版ppt6.1.4霍爾效應霍爾效應：將金屬導體放在與通過它的電流方霍爾效應產(chǎn)生的原因：磁與電的相互作用在試樣的x方向上施加電場Ex，同時在與x垂直的方向上施加磁場Hz，產(chǎn)生洛倫茲力對運動的電子起作用電子在y方向上也受力，穩(wěn)定狀態(tài)下，在y方向上發(fā)生電子的極化，極化的電場與洛倫茲力處于平衡狀態(tài)，即在y上產(chǎn)生感應電壓35編輯版ppt霍爾效應產(chǎn)生的原因：磁與電的相互作用在試樣由于Jx=-nevx，霍爾系數(shù)：

Ey/Hx若是自由電子的狀態(tài)下，則通過測定霍爾系數(shù)可求出電子濃度n。測定霍爾系數(shù)在確定半導體載流子類型和濃度的測定中是不可缺少的。

霍爾系數(shù)為負則由電子傳導，霍爾系數(shù)為正則由空穴傳導，這里的空穴是指價電子帶中的電子被抽去的狀態(tài)。

金屬中霍爾系數(shù)為正的情形也很多(Zn，F(xiàn)e等)，由于這些金屬的能帶結(jié)構(gòu)具有復雜形狀，從實際效果看，空穴處于控制傳導的狀態(tài)。36編輯版ppt由于Jx=-nevx，若是自由電子的狀態(tài)下，則通過測定霍爾系其中霍爾系數(shù)變?yōu)楦鶕?jù)金屬的原子價和密度，可得出單位體積中的自由電子數(shù)(n)。霍爾系數(shù)只與金屬中的自由電子密度有關(guān)；霍爾效應證明了金屬中存在自由電子，它是電荷的載體；對典型金屬，其理論計算與實驗測定結(jié)果一致。37編輯版ppt其中霍爾系數(shù)變?yōu)楦鶕?jù)金屬的原子價和密度，應用A.證明了金屬中有自由電子，是電荷的載體。B.對自由電子的情形，可以用測量RH計算電子密度。C.可用測量RH判斷半導體載流子的類型。RH＜0自由電子導電RH＞0空穴導電

實驗表明金屬中也有RH＞0的情形，如Zn,Fe等，即不是簡單的自由電子導電，因其能帶結(jié)構(gòu)復雜，可能由空穴控制傳導。38編輯版ppt應用38編輯版ppt反常RH，即R>0推動了金屬中電子狀態(tài)的研究39編輯版ppt反常RH，即R>039編輯版ppt6.1.5電導功能材料僅對導電材料、電阻材料、電觸點材料作簡介(1)導電材料常用的有Cu,Al。Cu導線一般為電解銅，提高純度。Al的相對電導率為61%,密度是Cu的1/3，但強度低且不耐高溫，一般不用純鋁。40編輯版ppt6.1.5電導功能材料僅對導電材料、電阻材料、電觸點材料(2)電阻材料A.精密電阻合金：小電阻溫度系數(shù)的特殊合金。如Cu-Mn-Ni,Mn-Cu,Cu-Ni-Mn,Cu-Mn-Fe,Ag-Mn-Sn等。B.電熱合金：在900－1350oC工作的電熱體，如Ni-Cr,Fe-Cr-Al等合金。C.高溫加熱元件和電極：1500oC以上工作的電熱體，用陶瓷，如SiC（硅碳棒）,MoSi2，LaCrO3，SnO2等。41編輯版ppt(2)電阻材料41編輯版ppt(3)電觸點材料開關(guān)、繼電器等涉及兩接觸導體的導電。電流流經(jīng)接觸部分會由于接觸面不平、異物形成薄膜產(chǎn)生接觸電阻。作為觸點的材料一般要求接觸電阻小,接觸狀態(tài)穩(wěn)定,不易磨損,不易擴散。常用的觸點材料：Cu,Cu-Ag,Cu-Be,Ag,Cu-Ag-Pt,W-Ag,Pt-Ir,Ir-Os,Ir-Os-Pt等金屬和合金。42編輯版ppt(3)電觸點材料42編輯版ppt6.2超導性6.2.1超導現(xiàn)象6.2.2超導理論6.2.3高溫超導6.2.4超導的應用43編輯版ppt6.2超導性6.2.1超導現(xiàn)象43編輯版ppt6.2超導性Q：為何超導研究受到廣泛重視？材料為什么會超導？？在1933年以前，人們對超導基本特性的認識都是片面的。存在兩種不同的觀點：一種認為材料發(fā)生超導的時候體系的電子自由程發(fā)生了突變，即電子的自由程變?yōu)闊o限大，電子在輸運過程中被認為沒有阻力，從而電阻為零；另一種人們一直比較普遍地接受的觀點認為，零電阻是超導體的最本質(zhì)的性質(zhì)，基本上把超導體認為理想導體來看，但是對超導體磁性質(zhì)的認識則很少。44編輯版ppt6.2超導性Q：為何超導研究受到廣泛重視？材料為什么會超導（1）輸電目前輸電損耗10％。普通導線：電流<1-2A/mm2；而超導導線，電流可達1000A/mm2（2）電磁轉(zhuǎn)化回旋加速器，受控熱核反應，磁懸浮列車等都需要超強磁場。（3）超導隧道效益利用它可以做成世界上最靈敏的磁場探測元件?？梢詼y量地球磁場的幾十億分之一的變化，從而可以預測地震。另外還可用于腦磁圖，心磁圖，探測潛水艇，礦產(chǎn)資源普查，核磁共振分析等。（4）約瑟夫森效益超導體的約瑟夫森結(jié)的電壓－電流曲線會出現(xiàn)一些陡變的臺階，臺階高度為固定電壓的整數(shù)倍。采用這種效益可以探測雷達，用于電磁戰(zhàn)。（5）通訊技術(shù)利用超導體較低的表面電阻和較高的工作溫度，可將超導體用在濾波器，諧振器，延遲線等。外空間溫度在80-120K左右，而目前超導體的溫度可以達到這一工作溫度，因此超導體用在外空間不需要專門的低溫裝置。美國的勇氣號、機遇號火星探測器成功的根本之一，是美國建立了一個有效的深空探測網(wǎng)。（6）儲能目前采用飛輪儲能，飛輪采用磁懸浮軸承，可保證轉(zhuǎn)速快，質(zhì)量大，無磨損。45編輯版ppt（1）輸電45編輯版ppt6.2.1超導現(xiàn)象

超導現(xiàn)象首先在Hg中校發(fā)現(xiàn)。在這之后，已經(jīng)知道有20種元素顯示出超導現(xiàn)象，而且發(fā)現(xiàn)了許多合金和金屬間化合物顯示出比純金屬還高的轉(zhuǎn)變溫度(Tc)。

1986年以后又發(fā)現(xiàn)了顯示出比液氮溫度高的氧化物超導體。因此，無論是超導的基礎(chǔ)研究，還是應用研究，都受到世界的矚目。HeikeKamerlinghOnnes1908年液He，1K1911年Hg，4.173K46編輯版ppt6.2.1超導現(xiàn)象超導現(xiàn)象首先在Hg中校發(fā)47編輯版ppt47編輯版ppt液氦(4He：4.2K，3He：3.2K)

液氫(20.4K)液氖(27.1K)液氮(77.3K)液氧(90.2K)臨界溫度Tc最高值遞增時間表48編輯版ppt液氦(4He：4.2K，臨界溫度Tc最高值遞增時間表48編1911年，荷蘭物理學家KamerlinghOnnes發(fā)現(xiàn)了Hg的超導電性；（R=0）1933年，W.Meissner和R.Ochsebfekd發(fā)現(xiàn)了超導體的完全排磁通現(xiàn)象，稱為Meissner效應；（B=0）1930s－1950s之間發(fā)展了超導的唯象理論，包括：（1）二流體模型?熱力學性質(zhì)（2）London理論?電磁性質(zhì)（Pippard理論；Ginzburg-Landau理論）1957年，J.Bardeen、L.V.Cooper、J.R.Schrieffer發(fā)表了超導的微觀理論－BCS理論；1957年，A.Abrikosov發(fā)表了第二類超導體的理論，為超導體的強電應用提供了理論基礎(chǔ)；1962年，B.D.Josephson發(fā)現(xiàn)超導隧道效應，稱為Josephson效應，為超導體的弱電應用打開了大門；1986年，Bednorz和Müller發(fā)現(xiàn)了高溫超導體?LaBaCuO。6.2.1超導現(xiàn)象—發(fā)展簡史49編輯版ppt1911年，荷蘭物理學家KamerlinghOnnes6.2.1超導現(xiàn)象—臨界溫度TC零電阻：超導體在轉(zhuǎn)變溫度以下電阻趨于零。

在一定溫度下，材料突然失去電阻的狀態(tài)稱為超導態(tài)。超導態(tài)的電阻率小于10-25Ω·cm，認為是零電阻。

產(chǎn)生超導態(tài)的溫度稱為臨界溫度。臨界轉(zhuǎn)變溫度越高越好。50編輯版ppt6.2.1超導現(xiàn)象—臨界溫度TC零電阻：超導體在轉(zhuǎn)變溫度以6.2.1超導現(xiàn)象—臨界溫度TC超導體的分類：Ⅰ類超導體與Ⅱ類超導體Ⅰ類超導體：除V、Nb、Ta以外具有超導性質(zhì)的金屬均為I類超導體。Ⅱ類超導體：V、Nb、Ta以及合金和化合物超導體均為Ⅱ類超導體。Ⅰ類超導體Ⅱ類超導體兩類導體的磁化行為不同，如下圖所示。51編輯版ppt6.2.1超導現(xiàn)象—臨界溫度TC超導體的分類：Ⅰ類超導體與52編輯版ppt52編輯版ppt6.2.1超導現(xiàn)象—臨界溫度TC同位素效應：在同一元素中，由于同位素的不同，轉(zhuǎn)變溫度大致按TC∞m1/2變化。（m為原子質(zhì)量）

同位素原子量越小，Tc越高。后來發(fā)現(xiàn)其它超導元素也有類似的現(xiàn)象，這稱為同位素效應。53編輯版ppt6.2.1超導現(xiàn)象—臨界溫度TC同位素效應：在同一元素中，金屬是由晶格粒子(原子實)間共有化的電子組成，它們之間概括有幾類相互作用：晶格—電子、電子—聲子、晶格—晶格等相互作用。究竟是哪一種相互作用促使金屬發(fā)生超導轉(zhuǎn)變?從同位性素效應可以看出反映電子超導轉(zhuǎn)變難易受原子質(zhì)量的影響，而原子質(zhì)量M的不同會使晶格運動性質(zhì)不同，說明晶格—電子相互作用必定在超導轉(zhuǎn)變中起關(guān)鍵作用。TC∞m-1/2可知，M＝0時，Tc為無窮大，沒有晶格振動，就沒有超導電性．所以同位素效應明確告訴我們電子—聲子作用是超導電性的根源．6.2.1超導現(xiàn)象—臨界溫度TC54編輯版ppt金屬是由晶格粒子(原子實)間共有化的電子組成，它們之間概括有6.2.1超導現(xiàn)象—臨界磁場HC邁斯納效應：在超導狀態(tài)下施加磁場，磁場不能進入超導體中(試樣外表面除外)，即超導體中應該感應一個和外磁場相等的反向磁場的現(xiàn)象。設B為外部磁通量，M為磁化強度，μ0為真空透磁率，則磁化率x＝μ0M/B。

對于超導體x=-1，因此可以說超導體是完全抗磁體。由于這種性質(zhì)將磁鐵接近超導體時會產(chǎn)生很強的斥力。55編輯版ppt6.2.1超導現(xiàn)象—臨界磁場HC邁斯納效應：在超導狀態(tài)下施在超導狀態(tài)下施加磁場，磁場不能進入超導體中的現(xiàn)象。該現(xiàn)象說明超導體中感應出一個與外磁場相等的反向的磁場，超導體是完全的抗磁體。56編輯版ppt在超導狀態(tài)下施加磁場，磁場不能進入超導體中的現(xiàn)象。該現(xiàn)象說明實際上，磁場產(chǎn)生的磁感應強度并不是在表面突然降為零，而是以一定的穿透深度λ≈50nm按指數(shù)規(guī)律遞減至0。57編輯版ppt實際上，磁場產(chǎn)生的磁感應強度并不是在表面突然降為57編輯版p6.2.1超導現(xiàn)象—臨界磁場HC當磁場增強到一定程度，超導將被破壞，變成正常傳導狀態(tài)，即在臨界磁場以上邁斯納效應消失，抗磁性完全消失，如圖(b)所示。58編輯版ppt6.2.1超導現(xiàn)象—臨界磁場HC當磁場增強到一定程度，超導

圖中I的情形稱為第Ⅰ類超導體，像Ⅱ那種具有下臨界磁場強度HC1和上臨界磁場強度HC2兩個臨界磁場的情形稱做第Ⅱ類超導體。

純金屬的情況下，如圖中磁化曲線I所示。

在臨界磁場HC時抗磁性急劇消失變成正常傳導，但在合金的情況下，如圖中曲線Ⅱ所示，HC1時試樣中磁通開始進入渦旋線狀態(tài)，超導狀態(tài)開始部分地破壞，因此反磁性開始減少，但仍處于電阻為零的超導狀態(tài)。磁場進一步增大變成HC2，則整個試樣完全變成正常傳導狀態(tài)，試樣的電阻變成有限值。6.2.1超導現(xiàn)象—臨界磁場HC59編輯版ppt圖中I的情形稱為第Ⅰ類超導體，像Ⅱ那種具有6.2.1超導現(xiàn)象—臨界磁場HC混合狀態(tài):HC1和HC2之間的磁場是試樣內(nèi)部正常傳導和超導兩種狀態(tài)混合存在。

由于HC2約是HC1的100倍，HC2很高的第Ⅱ類超導體適于作產(chǎn)生高磁場的超導磁體材料。圖(c)表示臨界磁場HC的值隨溫度升高而減少，TC時變?yōu)榱?。HC對溫度的依賴關(guān)系可近似地表達成第Ⅱ類超導體的H0值隨TC成正比地增加，因此轉(zhuǎn)變溫度越高的物質(zhì)臨界磁場強度也越高。60編輯版ppt6.2.1超導現(xiàn)象—臨界磁場HC混合狀態(tài):HC1和HC26.2.1超導現(xiàn)象—臨界電流密度JC實際的超導中有電流。電流的存在產(chǎn)生磁場，當其與外磁場之和超過臨界磁場強度時超導態(tài)被破壞。臨界電流JC：超導狀態(tài)破壞的臨界電流密度。臨界電流JC隨外磁場的增大降低。三者（TC、HC、JC）是評價使用超導材料的三個性能指標，相互依存，且相互影響。這三個參數(shù)的高低是超導體能否適于實用的關(guān)鍵。61編輯版ppt6.2.1超導現(xiàn)象—臨界電流密度JC實際的超導中有電流。電6.2.1超導現(xiàn)象—超導態(tài)的特性1、完全導電性進入超導態(tài)的超導體中有電流沒有電阻，即超導體是等電位的，體內(nèi)沒有電場。2、完全抗磁性——邁斯納效應(Meissener)處于超導態(tài)的材料，不管經(jīng)歷如何，磁感應強度H始終為零，也就是說超導體為抗磁性。此時，超導體具有屏蔽磁場和排除磁通的功能。3、通量(flux)量子化根據(jù)量子力學原理，這個磁通是量子化的，為n*h/(2e),n是整數(shù)，h普朗克常數(shù)，e電荷量。62編輯版ppt6.2.1超導現(xiàn)象—超導態(tài)的特性1、完全導電性2、完全抗磁6.2.1超導現(xiàn)象—比熱與正常傳導狀態(tài)相比，超導狀態(tài)在低溫時比熱小，而在高溫時比熱變大。在轉(zhuǎn)變溫度時發(fā)生比熱躍遷。正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)是一種無序的高能態(tài)向有序的低能態(tài)“凝聚”的過程。在磁場下超導轉(zhuǎn)變是電子系統(tǒng)的二級相變，無磁場下的轉(zhuǎn)變?yōu)橐患壪嘧儭?3編輯版ppt6.2.1超導現(xiàn)象—比熱與正常傳導狀態(tài)相比，超導狀態(tài)在低溫6.2.1超導現(xiàn)象—隧道效應不同金屬間的隧道效應虛線為正常傳導的I-V關(guān)系，實線為超導狀態(tài)下的I-V關(guān)系由于隧道效應，中間夾有絕緣薄膜兩金屬有電流通過。超導狀態(tài)下，電壓從VC開始不隨電流增大而增加。應用：可制成約瑟夫森器件，進行微瓦級小功率的超高速（10-12s）開關(guān)動作，應用于超高速計算機等場合。A,B兩金屬夾一絕緣薄膜并施加電壓V，由于隧道效應有電流通過。正常傳導和超導狀態(tài)的I-V關(guān)系不同。超導狀態(tài)下電壓到某臨界值時突然產(chǎn)生電流。（Josephson約瑟夫森效應）64編輯版ppt6.2.1超導現(xiàn)象—隧道效應不同金屬間的隧道效應由于隧道效6.2.2超導理論Q：超導由何種機制產(chǎn)生？臨界溫度超導由何種機制產(chǎn)生？臨界溫度Tc的極限是多高？能否獲得室溫的超導體？——需要理論。但90年來仍未找到令人信服的理論。1957年，J.Bardeen,L.N.CooperandSchrieffer提出BCS理論，基本思想：65編輯版ppt6.2.2超導理論Q：超導由何種機制產(chǎn)生？臨界溫度超導由6.2.2超導理論—超導性的微觀理論超導狀態(tài)在下歐姆定律不適用。倫敦方程：1935年倫敦兄弟發(fā)現(xiàn)在超導下，電流密度和相關(guān)磁場的矢量勢Ａ成正比：經(jīng)推導得：λL是倫敦穿透深度，表示磁場穿透深度的參量。66編輯版ppt6.2.2超導理論—超導性的微觀理論超導狀態(tài)在下歐姆定律不6.2.2超導理論—超導性的微觀理論相關(guān)長度ξ也是一個重要的參量。純金屬的相關(guān)長度ξ0可用下式表示

ξ0表示費米能級的電子動能變化范圍，它不能超越能隙Eg，即ξ0相繼出現(xiàn)的庫柏對，沒有破壞的區(qū)域。67編輯版ppt6.2.2超導理論—超導性的微觀理論相關(guān)長度ξ也是一個重要如果相關(guān)長度大于比穿透深度，超導體則為第I類超導體。不完整晶體的電子平均自由程(常態(tài)下的)變短。相干長度用平均自由程控制。若平均自由程變短，不滿足第I類超導體的條件，應變成第Ⅱ類超導體。通過合金化，金屬的超導性從第I類變成第Ⅱ類。6.2.2超導理論—超導性的微觀理論68編輯版ppt如果相關(guān)長度大于比穿透深度，超導體則為第I類超導體。.2超導理論—BCS理論巴丁(J.Bardeen)、庫柏(L.N.Cooper)和施瑞弗(J.R.Schrieffer)在1957年發(fā)表的經(jīng)典性的論文中提出了超導電性量子理論，被稱為BCS超導微觀理論。69編輯版ppt6.2.2超導理論—BCS理論巴丁(J.Bardeen)、其核心內(nèi)容是：①電流是自由電子在離子實周圍的流動。②電阻產(chǎn)生的原因是原子的熱振動及它們在空間位置的不確定性阻礙了電子流動。③自旋矢量和波動矢量反向的兩個電子由于聲子作媒介有相互吸引，正常傳導狀態(tài)下，電子的庫侖斥力比這一引力大。若引力大于庫侖斥力，則兩個電子結(jié)合成“庫帕對”，“庫帕對”以單粒子的形式存在，成對流動，不受晶體中離子實影響——電阻消失，超導出現(xiàn)。6.2.2超導理論—BCS理論70編輯版ppt其核心內(nèi)容是：6.2.2超導理論—BCS理論70編輯版pp庫柏電子對的形成原理：金屬晶體中的外層價電子處在帶正電性的原子實組成的晶格環(huán)境中，帶負電的電子吸引原子實向它靠攏，在電子周圍形成正電勢密集的區(qū)域，它又吸引第二個電子，即電子通過格波聲子相互作用形成電子對，稱為“庫柏電子對”。

這種庫柏電子對具有低于兩個單獨電子的能量，在晶格中運動沒有任何阻力，因而產(chǎn)生超導性。6.2.2超導理論—BCS理論庫柏電子對形成示意71編輯版ppt庫柏電子對的形成原理：金屬晶體中的外層價電子處在帶正電性的原

從超導電性轉(zhuǎn)變溫度的同位素效應可知，超導電性是電子系統(tǒng)的現(xiàn)象，但晶格起著重要作用，即超導電性產(chǎn)生是電子—晶格相互作用的結(jié)果。在解決超導電性微觀理論時，必須考慮晶格點陣運動以及電子過程兩個方面。解決超導轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素：電子—聲子相互作用。聲子是晶格振動的表征，根據(jù)BCS理論，自旋矢量和波動矢量反向的兩個電子，由聲子作為媒介引起電子間相互吸引作用。

若引力<庫侖排斥力:電子對為正常態(tài)引力>庫侖排斥力:電子對為超導態(tài)。

電子間的引力產(chǎn)生過程是第一個電子與晶格相互作用使晶格變形，第二個電子為與這種變形對應的低能態(tài)，由聲子作媒介引起間接相互作用。6.2.2超導理論—BCS理論72編輯版ppt從超導電性轉(zhuǎn)變溫度的同位素效應可知，超導電性是電子系統(tǒng)的現(xiàn)6.2.2超導理論—BCS理論庫柏對：超導態(tài)中的電子對；BCS基態(tài)：形成庫柏對后產(chǎn)生的基態(tài)。BCS態(tài)下，費米面上的電子形成庫柏對，處于低能態(tài)，因此應該形成能隙Eg。

由BCS理論自然導出穿透深度和相干長度范圍的概念，而且也得到倫敦方程，并說明了邁斯納效應。73編輯版ppt6.2.2超導理論—BCS理論庫柏對：超導態(tài)中的電子對；7不產(chǎn)生電阻的原因:

電阻是出運動電子與晶格振動及雜質(zhì)相互作用，在運動方向上失去能量產(chǎn)生的，這種散射過程以保存能量和動量的形式進行。

由于電子形成庫柏對，有能隙存在，如果對電子提供大于Eg的能量，則不產(chǎn)生散射。表明電子具有的動量超過某個值應該不產(chǎn)生散射，即在臨界速度以下的庫相對不受到散射，因此，達到某個電流密度之前不產(chǎn)生電阻。6.2.2超導理論—BCS理論74編輯版ppt不產(chǎn)生電阻的原因:6.2.2超導理論—BC6.2.2超導理論—BCS理論根據(jù)BCS理論，超導臨界溫度TC受費米能級上的態(tài)密度N(EF)、由電阻值決定的電子一聲子相互作用強度V及晶體的德拜溫度TD制約，這些值越大TC越高。

在V·N(EF)<<1的條件下,BCS理論預測的臨界溫度用下式表述，并定性地說明實驗事實75編輯版ppt6.2.2超導理論—BCS理論根據(jù)BCS理麥克米蘭根據(jù)強健近似，臨界溫度表達式為6.2.2超導理論—BCS理論式中:λ和V都是電子—聲子相互作用的參量；μ*是電子間的庫侖斥力位勢。λ為0.5~1，μ*為0.1數(shù)量級的值。76編輯版ppt麥克米蘭根據(jù)強健近似，臨界溫度表達式為6.2.2超導理論—6.2.3高溫超導性超導的臨界溫度能提高到什么程度，理論上和應用方面都有很重大的意義。

根據(jù)BCS機制，即由聲子作媒介形成電子對產(chǎn)生的超導性(也稱做聲子機制)，認為TC的最高值是40K。

通過探討可產(chǎn)生高溫超導可能性的新機制。其中有不以聲子作媒介，而是由電極化作媒介，利用新的電子對形成機制產(chǎn)生高溫超導，稱做激子機制。為此而提出了具體物質(zhì)和實驗，但沒有成功。77編輯版ppt6.2.3高溫超導性超導的臨界溫度能提高到6.2.3高溫超導性1986年IBM蘇黎世實驗室伯德那茨和謬勒首次發(fā)表了一種(La1-xBax)CuO4四元氧化物超導體，超導轉(zhuǎn)變溫度TC達到30K。此后在氧化物中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了高TC的晶體，特別是1987年以來，美國報告了一種yBa2Cu3O7的超導體，TC超過液氮溫度，達到90K以上，高溫超導進入了倍受青睞的時代。1987年中國科學院物理研究所制成超導轉(zhuǎn)變的中點溫度為92.8K的新超導材料，他們在成分為BaxLa0.5-xCu5(3-y)的體系中，獲得用Y(釔)取代La，更高的TC。78編輯版ppt6.2.3高溫超導性1986年IBM蘇黎世實驗室伯德那茨和6.2.3高溫超導性1988年日本發(fā)現(xiàn)一種BiSr2Ca2Cu3O10超導體，TC為l10K。1988年2月，Ti-Ba-Ca-Cu-O系列氧化物被盛正直和赫爾曼(M.Hermann)等人發(fā)現(xiàn)，使最高TC達到125K。1993年5月司麒麟(A.Schilling)和普特林(S.N.Putilin)等人又成功地合成了Hg-Ba-Ca-Cu-O氧化物超導體，其超導轉(zhuǎn)變溫度達134K。柏諾茲(J.G.Bednorz)和繆勒(K.A.Muller)的發(fā)現(xiàn)，使超導轉(zhuǎn)變溫度提高了十度以上，為新超導體的探索研究開辟了新的道路，將超導體從金屬、合金和化合物擴展到氧化物陶瓷。

79編輯版ppt6.2.3高溫超導性1988年日本發(fā)現(xiàn)一種BiSr2Ca2Y-Ba-Cu-O體系化合物超導材料

無機氧化物陶瓷材料Y-Ba-Cu-O體系具有高的TC90~100K，相應臨界電流密度JC達到106Acm-2。我們現(xiàn)在就以Y-Ba-Cu-O體系為例介紹化合物超導材料。

1.組成、制備和相關(guān)系超導材料Y-Ba-Cu-O體系的相關(guān)系在1987年以來無人研究過，1987年IBM公司的K.G.Frast研究了該體系950℃時的相關(guān)系圖（見圖6.18）。

6.2.3高溫超導性80編輯版pptY-Ba-Cu-O體系化合物超導材料6.2.3高溫超導性86.2.3高溫超導性

該三元體系的3個二元邊界體系中形成6個化合物：①Ba4Y2O7②BaY2O4

③Y2Cu2O5④BaCuO2⑤Ba2CuO3⑥Ba3CuO4

其中化合物①Ba4Y2O7;②BaY2O４;③Y2Cu2O5;④BaCuO2都經(jīng)X射線衍射所證實;化合物⑤Ba2CuO3和⑥Ba3CuO4存在也是無疑的。三元體系中形成3個三元化合物：211Y2BaCuOx123：YBa2Cu３O7-x132：YBa３Cu２Ox。而這之中，只有化合物123屬于超導化合物。211：Y2BaCuOx

123：YBa2Cu３O7-x132：YBa３Cu２OxY-Ba-Cu-O體系的相關(guān)系（950℃）81編輯版ppt6.2.3高溫超導性該三元體系的3個二元邊界6.2.3高溫超導性

超導相化合物123：YBa2Cu３O7-x的制備方法有干法、濕法等：⑴干法制備：將Y2O3(純度99.9%)、BaCO3(純度99.9%)、CuO(純度99.9%)按適當比例混合，加熱，粉碎研磨，再在控制氧氣氛中燒結(jié)可得到產(chǎn)物。⑵濕法制備：將金屬源鹽溶液按Ba2+、Y3+、Cu2+以適當比例混合，用草酸鹽溶液沉淀為草酸鹽前驅(qū)物，將其加熱分解為氧化物混合物，再在控制氧氣氛中燒結(jié)可得到產(chǎn)物。82編輯版ppt6.2.3高溫超導性超導相化合物123：YB6.2.3高溫超導性

2.超導化合物123的結(jié)構(gòu)和性能

超導化合物123YBa2Cu３O7-x，x=0~1,也可以表示為:YBa2Cu３-xO7-y(x=0.00~0.12;y=0.00~1.00)。其晶體結(jié)構(gòu)類似于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，如圖所示。83編輯版ppt6.2.3高溫超導性2.超導化合物12超導化合物123YBa2Cu３O7-x晶體結(jié)構(gòu)類似于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，只是某些層中缺少氧離子。Ba2+和Y3+離子占位相當于鈣鈦礦中Ti4+離子的位置，交替２層間隔排列Ba2+層和Y3+層，Cu2+離子占位則相當于鈣鈦礦中Ca2+離子的位置。

6.2.3高溫超導性84編輯版ppt超導化合物123YBa2Cu３O7-x晶體

La系，Y系，Bi(T1)系的一系列氧化物的晶體結(jié)構(gòu)都是以鈣鐵礦型結(jié)構(gòu)(圖4-7a)為基礎(chǔ)，鈣鐵礦型結(jié)構(gòu)中一種典型的氧化物晶體結(jié)構(gòu)是YBa2Cu3O7如圖4-7(b)所示.

其中BaPb1-xBixO3的TC＝11K。因中(a)的鈣欽礦結(jié)構(gòu)中原子位置稍有偏離，有缺損，結(jié)構(gòu)單元是堆積成三層的結(jié)構(gòu)。而且，La系，Y系，Bi系中共同點是Cu和O原子具有平行于平面的層，這些層對高溫超導的發(fā)現(xiàn)機制起重要作用。6.2.3高溫超導性85編輯版pptLa系，Y系，Bi(T1)系的一系列氧化物的6.2.3高溫超導性氧化物高溫超導體中，穿透深度λ比較大，而相干長度ξ小到幾個納米，由于λ／ξ>>1，它是典型的策Ⅱ類超導體。86編輯版ppt6.2.3高溫超導性氧化物高溫超導體中，從理論上搞清氧化物的高溫超導由什么機制產(chǎn)生，臨界溫度能上升到什么溫度等問題非常有意義。目前高溫超導的研究狀況是，不能用BCS理論說明高溫超導機制。形成電子對的引力根據(jù)哪種機制起作用，還沒有定論。超導體中除金屬、合金、金屬間化合物等金屬系物質(zhì)，氧化物等無機化合物之外，還發(fā)現(xiàn)了有機化合物的超導體。對有機物系物質(zhì)，可開發(fā)更高的TC的物質(zhì)。6.2.3高溫超導性87編輯版ppt從理論上搞清氧化物的高溫超導由什么機制產(chǎn)生，臨界溫度能上升超導體的應用超導的大規(guī)模應用主要障礙在于TC低，超導器只能在低溫下運行。（1）醫(yī)用核磁共振(NMR)成像系統(tǒng)；（2）實驗物理用粒子加速器；（3）艦、船推進發(fā)動機；（4）電站發(fā)電機；（5）磁懸浮列車；（6）核聚變和磁流體發(fā)電系統(tǒng)；（7）電能儲存系統(tǒng)；（8）電源變壓器。前兩項已實現(xiàn)，后幾項已證明可行。88編輯版ppt超導體的應用超導的大規(guī)模應用主要障礙在于TC低，超導器只能在超導體的應用高靈敏度的電子器件--超導量子干涉儀(SQUID)磁場靈敏度極高，達10-15T理論依據(jù)——Josephson效應（約瑟夫森）超導體中的“庫珀電子對”可通過隧道效應穿過兩個弱連結(jié)(薄的絕緣位壘)的超導體。約瑟夫森結(jié)89編輯版ppt超導體的應用高靈敏度的電子器件--超導量子干涉儀(SQUID超導體的應用在電子領(lǐng)域即弱電中的應用。主要指信息技術(shù)領(lǐng)域中的應用，具有代表性的有A/D變換、超導計算機、以及弱磁探測等方面的應用。90編輯版ppt超導體的應用在電子領(lǐng)域即弱電中的應用。90編輯版ppt超導體的應用微波器件高溫超導薄膜的微波表面電阻Rs遠小于銅的Rs10GHz<0.011GHz<0.001HTS薄膜可以制備高性能的各種微波器件，具有極低損耗和極低噪聲的優(yōu)良特性。91編輯版ppt超導體的應用微波器件高溫超導薄膜的微波表面電阻Rs遠小于銅的超導體的應用在超導懸浮方面的應用，如超導磁浮列車、無接觸輸運、超導儲能系統(tǒng)、無磨擦懸浮軸承等。Upper:permanentmagnetLower:superconductor92編輯版ppt超導體的應用在超導懸浮方面的應用，如超導磁浮列車、無接觸輸運超導受控熱核反應裝置。超導體的應用有效直徑3.1m有效高度4.7m真空度1×10-5Pa最大電流30kA制冷量500W/4.5k中科院等離子所（合肥）托克馬克裝置（核聚變）上的磁體、杜瓦93編輯版ppt超導受控熱核反應裝置。超導體的應用有效直徑3.1m中科院應用中的問題①Tc低，不穩(wěn)定。實用的穩(wěn)定的Tc在50K～60K以下。②加工成本高。③與非超導體連接也有問題。④最大的問題：超導理論不完善。94編輯版ppt應用中的問題94編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應表征物體吸、放熱能力的熱容量定義為熱力學中，定容熱容和定壓熱容分別為E為材料的內(nèi)能固體的熱容晶格熱容（晶格熱振動）電子熱容（電子的熱運動）95編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應表征物體吸、放熱能力的熱容量定義為熱熱的傳導原因：溫度梯度6.3熱傳導與熱電效應熱導率：單位截面、長度的材料在單位溫差下和單位時間內(nèi)直接傳導的熱量。溫度梯度的比例系數(shù)，即熱流密度。固體中能量的傳遞的載體是由聲子和電子，因此熱導率有聲子和電子兩方面的貢獻。金屬是熱的良導體，主要是電子的貢獻。（傅里葉導熱定律）

適合穩(wěn)態(tài)熱傳導式中k為熱導率。96編輯版ppt熱的傳導原因：溫度梯度6.3熱傳導與熱電效應熱導率：單位截6.3熱傳導與熱電效應對于純金屬，導熱主要是靠自由電子，而合金導熱則同時考慮聲子導熱的貢獻。將聲子和電子作為粒子處理，考慮這些粒子運動產(chǎn)生的能量傳遞。熱的傳導依賴于溫度梯度，是由于運動粒子沖撞的各處處于熱平衡狀態(tài)。即熱流由粒子的平均自由程和速度控制，與氣體的熱傳導相同，設比熱容為C，則97編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應對于純金屬，導熱主要是靠自由電子，而6.3熱傳導與熱電效應聲子的平均自由程由聲子間沖撞和缺陷引起的散射決定。聲子間的相互作用是由晶格的非調(diào)和性產(chǎn)生的，由此導出平均自由方程式與1/r成正比。低溫時平均自由程受散射控制。相反，晶相比熱容與產(chǎn)成正比。在稍低溫度時，聲子產(chǎn)生的熱傳導和電子產(chǎn)生的熱傳導相比，小到可忽賂不計的程度。98編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應聲子的平均自由程由聲子間沖撞和缺陷引6.3熱傳導與熱電效應根據(jù)自由電子近似，電子比熱為將代入得電子產(chǎn)生的熱導率為在弛豫時間τ大的金屬中，電子產(chǎn)生的熱傳導比聲子產(chǎn)生的熱傳導在整個溫度范圍都具有較大值。99編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應根據(jù)自由電子近似，電子比熱為將代入得6.3熱傳導與熱電效應令k=ke，熱導率與電導率之比為實際用許多金屬做實驗得到的勞倫茲常數(shù)都接近這個值。魏德曼—弗朗茨定律魏德曼-弗朗茨定律(Weidemann-Franz)：金屬的電導率與熱導率之比正比于T，且比例常數(shù)不依賴于材料。L0：Lorenz勞倫茲常數(shù)100編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應令k=ke，熱導率與電導率6.3熱傳導與熱電效應W-F定律成立的條件注意：外電場和溫度梯度對電子偏離平衡分布的不同影響。導電過程的電子散射要求散射前后動量變化很大。導熱過程的電子散射要求散射前后動量變化可以較小。101編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應W-F定律成立的條件注意：外電場和6.3熱傳導與熱電效應嚴格說，W-F定律只在極低溫和高溫下才可能成立：低溫下，電子只受到靜態(tài)雜質(zhì)/缺陷的彈性散射；高溫下，聲子動量大，散射電子時可以造成電子動量很大的變化。其它情況下的散射（如一般溫度下的聲子）對熱阻有更大的貢獻。102編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應嚴格說，W-F定律只在極低溫和高溫6.3熱傳導與熱電效應—導熱的微觀機制組成固體的原子只能在平衡位置作微小振動，不能如同氣體分子那樣進行自由運動和直接碰撞來傳遞熱量。固體材料的導熱主要是靠晶格振動的聲子和自由運動的電子來實現(xiàn)。κph

和κe

分別為聲子熱導率和電子熱導率。絕緣體材料（離子或共價晶體）：無自由電子，靠聲子導熱；純金屬：自由電子多，導熱主要靠自由電子；合金：自由電子和聲子均有貢獻；磁性材料：還需要考慮磁振子的貢獻。103編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應—導熱的微觀機制組成固體的原子只能在影響純金屬熱導率的其它因素除了溫度之外，以下因素可以影響純金屬材料的熱導率：晶粒尺寸：越大熱導率越高，越小熱導率越低；晶系：立方晶系的熱導率各向同性，非立方晶系熱導率各向異性；雜質(zhì)：強烈影響熱導率。6.3熱傳導與熱電效應104編輯版ppt影響純金屬熱導率的其它因素除了溫度之外，以下因素可以影響純金6.3熱傳導與熱電效應—熱電效應電動勢的起因：對金屬兩端給出一個溫度差，一般都產(chǎn)生電動勢。電子的能量分布在高溫一側(cè)和低溫一側(cè)不同，產(chǎn)生導電串差，因此電流要流過。熱電效應是把溫差轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯蚍催^程。系數(shù)S為熱電功率。溫差產(chǎn)生熱電勢的過程105編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應—熱電效應電動勢的起因：對金屬兩端給6.3熱傳導與熱電效應—熱電效應高溫下的熱電功率為低溫時，由于溫度梯度產(chǎn)生流動的聲子拖曳了電子，稱為聲子阻力，這種效應對導熱有很大影響。熱電勢量子力學結(jié)果其中σE

為金屬電導率，該式對正常金屬和合金在德拜溫度以上都是有效的?？梢?，能帶結(jié)構(gòu)直接決定了熱電勢的大小、符號和溫度關(guān)系。106編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應—熱電效應高溫下的熱電功率為6.3熱傳導與熱電效應—熱電效應塞貝克效應塞貝克(T.J.Seebeck)1821年發(fā)現(xiàn)兩種不同的導體（或半導體）組成回路時，若兩接觸處溫度不同時，則回路中有電動勢。電動勢的大小與材料和溫度有關(guān)塞貝克系數(shù)SA、SB分別為導體A、B的絕對塞貝克系數(shù)；ΔT為溫差。熱電勢隨溫差的增大而增大。不同材料在相同溫度下可獲得的熱電勢的大小也不同。塞貝克效應塞貝克效應的應用主要是測溫。107編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應—熱電效應塞貝克效應塞貝克(T.J.6.3熱傳導與熱電效應—熱電效應絕對熱電系數(shù)：單位溫差下所能產(chǎn)生的熱電勢S，也稱絕對塞貝克系數(shù)。式中V為熱電勢，T為溫度。Mott和Jones用量子力學推導出高溫下的熱電系數(shù)：式中,k為玻爾茲曼常數(shù)；e為電子電量；σ電導率，E能量，EF費米能。108編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應—熱電效應絕對熱電系數(shù)：單位溫差下所6.3熱傳導與熱電效應—熱電效應珀爾帖效應珀爾帖(J.C.A.Peltier)1834年發(fā)現(xiàn)將不同導體組成回路并通電流，在兩接頭處一端吸熱，另一端放熱，出現(xiàn)溫差。且電流相反時，吸熱端和放熱端也相反。珀爾帖效應是塞貝克效應的逆過程，其實質(zhì)：電能與熱能之間的轉(zhuǎn)換。109編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應—熱電效應珀爾帖效應珀爾帖(J.C.6.3熱傳導與熱電效應—熱電效應珀爾帖效應這種電熱效應是由于電子流動產(chǎn)生了與電流成正比的熱流，其系數(shù)π為珀爾帖系數(shù)，因物質(zhì)而異。珀爾帖系數(shù)與熱交換能的關(guān)系110編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應—熱電效應珀爾帖效應這種電熱效應是由6.3熱傳導與熱電效應—熱電效應珀爾帖效應主要應用于電子冷凍技術(shù)。電子制冷裝置原理圖111編輯版ppt6.3熱傳導與熱電效應—熱電效應珀爾帖效應主要應用于電子冷6.4材料的介電性能6.4.1電介質(zhì)的極化6.4.2電介質(zhì)的極化機制6.4.3介電損耗6.4.4電介質(zhì)擊穿112編輯版ppt6.4材料的介電性能6.4.1電介質(zhì)的極化112編輯版p6.4.1電介質(zhì)的極化（1）電介質(zhì)的極化材料對外電場的響應：電荷長程遷移——傳導，導電材料沿電場方向產(chǎn)生電偶極矩或電偶極矩改變——電介質(zhì)電介質(zhì)：在電場作用下可建立極化的物質(zhì)。113編輯版ppt6.4.1電介質(zhì)的極化（1）電介質(zhì)的極化113編輯版ppt將一種電介質(zhì)插入兩極板，產(chǎn)生極化：正極板附近的介質(zhì)感生出負電荷，負極板附近的介質(zhì)感生出正電荷。感應出的表面電荷稱為感應電荷或束縛電荷。真空平板電容器電容插入介質(zhì)，極化增加電荷存儲能力，電容C=εrC0=εrε0A/d=εA/d其中εr稱為相對介電常數(shù)，ε=εrε0稱為材料的介電常數(shù)。114編輯版ppt將一種電介質(zhì)插入兩極板，產(chǎn)生極化：正極板附近的介質(zhì)感生出負電（2）（電）極化強度兩類電介質(zhì)：

極性分子電介質(zhì)：分子的正負電荷統(tǒng)計中心不重合。

非極性分子電介質(zhì)：分子的正負電荷統(tǒng)計中心重合。在外電場作用下，極性分子電介質(zhì)和非極性分子電介質(zhì)都有電偶極矩：μ=ql其中q為電量，l為正負電荷重心的距離。定義極化強度P為電介質(zhì)單位體積內(nèi)電偶極矩的向量和：115編輯版ppt（2）（電）極化強度115編輯版ppt實驗證明：極化強度與電介質(zhì)所處的實際有效電場（外電場和極化電荷產(chǎn)生的電場）成正比：P=χeε0E其中χe稱為電極化率。116編輯版ppt實驗證明：極化強度與電介質(zhì)所處的實際有效電場（外電場和極化電6.4.2電介質(zhì)的極化機制（1）電子位移極化在外電場下電子云相對原子核發(fā)生相對位移，引起極化。電子質(zhì)量小，對電場反應很快，極化可在10-15~10-16s（光頻）建立或消除。根據(jù)玻爾原子模型，可按經(jīng)典理論計算電子的平均極化率，即單位局部電場強度下產(chǎn)生的偶極矩R為原子或離子半徑。117編輯版ppt6.4.2電介質(zhì)的極化機制（1）電子位移極化R為原子或離子（2）離子位移極化在外電場下構(gòu)成分子的離子發(fā)生相對位移（距離拉長）引起極化。離子質(zhì)量比電子大，極化建立或消除慢（10-2~10-13s）。根據(jù)經(jīng)典彈性振動理論可估算離子位移極化率。118編輯版ppt（2）離子位移極化118編輯版ppt（3）取向極化在外電場下極性電介質(zhì)的偶極子沿外電場方向有序化，引起極化。固體中的離子盡管受束縛，但仍可進行一定程度的偏移。取向極化建立或消除慢（10-2~10-10s）。119編輯版ppt（3）取向極化119編輯版ppt6.4.3介電損耗（1）平板真空電容器的交流相差在理想平板真空電容器上加上角頻率ω=2πf的交流電壓U=U0eiωt則在電極上出現(xiàn)電荷Q=C0U=C0U0eiωt，其回路電流可見電容電流IC比電壓U超前90°相位。120編輯版ppt6.4.3介電損耗（1）平板真空電容器的交流相差U=U0e（2）復電導率在在極板間填充相對介電常數(shù)為εr的理想電介質(zhì)，則C=εrC0；IC′=εrIC仍比電壓U超前90°相位。實際介電材料不是理想電介質(zhì)，有漏電或極化，則電流分為兩部分：容性電流IC′和與電壓同相位的電導分量I1總電流IT=IC′+I1=iωCU+GU=(iωC+G)U其中電導為σ為電導率。121編輯版ppt（2）復電導率121編輯版ppt而電容所以令為復電導率則122編輯版ppt而電容所以令為復電導率則122編輯版ppt（3）介電損耗真實電介質(zhì)平板電容器的總電流包括三部分：理想電容充電引起的電流IC′，真實電介質(zhì)極化建立的電流Iac，漏電電流Idc，其中Iac+Idc=I1?？傠娏鞅瓤傠妷撼唉?90-δ度，其中δ稱為損耗角。123編輯版ppt（3）介電損耗總電流比總電壓超前φ=90-δ度，其中δ稱δ的意義：類似于復電導率，定義復介電常數(shù)或復相對介電常數(shù)：都是ω的函數(shù)。此時，有：C=εr*C0,Q=CU=εr*C0U所以總電流分兩項：第一項為電容的充電放電過程，無能量損耗，由復相對介電常數(shù)的實部εr′(對應于相對介電常數(shù)εr)描述；第二項與電壓同位相，為能量損耗部分，由復相對介電常數(shù)的虛部εr′′描述，稱為介質(zhì)相對損耗因子。124編輯版pptδ的意義：類似于復電導率，定義復介電常數(shù)或復相對介電常數(shù)：損耗角的正切可表示獲得給定存儲電荷所要消耗的能量的大小。絕緣材料：為降低能量損耗，防止發(fā)熱引起材料損壞（如高分子材料損壞），希望材料的tanδ小。對介電材料（如高分子材料）高頻加熱、高頻干燥等：希望tanδ大125編輯版ppt損耗角的正切可表示獲得給定存儲電荷所要消耗的能量的大小。絕緣（4）電介質(zhì)擊穿1)概念介電體擊穿(dielectricbreakdown)：在高電場下介電體中的電流急劇增大，在某一電場強度下完全喪失絕緣性能的現(xiàn)象。介電強度(介電擊穿強度)：引起材料擊穿的電壓梯度。126編輯版ppt（4）電介質(zhì)擊穿126編輯版ppt2)本征擊穿擊穿的原因很復雜，材料厚度、環(huán)境溫度和氣氛、材料形狀、表面狀態(tài)、電場頻率和波形、材料成分和孔隙率、晶體學取向、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)等都影響擊穿強度。理論上：擊穿的原因無統(tǒng)一的解釋實驗上：難于測定具體擊穿的機制。設想材料是宏觀均勻的，其各部分所能承受的電壓梯度是相同的，在臨界電場強度下其擊穿與樣品的幾何形狀以及電場的波形無關(guān)，只與材料的內(nèi)在特征有關(guān)，此時發(fā)生的擊穿就是本征擊穿。多種理論：碰撞電離理論、熱擊穿理論、雪崩式擊穿理論127編輯版ppt2)本征擊穿127編輯版ppt3)碰撞電離理論擊穿的本質(zhì)原因：電介質(zhì)中有自由電子。來源：雜質(zhì)、缺陷能級以及價帶，強電場下的冷發(fā)射或熱發(fā)射。碰撞電離理論：外電場作用：自由電子加速，與晶格相互碰撞，把能量傳遞給晶格，加劇晶格振動。一定溫度和場強下，加速能量與碰撞傳遞能量平衡?！娊橘|(zhì)有一穩(wěn)定的電導電場足夠強——電子從電場獲得的能量>傳遞給晶格的能量——電子動能越來越大，直至增強到使晶格電離出新電子——自由電子數(shù)迅速增加，發(fā)生擊穿。128編輯版ppt3)碰撞電離理論128編輯版ppt4)實際材料的擊穿舉例實際材料中存在缺陷、宏觀不均勻、多相復合等情形，形狀變化、外部冷卻等也使散熱條件變化，導致?lián)舸┑臋C制變化。設想一種雙層材料，兩層的厚度、介電常數(shù)、電導率分別為d1,ε1,σ1和d2,ε2,σ2，垂直于材料的厚度方向施加直流電壓U，則兩層電介質(zhì)開始建立極化并達到穩(wěn)態(tài)。兩層可看成串聯(lián)：推導出兩層所承受的電場強度：129編輯版ppt4)實際材料的擊穿舉例推導出兩層所承受的電場強度：129編輯雙層或多層材料，電導率小的介質(zhì)承受較高的場強，而電導率大的介質(zhì)承受較低的場強。其中一層的電場強度遠大于平均電場強度——優(yōu)先擊穿——全部電壓都作用于另一層上——整個介質(zhì)擊穿。氣泡：電導率低，承受場強高，但擊穿強度比固體材料低（如陶瓷和空氣的擊穿強度分別為80和33KV/cm），優(yōu)先擊穿引起氣體放電產(chǎn)生熱和熱應力使整個材料破壞，稱為電—機械—熱擊穿。表面狀態(tài)：吸濕、與電極接觸不良等易引起表面放電，引起擊穿——將電介質(zhì)浸入變壓器油。電極形狀：可改變散熱條件，受熱加速高分子材料老化在高頻、高壓下工作的材料要進行耐壓試驗和結(jié)構(gòu)的合理設計。130編輯版ppt雙層或多層材料，電導率小的介質(zhì)承受較高的場強，而電導率大的介思考：1、說明霍爾效應的現(xiàn)象、原因及其應用。2、請描述BCS理論關(guān)于超導的核心內(nèi)容和庫柏電子對的形成原理，并論述BCS理論對零電阻效應的解釋。3、舉例說明超導現(xiàn)象的應用及其應用中的問題。4、簡述電介質(zhì)與金屬的區(qū)別。電介質(zhì)的四大基本常數(shù)是什么？各自代表什么物理意義？5、固體電介質(zhì)的擊穿受什么因素制約？131編輯版ppt思考：131編輯版ppt

材料的電學性能

材料物理132編輯版ppt

材料的電學性能材料物理1編輯版ppt主要內(nèi)容6.1

導電性6.2

超導性6.3

熱傳導與熱電效應6.4

材料的介電性能133編輯版ppt主要內(nèi)容6.1導電性2編輯版ppt6.1導電性6.1.1自由電子近似下的導電6.1.2能帶理論下的導電性6.1.3導電性與溫度的關(guān)系6.1.4電阻率與雜質(zhì)的關(guān)系6.1.5霍爾效應6.1.6電導功能材