第四章材料的電學(xué)性能二

第四章材料的電學(xué)性能二2023/5/51第1頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、溫度的影響金屬：溫度T↑→ρ↑。原因:T↑對(duì)有效電子數(shù)和電子平均速度幾乎沒(méi)有影響；但T↑→離子振動(dòng)加劇，熱振動(dòng)幅度↑，原子無(wú)序度↑，周期勢(shì)場(chǎng)漲落↑→電子運(yùn)動(dòng)自由程l↓，散射幾率P↑。在熔點(diǎn)以下，金屬的電阻率隨溫度變化的一般規(guī)律如右圖所示。T>ΘD時(shí),ρ∝T;T<ΘD時(shí),ρ∝T5;T→0時(shí),ρ→ρ’。（理論上T→0,ρ∝T2→0）2023/5/52第2頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四形成ρ’的原因：點(diǎn)陣畸變?cè)斐傻臍埩綦娮枰鸬模娮杪师选癁橐怀?shù)。有些金屬，如Pb,Sn,Hg等在溫度接近絕對(duì)零度以上的某一臨界溫度Tc，ρ→0，這種現(xiàn)象稱(chēng)為超導(dǎo)現(xiàn)象。.金屬熔化時(shí)，由于原子排列規(guī)則性遭到破壞,一般，電阻升高1.5-2倍。.根據(jù)金屬電阻率-溫度曲線可知，在0℃以上至熔化溫度之前，在t℃下，電阻率-溫度關(guān)系可表示為：ρt=ρ0（1+αt）電阻溫度系數(shù)α=(ρt-ρ0)/ρ0t(℃-1)=(dρ/dt)(1/ρ)(℃-1)2023/5/53第3頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、冷加工和靜壓力的影響冷加工→晶體點(diǎn)陣畸變，晶體缺陷↑→電場(chǎng)不均勻性↑→對(duì)電子的散射↑→ρ↑。通過(guò)回復(fù)、在結(jié)晶可使材料的電阻率恢復(fù)到冷加工前的狀態(tài)。同樣，淬火后（高溫加熱，快速冷卻，點(diǎn)缺陷來(lái)不及擴(kuò)散消失），材料的點(diǎn)缺陷濃度上升，導(dǎo)致電阻率上升。2023/5/54第4頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四在流體靜壓力（可達(dá)1200MPa,12000大氣壓）作用下，大多數(shù)金屬的電阻率下降：原因：由于高壓作用，導(dǎo)致原子間距發(fā)生變化（變小），使金屬內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)、費(fèi)米能和能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響導(dǎo)電性。很高的壓力甚至可以使某些半導(dǎo)體、絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體。如S,P,Si,Ge,Se,金剛石等。2023/5/55第5頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一些半導(dǎo)體和絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體的壓力極限元素P極限/GPaρ/μΩ.cmS40Se12.5Si16Ge12I22500H200P2060±20AgO2070±20金剛石602023/5/56第6頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、合金化對(duì)金屬導(dǎo)電性的影響純金屬的導(dǎo)電性與其在周期表中的位置有關(guān)，這是由于不同的能帶結(jié)構(gòu)決定的，而合金的導(dǎo)電性則表現(xiàn)更為復(fù)雜。原因是：加入合金元素，導(dǎo)致點(diǎn)陣畸變；組元間相互作用引起有效電子數(shù)的變化；能帶結(jié)構(gòu)的變化；組織結(jié)構(gòu)的變化。1、一般固溶體的導(dǎo)電性一般規(guī)律：形成固溶體時(shí)，電阻率升高，導(dǎo)電率下降（即使溶質(zhì)的電阻率低于溶劑的電阻率也是一樣）。在二元合金中，對(duì)于由非過(guò)渡族元素所形成的連續(xù)固溶體，其電阻最大值通常出現(xiàn)在50%原子濃度處。對(duì)于鐵磁性及強(qiáng)順磁性金屬的固溶體，電阻率最大值可能偏離50%處，對(duì)于一個(gè)組元為過(guò)渡族元素的合金，則電阻率最大值偏向過(guò)渡族元素一側(cè)。2023/5/57第7頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2023/5/58第8頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四對(duì)于低濃度固溶體，其電阻率服從馬提森（Matthissen）經(jīng)驗(yàn)定則（或稱(chēng)為馬西森定律），即馬西森定律只考慮了點(diǎn)陣畸變的影響，因而只適合于低濃度固溶體，P47圖2.13。對(duì)于高濃度固溶體，則不適合，P46圖2.11~2.12。2023/5/59第9頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、有序固溶體的導(dǎo)電性2023/5/510第10頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四固溶體發(fā)生有序化，其電阻率將明顯下降。原因：(1)點(diǎn)陣規(guī)律性加強(qiáng)，減少對(duì)電子的散射，導(dǎo)致電阻率下降；

(2)有序化呈現(xiàn)出一定程度的共價(jià)結(jié)合，使原子間結(jié)合加強(qiáng)，有效電子數(shù)下降，導(dǎo)致電阻率上升。二者相比(1)的作用大于(2),因而有序化導(dǎo)致電阻率下降。從理論上講，完全有序化，合金的電阻率將處于組元電阻率的連線上（即圖中虛線所示），但實(shí)際上，合金很難實(shí)現(xiàn)100%有序化，另外共價(jià)鍵的形成，因而呈現(xiàn)出曲折的形狀。2023/5/511第11頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、不均勻固溶體（K狀態(tài)）的電阻反常正常固溶體K狀態(tài)1高溫淬火后，在加熱過(guò)程中溫度越高電阻越低，超過(guò)一定溫度后，電阻--溫度曲線呈線性變化。高溫淬火后，在加熱過(guò)程中某一溫度區(qū)間具有反常高的電阻變化，超過(guò)一定溫度后，才使電阻--溫度曲線呈線性變化。2高溫淬火樣品的電阻率高于退火樣品。淬火樣品，回火處理電阻率降低。高溫淬火樣品的電阻率低于退火樣品。淬火樣品，回火處理電阻率升高。3退火固溶體經(jīng)冷加工后，電阻率升高。而回火或退火處理將導(dǎo)致電阻率下降。退火固溶體經(jīng)冷加工后，電阻率反而下降。而回火或退火處理將導(dǎo)致電阻率升高。2023/5/512第12頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四具有上述電阻反?，F(xiàn)象的合金狀態(tài)稱(chēng)為K狀態(tài)。如Ni-Cr,Ni-Cu-Zn,Fe-Cr-Al,Fe-Ni-Mo,Ag-Mn,Fe-Al等。反常的原因：由于溶質(zhì)和溶劑原子的不均勻分布所造成，即在固溶體中存在原子的偏聚區(qū)，其成分與固溶體的平均成分不同；或者是固溶體中存在著短程有序區(qū)域。上述原子富集區(qū)的尺寸約為幾個(gè)納米，它與電子波的波長(zhǎng)（2nm）相當(dāng)，故能強(qiáng)烈地散射電子，從而導(dǎo)致電阻率升高。凡是能破壞K狀態(tài)的手段，如加熱、加工等均可使電阻率下降。反之，若導(dǎo)致形成K狀態(tài)，則電阻率上升。2023/5/513第13頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4、中間相的導(dǎo)電性中間相（金屬化合物）的導(dǎo)電性通常要比其組元的導(dǎo)電性低得多，這是由于金屬鍵部分地為共價(jià)鍵或離子鍵所代替，減少了有效電子數(shù)。由于中間相所處的成分范圍較窄，因此組元成分的極小的偏離便會(huì)引起電阻率的明顯下降。2023/5/514第14頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四若形成具有離子性質(zhì)的化合物,可能呈現(xiàn)出半導(dǎo)體特性。電子化合物主要是金屬鍵結(jié)合，其導(dǎo)電性介于固溶體和中間相之間。如Cu-Zn合金：β、γ和ε相均比α固溶體具有較高的電阻率，γ相(Cu3Zn8、Cu9Al4等)的電阻率更大。間隙相通常具有明顯的金屬導(dǎo)電性，如TiC和ZrC是良好的導(dǎo)體，這是由于間隙相具有金屬鍵合特性，而且非金屬（C、H、N）也給出部分價(jià)電子參與傳導(dǎo)電子，導(dǎo)致有效電子數(shù)增加，電阻率下降。中間相電導(dǎo)率σ/S.m-1電離勢(shì)/eV性質(zhì)Mg2Pb5*1040.23金屬Sb2Zn101.11半導(dǎo)體Mg2Sn100.31半導(dǎo)體2023/5/515第15頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5、多相合金的導(dǎo)電性由于導(dǎo)電性是對(duì)組織極為敏感的性能，故多相合金的導(dǎo)電性不僅取決于組成相的導(dǎo)電性及相對(duì)量，而且還取決于組成相的形狀、大小、分布等。P50圖2.19電阻率與狀態(tài)圖關(guān)系示意圖2023/5/516第16頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四§4-4陶瓷材料的電學(xué)性能一、離子晶體的電導(dǎo)兩種形式：離子式電導(dǎo)：離子、缺位電子式電導(dǎo)：電子、空穴（一）、離子式電導(dǎo)本征離子電導(dǎo)：晶體熱缺陷形成的離子電導(dǎo)：Schottky,Frankel缺陷；雜質(zhì)電導(dǎo)：外來(lái)的雜質(zhì)離子電導(dǎo)。2023/5/517第17頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1、本征離子電導(dǎo)由于缺陷平衡濃度對(duì)于同一材料，只與溫度有關(guān)。因此，同一材料具有相同的電導(dǎo)，電導(dǎo)率的大小取決于材料的本質(zhì)，故稱(chēng)為本征電導(dǎo)式固有電導(dǎo)。離子電導(dǎo)的大小除了載流子的濃度外，還決定于載流子的荷電量及在電場(chǎng)中的遷移率，因此離子電導(dǎo)率為：2023/5/518第18頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四缺陷與晶格結(jié)點(diǎn)原子一樣，要發(fā)生遷移必須克服巨大的勢(shì)能（能壘）U。，由于U。相當(dāng)大，遠(yuǎn)大于一般應(yīng)用的電場(chǎng)強(qiáng)度，無(wú)法使載流子在純電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)。幸好，有熱運(yùn)動(dòng)能kT的存在，得以使缺陷（載流子）在晶體中形成跳動(dòng)遷移，在無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，這種遷移是無(wú)規(guī)、隨機(jī)的，單位時(shí)間內(nèi)遷移的次數(shù)，即跳動(dòng)的頻率為：在無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，由于往各個(gè)方向的跳動(dòng)幾率相同，故宏觀上無(wú)電荷的定向運(yùn)動(dòng)。2023/5/519第19頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2023/5/520第20頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四當(dāng)加上電場(chǎng)后，由于電場(chǎng)力的作用，晶體中載流子的運(yùn)動(dòng)勢(shì)場(chǎng)不再對(duì)稱(chēng)了，則載流子在不同方向上的遷移率就不同，從而產(chǎn)生電導(dǎo)。2023/5/521第21頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2023/5/522第22頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2023/5/523第23頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、雜質(zhì)離子電導(dǎo)雜質(zhì)一般與基質(zhì)形成固溶體，并隨之產(chǎn)生各種缺陷，其濃度N雜與溫度基本無(wú)關(guān)。其遷移率仍可按前述方法處理，因此上述電導(dǎo)公式仍然適用。只不過(guò)由于雜質(zhì)的生成不需要提供額外的活化能，因而其U較低，且N雜不隨溫度變化，因而σ隨溫度變化要緩和些。如果點(diǎn)陣中有幾種雜質(zhì)，則每種雜質(zhì)均對(duì)電導(dǎo)有貢獻(xiàn)，則晶體的總電導(dǎo)率為：這樣，就會(huì)使lnσ與1/T的關(guān)系線變成折線的形式。2023/5/524第24頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（1）低溫時(shí)，以雜質(zhì)電導(dǎo)為主；（2）高溫時(shí)，以本征電導(dǎo)為主；（3）雜質(zhì)含量越高，則從雜質(zhì)電導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)楸菊麟妼?dǎo)為主的溫度越高，雜質(zhì)貢獻(xiàn)越大；（4）尺寸小、電荷低的離子（如Na+,K+,Li+）等容易移動(dòng)，造成相當(dāng)大的電導(dǎo)，因此，在絕緣介質(zhì)陶瓷中，應(yīng)盡量少用。2023/5/525第25頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

2023/5/526第26頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2023/5/527第27頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（二）、電子式電導(dǎo)無(wú)機(jī)電介質(zhì)的電子能帶中禁帶的寬度很寬，約為6~10eV，滿帶中的電子實(shí)際上不可能因熱漲落而躍入導(dǎo)帶參與導(dǎo)電，因此其本征電子式電導(dǎo)可以忽略不計(jì)。但如果材料中有（1）變價(jià)離子存在；（2）受氣氛影響形成了非化學(xué)計(jì)量比化合物；（3）或材料中引入了不等價(jià)雜質(zhì)時(shí)，造成自由電子或空穴增加，則會(huì)產(chǎn)生電導(dǎo)。這種電導(dǎo)為電子式電導(dǎo)，其載流子為自由電子或電子空穴。由于自由電子或空穴的遷移率約為10-4m2S-1V-1，遠(yuǎn)大于離子的遷移率。因此，只要極少量的自由電子或空穴，即能形成很高的電導(dǎo)率，嚴(yán)重的甚至使介質(zhì)變成半導(dǎo)體或?qū)w。2023/5/528第28頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四在弱電場(chǎng)下電子式電導(dǎo)和溫度關(guān)系可表示為：在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，晶體的電子式電導(dǎo)率與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系不符合歐姆定律，而是服從布爾公式：2023/5/529第29頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四使電子式電導(dǎo)開(kāi)始增加的臨界電場(chǎng)約為107~108V.m-1，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度更高，接近擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，可用弗蘭克爾公式計(jì)算：2023/5/530第30頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、玻璃的電導(dǎo)玻璃的電導(dǎo)基本上是離子式電導(dǎo)，電子電導(dǎo)可以忽略。玻璃的結(jié)構(gòu)比較松散，一般，電導(dǎo)活化能比較低，電導(dǎo)率比相同組成的晶體大一些。單一成分的純玻璃中，由于其結(jié)構(gòu)仍有一定的規(guī)律性，其電阻率接近同組分的晶體。但在實(shí)際的工業(yè)玻璃或陶瓷材料的玻璃相中，為了改善工藝性能，往往加入其他金屬氧化物（如Na2O,K2O,CaO,MgO,BaO等），這些金屬氧化物稱(chēng)之為雜質(zhì)。雜質(zhì)的存在使玻璃的電性能受到很大影響，尤其是堿金屬氧化物使電導(dǎo)大大增加。2023/5/531第31頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四當(dāng)堿金屬濃度較低時(shí)，R2O只填充玻璃中的松散空隙，其作用只增加載流子數(shù)量，玻璃結(jié)構(gòu)不變；當(dāng)其濃度增加到一定程度后，由于空隙已填滿，則R2O進(jìn)入比較緊密部位，破壞玻璃結(jié)構(gòu)，使其變得松散，這樣除了載流子數(shù)目增加外，活化能也降低，因而電導(dǎo)率σ呈指數(shù)增加。2023/5/532第32頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1、中和效應(yīng)兩種不同堿金屬離子同時(shí)存在時(shí)，其電導(dǎo)率明顯下降。這是由于Na+,K+,Li+的氧離子配位數(shù)不同、配位體空間大小不同，當(dāng)一種離子移動(dòng)造成缺位后，另一種不同大小的離子難以進(jìn)入（畸變效應(yīng)），必須由同種離子填充，而且大離子的存在阻礙了小離子的移動(dòng)，相互干擾形成中和。同時(shí)加入二種堿土金屬離子不會(huì)出現(xiàn)中和效應(yīng)，而是相互疊加。2、壓抑效應(yīng)在含堿金屬玻璃中加入一種堿土金屬氧化物，能使電導(dǎo)率降低，相應(yīng)的二價(jià)陽(yáng)離子體積愈大，效應(yīng)愈強(qiáng)。原因：二價(jià)陽(yáng)離子同時(shí)與二個(gè)氧離子結(jié)合，因而不會(huì)使連續(xù)的玻璃網(wǎng)（鏈）中斷，相反還能把由于堿金屬離子破裂了的結(jié)構(gòu)網(wǎng)修補(bǔ)好，鞏固了玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)，使堿金屬離子移動(dòng)困難，堿土金屬離子本身尺寸大，難以移動(dòng)。無(wú)堿金屬離子存在的玻璃，稱(chēng)為無(wú)堿玻璃，其σ與純玻璃相近。2023/5/533第33頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、不同半徑的離子對(duì)玻璃電阻率的影響2023/5/534第34頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、陶瓷材料的電導(dǎo)陶瓷=晶相（高熔點(diǎn)、穩(wěn)定）

+玻璃（低熔點(diǎn)、連續(xù)網(wǎng)）所以，以玻璃的電導(dǎo)為主。2023/5/535第35頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四、快離子導(dǎo)體1、快離子導(dǎo)體的一般特征具有離子導(dǎo)電的固體物質(zhì)稱(chēng)為固體電解質(zhì)。有些固體電解質(zhì)的電導(dǎo)率比正常離子化合物的電導(dǎo)率高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故通常稱(chēng)它們?yōu)榭祀x子導(dǎo)體（FIC—FastIonicConductor）、最佳離子導(dǎo)體（OptimizedConductor）或超離子導(dǎo)體（SuperionicConductor）。它們主要有如下三組：1）銀和銅的鹵族和硫族化合物。金屬原子在這些化合物中鍵合位置相對(duì)隨意。2）具有β-氧化鋁結(jié)構(gòu)的高遷移率的單價(jià)陽(yáng)離子氧化物。3）具有氟化鈣（CaF2）結(jié)構(gòu)的高濃度缺陷氧化物，如CaO.ZrO2、Y2O3.ZrO2。2023/5/536第36頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四幾種快離子導(dǎo)體電導(dǎo)率和激活能材料電導(dǎo)率σ/Ω-1.cm-1激活能ΔHdc/eVα-AgI(146-555℃)Ag2S(>170℃)CuS(>91℃)AgAl11O17β-氧化鋁Bi2O3.25%Y2O31(150℃)3.8(200℃)0.2(400℃)0.1(500℃)0.35(300℃)0.25(1000℃)0.16(700℃)0.050.050.250.180.010.650.602023/5/537第37頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四晶體結(jié)構(gòu)的特征決定其導(dǎo)電的離子類(lèi)型和電導(dǎo)率的大小。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)上亞晶格是無(wú)序的并且具有空位。例如，在化合物Na3Zr2PSi2O12中，三維無(wú)序并具有離子遷移。對(duì)于β-氧化鋁(Na2O.11Al2O3)，Na+傳導(dǎo)是由二維缺陷進(jìn)行的，而LiAlSiO4的遷移路徑是一維的。總之，它們的結(jié)構(gòu)都具有以下四個(gè)特征。1)晶體結(jié)構(gòu)的主體是由一類(lèi)占有特定位置的離子構(gòu)成。2）具有大量的空位，這些空位數(shù)量遠(yuǎn)高于可移動(dòng)的離子數(shù)。因此，在無(wú)序的晶格里總是存在可供遷移離子占據(jù)的空位。3）亞晶格點(diǎn)陣之間具有近乎相等的能量和相對(duì)低的激活能。4）在點(diǎn)陣間總是存在通路，以至于沿著有利的路徑可以平移。2023/5/538第38頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、快離子導(dǎo)體的應(yīng)用1）電池材料β-氧化鋁，應(yīng)用于電池電解質(zhì)（如Na-S電池）。亞鐵磁性材料KF11O7為離子和電子的混合導(dǎo)電，因?yàn)楹蠪e2+和Fe3+混合離子，用于做電池的電極。2）立方氧化鋯氧探頭氧化鋯具有三種晶體結(jié)構(gòu)：通過(guò)加入低價(jià)離子代替部分鋯可以把立方晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定到室溫。立方ZrO2具有螢石的結(jié)構(gòu)，O2-離子排成簡(jiǎn)單立方，在點(diǎn)陣的1/2處占據(jù)著Zr4+間隙原子，如圖所示。低價(jià)陽(yáng)離子置換Zr4+導(dǎo)致O2-離子空位的形成?？瘴环€(wěn)定了結(jié)構(gòu)，同樣導(dǎo)致在氧的亞晶格中高的遷移率。2023/5/539第39頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2023/5/540第40頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四立方穩(wěn)定氧化鋯的重要應(yīng)用是用于測(cè)量氣體中或熔融金屬中的氧含量，其結(jié)構(gòu)如圖所示。電動(dòng)勢(shì)為2023/5/541第41頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2023/5/542第42頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四五、半導(dǎo)體陶瓷材料前面介紹了陶瓷材料的漏導(dǎo)機(jī)理及有關(guān)的影響因素，以便采取措施降低漏導(dǎo)，提高電阻率，以滿足絕緣元件的要求。然而陶瓷材料的電導(dǎo)絕非是絕對(duì)的壞事，陶瓷材料也不僅是絕緣材料，半導(dǎo)體和導(dǎo)電陶瓷材料，由于有金屬材料不可比擬的優(yōu)越性，如化學(xué)穩(wěn)定性好、抗熱震性好、耐高溫、耐高壓、抗腐蝕等，正引起人們的日益重視。因此，陶瓷材料亦可分為：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體和超導(dǎo)體。2023/5/543第43頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1、氧化錫陶瓷經(jīng)高溫?zé)Y(jié)的SnO2，由于高溫失氧，造成陰離子缺位，引起晶格畸變，并生成非化學(xué)計(jì)量比化合物SnO2-x，使材料內(nèi)部出現(xiàn)自由電子，形成N型半導(dǎo)體，室溫下的體積電阻率為：ρv=104~105Ω.m。為了提高導(dǎo)電性，必須造成更大量的缺陷，缺陷濃度越大，越接近導(dǎo)體。工藝上采用各種“摻雜”氧化物提高其導(dǎo)電性，其中以Sb2O3,MnO2,CuO等最好。如:96%SnO2+2%CuO+2%Sb2O3配成的坯料，以9.8*107N.m-2壓力壓制，在1723K燒結(jié)。試件293K時(shí)的電阻率ρv=10-3Ω.m，比純SnO2低7~8個(gè)數(shù)量級(jí)，電導(dǎo)活化能由1eV降低到0.1~0.2eV。2023/5/544第44頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四右圖是SnO2的電阻率溫度曲線。溫度上升，電阻率急劇下降，在高溫下，二氧化錫陶瓷是很好的導(dǎo)電材料，另外，它能抗熱震、熱膨脹小、導(dǎo)電率高，因此常被用作輸送電流的電加熱元件。尤其是它耐玻璃液侵蝕的優(yōu)點(diǎn)，使它可以用來(lái)做玻璃電熔的電極材料。為了進(jìn)一步提高低溫導(dǎo)電性，采用惰性氣氛或真空對(duì)氧化錫陶瓷進(jìn)行熱處理，可使其常溫電阻率進(jìn)一步降低6~7個(gè)數(shù)量級(jí)。2023/5/545第45頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、燒結(jié)氧化鋯發(fā)熱體燒結(jié)ZrO2具有很高的熔點(diǎn)及很好的化學(xué)穩(wěn)定性，是一種高級(jí)耐火材料。而用CaO,MgO,Y2O3等穩(wěn)定的二氧化鋯在高溫時(shí)（1273K以上）是一種相當(dāng)好的導(dǎo)體。其電阻率與穩(wěn)定劑種類(lèi)及數(shù)量有關(guān)，如用0.5%CaO穩(wěn)定的ZrO2發(fā)熱體，一直可升溫至2073K以上。燒結(jié)氧化鋯的導(dǎo)電機(jī)理是由于CaO，MgO，Y2O3等穩(wěn)定劑的加入，與ZrO2生成假立方晶型的固溶體，由于不等價(jià)的陽(yáng)離子置換，造成陽(yáng)離子過(guò)剩，而過(guò)剩的陽(yáng)離子，如Ca++體積太大，不能填入間隙位置，只能占據(jù)正常陽(yáng)離子節(jié)點(diǎn)位置，因而出現(xiàn)陰離子缺位，晶格發(fā)生畸變，造成缺陷，使電導(dǎo)活化能大大降低，電阻率下降。溫度升高，電導(dǎo)率呈指數(shù)上升，造成良好的高溫導(dǎo)電性。2023/5/546第46頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四低溫下穩(wěn)定氧化鋯的電阻率還很大，故作為發(fā)熱元件，必須先進(jìn)行預(yù)熱（往往用碳硅棒），當(dāng)預(yù)熱至1273K以上，開(kāi)始導(dǎo)電發(fā)熱。3、其他半導(dǎo)體陶瓷的電導(dǎo)特性一些半導(dǎo)體陶瓷材料的電阻對(duì)熱、光、聲、磁、濕、電壓或某種氣體的變化特別敏感，產(chǎn)生一系列的敏感效應(yīng)。（1）熱敏陶瓷摻雜的BaTiO3(稀土金屬氧化物摻雜)，在居里點(diǎn)附近，發(fā)生相變時(shí)，電阻率劇增103~106量級(jí)。用途：熱敏溫度計(jì)，電路溫度補(bǔ)償器，無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。2023/5/547第47頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（2）壓敏陶瓷（對(duì)電壓敏感）電阻率~電壓呈函數(shù)關(guān)系，如半導(dǎo)體氧化鋅陶瓷。用途：電壓吸收，高壓穩(wěn)定，避雷器等。（3）光敏陶瓷光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度，形成光電導(dǎo)，利用光敏電阻可實(shí)現(xiàn)照明自動(dòng)化。如Ge,Si,InSb,CdS,PbS,CdSe等。（4）氣敏陶瓷SnO2，ZnO等。對(duì)還原性氣體特別敏感，可作為指示燈或電子報(bào)警。汽油站、氣站、煤礦瓦斯監(jiān)控等。2023/5/548第48頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四§4-5

超導(dǎo)體一、發(fā)展簡(jiǎn)況P73~74二、超導(dǎo)態(tài)特性和超導(dǎo)體的三個(gè)性能指標(biāo)1、超導(dǎo)體的三個(gè)特性：(1)它的完全導(dǎo)電性，無(wú)電阻（<10-25Ω.cm）；(2)它的完全抗磁性；(3)它的通量量子化。2、超導(dǎo)體的三個(gè)性能指標(biāo)(1)超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度TC；(2)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度BC；(3)臨界電流密度JC。2023/5/549第49頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、超導(dǎo)體的分類(lèi)超導(dǎo)體分為兩類(lèi)。元素超導(dǎo)體除V、Nb、Ta外都屬于I類(lèi)超導(dǎo)體，他們的磁化行為如圖1所示。V、Nb、Ta以及合金和化合物超導(dǎo)體都是II類(lèi)超導(dǎo)體，他們的磁化行為如圖2所示。（P67~68）2023/5/550第50頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四、應(yīng)用超導(dǎo)體的應(yīng)用十分廣泛，隨著研究的不斷深入，將得到更加廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有以及即將應(yīng)用的領(lǐng)域有：1、醫(yī)用核磁共振（NMR）成像系統(tǒng)；2、實(shí)驗(yàn)物理用粒子加速器；3、發(fā)動(dòng)機(jī)；4、磁懸浮列車(chē)；5、核聚變裝置（約束聚合反應(yīng)）；6、電能儲(chǔ)存系統(tǒng)；7、電源變壓器；8、超導(dǎo)量子干涉儀；9、電子計(jì)算機(jī)；10、電能輸送。2023/5/551第51頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四§4-7電導(dǎo)功能材料廣義電導(dǎo)功能材料包括：導(dǎo)電材料、電阻材料、電觸點(diǎn)材料、電阻元件、電阻器、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體等，本節(jié)只簡(jiǎn)單介紹前三種材料。一、導(dǎo)電材料(1)銅和銅系導(dǎo)電材料（無(wú)氧銅OF-HC）P70圖2.56雜質(zhì)對(duì)銅電導(dǎo)率的影響。(2)鋁和鋁系導(dǎo)電材料(3)其他導(dǎo)電材料2023/5/552第52頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、電阻材料基本要求：電阻溫度系數(shù)小、阻值穩(wěn)定、電阻率適當(dāng)、加工連接容易。1、精密電阻合金Mn-Cu合金、Cu-Ni合金2、電熱合金Ni-Cr、Fe-Cr-Al、Fe-Cr-Al-Mo(-W)(-Nb)3、高溫加熱元件和電極（陶瓷電熱元件）SiC、MoSi2、LaCrO3、SnO2-x、ZrO2P71表2.12給出了常用精密電阻合金成分及其性能P72表2.13給出了電熱合金成分及性能2023/5/553第53頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、電觸點(diǎn)材料1、接觸電阻及其產(chǎn)生原因接觸電阻：