材料性能學(xué)第十章-材料的電學(xué)性能

電學(xué)性能包括：導(dǎo)電性、超導(dǎo)性、介電性、磁電性、熱電性、壓電性和光電性等。材料的導(dǎo)電性能是材料的重要物理性能之一。工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ牧想娦阅艿囊?，制備出具有特殊電學(xué)性能的合金材料。如：導(dǎo)體合金，精密電阻合金，電熱合金，超導(dǎo)材料等。具體的如：電線，電爐，熱電偶等。第十章材料的電學(xué)性能2一、導(dǎo)電材料白川英樹黑格麥克迪爾米德導(dǎo)電高分子材料1977年，Heeger、MacDiarmid和白川英樹發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或I2蒸氣氧化后，其電導(dǎo)率可提高幾個數(shù)量級。通過改變催化劑的制備方法和取向，電導(dǎo)率可達(dá)105S·cm－1。（Cu為108S·cm－1

）。2000年諾貝爾化學(xué)獎。3二、絕緣材料導(dǎo)熱絕緣材料陶瓷系列插座電工絕緣膠帶

4三、半導(dǎo)體材料CPU(CentralProcessingUnit)

第十章材料的電學(xué)性能本章主要討論材料的導(dǎo)電、介電機理，影響材料導(dǎo)電、介電性能的因素，以及導(dǎo)電、介電性能參數(shù)的測量和應(yīng)用。還對材料的熱電性能、半導(dǎo)體的導(dǎo)電敏感性、材料的絕緣性能等作簡要介紹。第一節(jié)導(dǎo)電性能第一節(jié)導(dǎo)電性能一、電阻與導(dǎo)電的基本概念歐姆定律：當(dāng)在材料的兩端施加電壓時，材料中有電流流過電阻與材料的性質(zhì)有關(guān)，還與材料的長度及截面積有關(guān)電阻率只與材料本性有關(guān)，而與導(dǎo)體的幾何尺寸是無關(guān)，作為評定導(dǎo)電性的基本參數(shù)第一節(jié)導(dǎo)電性能一、電阻與導(dǎo)電的基本概念電導(dǎo)率：導(dǎo)體材料：ρ<10-2Ω.m,純金屬為10-8－10-7Ω.m

合金為：10-7－10-5Ω.m半導(dǎo)體材料：ρ=10-2-109Ω.m絕緣體材料：ρ＞1010Ω.m

各種材料在室溫的電導(dǎo)率金屬和合金(Ω-1.m-1)非金屬（Ω-1.m-1）銀銅，工業(yè)純金鋁,工業(yè)純

Al-1.2%,Mn合金鈉鎢，

工業(yè)純黃銅（70%Cu-30%Zn鎳,工業(yè)純純鐵,工業(yè)純鈦,工業(yè)純不銹鋼，301型鎳鉻合金

(80%Ni-20%Cr）6.3*1075.85*1074.25*1073.45*1072.96*1072.1*1071.77*1071.66*1071.46*1071.03*1070.24*1070.14*1070.093*107石墨SiC鍺，純硅，純苯酚甲醛（電木）窗玻璃

氧化鋁（Al2O3）云母甲基丙烯酸甲酯氧化鈹（BeO）聚乙烯聚苯乙烯金剛石石英玻璃聚四氟乙烯105(平均)102.24.3*10-410-7-10-11<10-1010-10-10-1210-11-10-15〈10-1210-12-10-15〈10-14〈10-14〈10-14〈10-16〈10-16對材料導(dǎo)電性物理本質(zhì)的認(rèn)識是從金屬開始的，首先提出了經(jīng)典自由電子導(dǎo)電理論，后來隨著量子力學(xué)的發(fā)展，又提出了量子自由電子理論和能帶理論。第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理經(jīng)典電子理論認(rèn)為，在金屬晶體中，離子構(gòu)成了晶格點陣，并形成一個均勻的電場，價電子是完全自由的，它們的運動遵循經(jīng)典力學(xué)氣體分子的運動規(guī)律，在沒有外加電場作用時，金屬中的自由電子沿各個方向運動的幾率相同，因此不產(chǎn)生電流。第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理洛侖茲當(dāng)對金屬施加外電場時，自由電子沿電場方向作加速運動，從而形成了電流。在自由電子定向運動過程中，要不斷與正離子發(fā)生碰撞，使電子受阻，這就是產(chǎn)生電阻的原因。第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理從上式可以看到，金屬的導(dǎo)電性取決于自由電子的數(shù)量、平均自由程和平均運動速度。自由電子數(shù)量越多導(dǎo)電性應(yīng)當(dāng)越好。但事實卻是二、三價金屬的價電子雖然比一價金屬的多，但導(dǎo)電性反而比一價金屬還差。此外，這一理論也不能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的產(chǎn)生。第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理量子自由電子理論同樣認(rèn)為金屬中正離子形成的電場是均勻的，價電子與離子間沒有相互作用，且為整個金屬所有，可以在整個金屬中自由運動。但這一理論認(rèn)為，金屬中每個原子的內(nèi)層電子基本保持著單個原子時的能量狀態(tài)，而所有價電子卻按量子化規(guī)律具有不同的能量狀態(tài)，即具有不同的能級。第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理“量子理論”之父-普朗克1918年獲諾貝爾獎。這一理論認(rèn)為，電子具有波粒二象性。運動著的電子作為物質(zhì)波，其頻率和波長與電子的運動速度或動量之間有如下關(guān)系:第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理波數(shù)k=第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理一價金屬中自由電子的動能E，K為波數(shù)頻率，表征自由電子可能具有的能量狀態(tài)參數(shù)從粒子的觀點看，曲線表示自由電子的能量與速度(或動量)之間的關(guān)系；從波動的觀點看，曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關(guān)系；電子的波數(shù)越大，則能量越高沒有加外加電場時自由電子沿正、反方向運動著電子數(shù)量相同，沒有電流產(chǎn)生。第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理在外加電場的作用下，從而使正反向運動的電子數(shù)不等，使金屬導(dǎo)電，且只有處于較高能態(tài)的自由電子參與導(dǎo)電。量子力學(xué)證明，對于一個絕對純的理想的完整晶體，0K時，電子波的傳播不受阻礙，形成無阻傳播，電阻為零，導(dǎo)致所謂的超導(dǎo)現(xiàn)象。第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理實際金屬內(nèi)部存在著缺陷和雜質(zhì)。缺陷和雜質(zhì)產(chǎn)生的靜態(tài)點陣畸變和熱振動引起的動態(tài)點陣畸變，對電磁波造成散射，這是金屬產(chǎn)生電阻的原因。由此導(dǎo)出的電導(dǎo)率為：第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理nef為單位體積內(nèi)參與導(dǎo)電的電子數(shù)，稱為有效自由電子數(shù)，不同材料nef不同。一價金屬的nef比二、三價金屬多，因此它們的導(dǎo)電性較好。量子自由電子理論較好地解釋了金屬導(dǎo)電的本質(zhì)，但它假定金屬中的離子所產(chǎn)生的勢場是均勻的，顯然這與實際情況有一定差異。第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理能帶理論：晶體中電子能級間的間隙很小，能級的分布可看成是準(zhǔn)連續(xù)的，或稱為能帶。能帶理論也認(rèn)為金屬中的價電子是公有化和能量是量子化的，所不同的是，它認(rèn)為金屬中由離子所造成的勢場不是均勻的，而是呈周期變化的。

能帶理論就是研究金屬中的價電子在周期勢場作用下的能量分布問題。第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理價電子在金屬中的運動就不能看成是完全自由的，而是要受到周期場的作用，由于周期場的影響，使得價電子在金屬中以不同能量狀態(tài)分布的能帶發(fā)生分裂，即有某些能態(tài)是電子不能取值的，如圖所示：第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理能隙所對應(yīng)的能帶稱為禁帶，而將電子可以具有的能級所組成的能帶稱為允帶，允帶與禁帶相互交替，形成了材料的能帶結(jié)構(gòu)?？漳芗壥侵冈蕩е形幢惶顫M電子的能級，具有空能級允帶中的電子是自由的，在外電場的作用下參與導(dǎo)電，所以這樣的允帶稱為導(dǎo)帶。固體中若有N個原子，每個原子內(nèi)的電子有相同的分立的能級，當(dāng)這N個原子逐漸靠近時，原來束縛在單原子中的電子，不能在一個能級上存在，從而只能分裂成N個非?？拷哪芗?，因為能量差甚小，可看成能量連續(xù)的區(qū)域，稱為能帶。1s2s2p3s鈉(1s22s22p63s1)晶體能帶滿帶

半滿帶空帶3p圖

導(dǎo)體內(nèi)的能帶第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)特點空帶禁帶滿帶允帶第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理導(dǎo)體允帶內(nèi)的能級未被填滿，允帶之間沒有禁帶或允帶相互重疊，在外電場的作用下電子很容易從一個能級轉(zhuǎn)到另一個能級上去而產(chǎn)生電流。空帶禁帶滿帶允帶第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理絕緣體

一個滿帶上面相鄰的是一個較寬的禁帶，由于滿帶中的電子沒有活動的余地，即使禁帶上面的能帶完全是空的，在外電場的作用下電子也很難跳過禁帶，即不能產(chǎn)生電流?？諑Ы麕M帶允帶第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相同，不同的是它的禁帶比較窄；半導(dǎo)體的能帶在外界（熱、光輻射等）作用下，價帶中的電子就有能量可能躍遷到導(dǎo)帶中去?？諑Ы麕M帶允帶第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理半導(dǎo)體在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。分為：空穴導(dǎo)電與電子導(dǎo)電本征導(dǎo)電：電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。GeSi硅、鍺原子的結(jié)構(gòu)+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子可以認(rèn)為空穴是一種帶正電荷的粒子?？昭ㄟ\動的實質(zhì)是共有電子依次填補空位的運動。

電子和空穴在外電場的作用下都將作定向運動，這種作定向運動電子和空穴（載流子）參與導(dǎo)電，形成本征半導(dǎo)體中的電流。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。+4+4+4+4當(dāng)溫度升高時，有更多的電子能夠跳到下一個能帶去。這有兩個結(jié)果：在上面的導(dǎo)帶中少數(shù)電子所起的作用和它們在金屬中所起的作用相同；而價帶中留下的空態(tài)即空穴起著類似的作用，不過它們好象是正的電子，因此，它們有來自導(dǎo)帶中的激發(fā)電子和來自價帶中的空穴的導(dǎo)電性；溫度升高時，由于有更多的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，所以電導(dǎo)率隨溫度而迅速增加。例如，在硅中，當(dāng)溫度從250K增加到450K時，激發(fā)電子的數(shù)目增加106倍。因此，半導(dǎo)體是這樣一些絕緣體，它們的價帶和導(dǎo)帶之間的能隙約為1eV或更小，因而比較容易用加熱方法把電子從價帶中激發(fā)到導(dǎo)帶中。第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理半導(dǎo)體

雜質(zhì)對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響很大。例如在單晶硅中摻人十萬分之一的硼原子時，可使其導(dǎo)電能力增加一千倍。按雜質(zhì)的性質(zhì)不同，摻雜半導(dǎo)體可分為n型和P型兩種，n型半導(dǎo)體的載流子主要是導(dǎo)帶中的電子，而p型半導(dǎo)體的載流子主要是空穴。第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理2、無機非金屬導(dǎo)電機理自由電子導(dǎo)電的能帶理論可以解釋金屬和半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電現(xiàn)象，卻難以解釋如陶瓷、玻璃及高分子材料等非金屬材料的導(dǎo)電機理。金屬材料導(dǎo)電的載流子是自由電子，而無機非金屬材料導(dǎo)電的載流子可以是電子、電子空穴，或離子、離子空位。載流子是電子或電子空穴的電導(dǎo)稱為電子式電導(dǎo)，載流子是離子或離子空位的稱為離子式電導(dǎo)。第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理2、無機非金屬導(dǎo)電機理(1)離子晶體的導(dǎo)電機理離子晶體中空位的遷移，涉及離子運動晶體的離子電導(dǎo)可以分為兩類：第一類離子固有電導(dǎo)或本征電導(dǎo)（熱缺陷）第二類雜質(zhì)電導(dǎo)（雜質(zhì)的數(shù)量和種類）低溫下，離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定。存在的多種載流子時，材料的總電導(dǎo)率是各種電導(dǎo)率的總和。（1）源于晶體點陣中基本離子的運動，稱為離子固有電導(dǎo)或本征電導(dǎo)。這種離子自身隨著熱振動的加劇而離開晶格振點，形成熱缺陷。熱缺陷弗侖克爾缺陷肖特基缺陷能量大的離子離開平衡位置擠到晶格點的間隙中形成間隙原子，原來位置形成空位。正常格點上的原子獲得能量離開平衡位置遷移到晶體表面，在晶體內(nèi)正常格點上留下空位。39（2）雜質(zhì)電導(dǎo)此類電導(dǎo)是結(jié)合力較弱的離子運動造成的，這些離子主要是雜質(zhì)離子，故稱為雜質(zhì)電導(dǎo)。置換雜質(zhì)原子間隙雜質(zhì)原子因雜質(zhì)離子的存在，不僅增加電流載體數(shù)量，而且使點陣發(fā)生畸變，雜質(zhì)離子離解活化能變小。40低溫下，離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定。由雜質(zhì)引起的電導(dǎo)率可用下式表示：41熱缺陷的濃度隨溫度的升高而增大，因此本征電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系為：As取決于可遷移的離子數(shù)，即離子從一個空位到另一個空位的距離以及有效的空位數(shù)目；Es與可遷移的離子從一個空位跳到另一個空位的難易程度有關(guān)，通常稱為離子激活能。一般情況下本征離子電導(dǎo)率可以簡化為：第一節(jié)導(dǎo)電性能二、導(dǎo)電機理2、無機非金屬導(dǎo)電機理（2）玻璃的導(dǎo)電機理離子在結(jié)構(gòu)中的可動性所導(dǎo)致，如在鈉玻璃中，鈉離子在二氧化硅網(wǎng)絡(luò)中從一個間隙跳到另一個間隙，造成電流流動。這與離子晶體中的間隙離子導(dǎo)電類似。玻璃的組成對玻璃的電阻影響很大，影響方式也很復(fù)雜。玻璃導(dǎo)電卡茂林-昂內(nèi)斯1911年在實驗中發(fā)現(xiàn):在4.2K溫度附近，水銀的電阻突然下降到無法測量的程度，或者說電阻為零，這種在一定的低溫條件下材料突然失去電阻的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。超導(dǎo)體中有電流而沒有電阻，說明超導(dǎo)體是等電位的，超導(dǎo)體內(nèi)沒有電場。材料由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)的溫度稱為臨界溫度，并以Tc表示。第一節(jié)導(dǎo)電性能三、超導(dǎo)電性超導(dǎo)體的兩個基本特征：一個基本特性是它的完全導(dǎo)電性另一基本特性是它的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）屏蔽磁場和排除磁通第一節(jié)導(dǎo)電性能三、超導(dǎo)電性常導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)體的3個重要性能指標(biāo)（1）臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc

正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)的溫度臨界轉(zhuǎn)變溫度越高越好，越有利于應(yīng)用（2）臨界磁場Hc

能破壞超導(dǎo)態(tài)的最小磁場

Hc值隨溫度降低而增加

(3)臨界電流密度Jc

材料保持超導(dǎo)態(tài)狀態(tài)的最大輸入電流密度第一節(jié)導(dǎo)電性能三、超導(dǎo)電性超導(dǎo)理論模型：庫柏電子對(BCS)

電子-聲子相互作用所產(chǎn)生電子對，雜質(zhì)原子和缺陷對電子對不能進(jìn)行有效的散射。物理學(xué)家麥克米蘭根據(jù)傳統(tǒng)理論計算推斷，超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度不能超過40K（約-233℃），這個溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。第一節(jié)導(dǎo)電性能三、超導(dǎo)電性

1960年代開始研究氧化物超導(dǎo)體；

1986年，J．G．Bednore和K．A．Muller發(fā)現(xiàn)了Tc為35K的Ba-La-Cu系氧化物超導(dǎo)體，獲得諾貝爾獎。

1987年2月我國科學(xué)家趙忠賢等人得到了Tc在液氮以上溫度(63K-78K)的Y—Ba—Cu—O系超導(dǎo)體，屬銅氧化物一個高溫超導(dǎo)體家族，即所謂的123材料，目前已發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)溫度達(dá)133K以上的此類超導(dǎo)氧化物。但這種材料易脆，屬于金屬陶瓷材料，其加工工藝嚴(yán)苛，綜合成本相當(dāng)高，影響了它的廣泛應(yīng)用；此外，關(guān)于這一家族的高溫超導(dǎo)電性的機理一直也沒有解決。

2008年2月18日，日本東京工業(yè)大學(xué)的細(xì)野秀雄教授與合作者在《美國化學(xué)會志》上發(fā)表了一篇兩頁的文章，指出氟摻雜鑭氧鐵砷(LaOFeAs)化合物在26K（－247.15℃）時具有超導(dǎo)電性。雖然26K距40K也還有一段距離，但它立刻引起了中國科學(xué)家的高度關(guān)注。第一節(jié)導(dǎo)電性能三、超導(dǎo)電性

2013年3月29日，趙忠賢、任治安通過氟摻雜的鐠氧鐵砷化合物的超導(dǎo)臨界溫度可達(dá)更高的52K（-221.15℃）；4月初該研究組又發(fā)現(xiàn)無氟缺氧釤氧鐵砷化合物在壓力環(huán)境下合成超導(dǎo)臨界溫度可進(jìn)一步提升至55K（-218.15℃），創(chuàng)造了世界鐵基超導(dǎo)體臨界溫度的最高紀(jì)錄。趙忠賢研究組利用高壓合成技術(shù)高效地制備了一大批不同元素構(gòu)成的鐵基超導(dǎo)材料，轉(zhuǎn)變溫度很多都是50K以上的，創(chuàng)造了55K的鐵基超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度紀(jì)錄并制作了相圖，這被國際物理學(xué)界公認(rèn)為鐵基高溫超導(dǎo)家族基本確立的標(biāo)志。因此趙忠賢研究組獲得了2013年度國家自然科學(xué)一等獎。自2000年起，國家自然科學(xué)一等獎13年里有9次空缺，已經(jīng)連續(xù)空缺3年，最近一次頒獎是在2009年。第一節(jié)導(dǎo)電性能三、超導(dǎo)電性如高溫超導(dǎo)濾波器已被應(yīng)用于手機和衛(wèi)星通訊，明顯改善了通訊信號和能量損耗；世界上各醫(yī)院使用的磁共振成像儀器中的磁體基本上都是由超導(dǎo)材料制成的；使用的超導(dǎo)量子干涉器件裝備在醫(yī)療設(shè)備上使用，大大加強了對人體心腦探測檢查的精確度和靈敏度；世界上首個示范性超導(dǎo)變電站也已經(jīng)在我國電網(wǎng)投入使用，它具備體積小、效率高、無污染等優(yōu)點，是未來變電站發(fā)展的趨勢；目前可以量產(chǎn)的高溫超導(dǎo)線材的傳輸能力是傳統(tǒng)銅電纜的10倍之多，可以自動抑制電網(wǎng)中的脈沖現(xiàn)象，并且具有體積小的特點，將成為城市電力的重要組成部分……。專家甚至預(yù)測，比高鐵快近一倍的超導(dǎo)磁懸浮列車，比現(xiàn)有計算機快數(shù)十倍的超導(dǎo)計算機，還有基于超導(dǎo)技術(shù)的導(dǎo)彈防御和潛艇探測系統(tǒng)，都將在不遠(yuǎn)的未來走進(jìn)我們的生活、生產(chǎn)和國防。第一節(jié)導(dǎo)電性能三、超導(dǎo)電性超導(dǎo)研究史上獲得諾貝爾獎的十位物理學(xué)家影響材料導(dǎo)電性能的因素主要有溫度、化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)及缺陷的濃度及其遷移率等。但不同種類的材料導(dǎo)電機理各異，影響因素及其影響程度也不盡相同。由于金屬材料是常用的導(dǎo)電材料，所以下面僅對影響金屬材料導(dǎo)電性的主要因素進(jìn)行分析。第一節(jié)導(dǎo)電性能四、影響材料導(dǎo)電性的因素

金屬電阻率隨溫度升高而增大溫度升高會使離子振動加劇，熱振動振幅加大，原子的無序度增加，使電子運動的自由程減小，散射幾率增加而導(dǎo)致電阻率增大。第一節(jié)導(dǎo)電性能四、影響材料導(dǎo)電性的因素1、溫度的影響

在德拜溫度以上，電子是完全自由的，完整的晶體中電子的散射取決于溫度造成的點陣畸變，金屬的電阻取決于離子的熱振動。

純金屬的電阻率與溫度關(guān)系第一節(jié)導(dǎo)電性能四、影響材料導(dǎo)電性的因素1、溫度的影響當(dāng)溫度較低(低于德拜溫度)時應(yīng)考慮振動原子與導(dǎo)電電子之間的相互作用，電阻率與溫度的關(guān)系當(dāng)溫度接近于0K時(T＜2K），電子的散射主要是電子與電子間的相互作用，點陣畸變造成殘留電阻率。第一節(jié)導(dǎo)電性能四、影響材料導(dǎo)電性的因素1、溫度的影響大多數(shù)金屬在熔化成液態(tài)時，其電阻率會突然增大約1-2倍。這是由于原子長程排列被破壞，從而加強了對電子的散射所引起的。但也有些金屬如銻、鉍、鎵等，他們在熔化時電阻率反而下降。主要是熔化時共價鍵被破壞，轉(zhuǎn)為以金屬鍵結(jié)合為主，故使電阻率下降。第一節(jié)導(dǎo)電性能四、影響材料導(dǎo)電性的因素1、溫度的影響

冷塑性變形使金屬的電阻率增大晶體點陣畸變和晶體缺陷增加，特別是空位濃度的增加，點陣電場不均勻加劇對電磁波散射。*原子間距改變再結(jié)晶退火可使電阻率恢復(fù)到冷變形前的水平。拉應(yīng)力造成原子間距增大，點陣畸變增加，電阻率上升，壓應(yīng)力相反。第一節(jié)導(dǎo)電性能四、影響材料導(dǎo)電性的因素2、冷塑性變形和應(yīng)力的影響（1）固溶體的導(dǎo)電性

一般情況下，形成固溶體時合金的電導(dǎo)率降低，電阻率增高。主要原因是溶質(zhì)原子的溶人引起溶劑點陣的畸變，增加了電子的散射，使電阻增大，同時由于組元間化學(xué)相互作用的加強使有效電子數(shù)減少，也會造成電阻率的增長。第一節(jié)導(dǎo)電性能四、影響材料導(dǎo)電性的因素3、合金化對導(dǎo)電性的影響(2)金屬化合物的導(dǎo)電性金屬化合物的導(dǎo)電能力都比較差原因：導(dǎo)電電子數(shù)減少(3)多相合金的電阻率與組成相的導(dǎo)電性及相對量、合金的組織形態(tài)有關(guān)第一節(jié)導(dǎo)電性能四、影響材料導(dǎo)電性的因素3、合金化對導(dǎo)電性的影響(1)雙電橋法雙電橋法是測量小電阻的常用方法，有較高的精度，電阻值在0.0001-0.001Ω范圍內(nèi)，精度可達(dá)0.2%-0.3%。(2)電位差計法測量小電阻有很高的精度，第一節(jié)導(dǎo)電性能五、導(dǎo)電性的測量及應(yīng)用1、電阻測量方法(3)安培-伏特計法毫伏計的阻值越高，試樣的阻值越小，誤差越小。測量方便、快速，并可以連續(xù)進(jìn)行測量和自動記錄，它適用于快速測量小電阻的連續(xù)變化。(4)直流四端電極法中、高電導(dǎo)率的材料，消除電極非歐姆接觸對測量結(jié)果的影響。第一節(jié)導(dǎo)電性能1、電阻測量方法五、導(dǎo)電性的測量及應(yīng)用測量電阻率的變化來研究金屬與合金的組織結(jié)構(gòu)變化(1)測量固溶體的溶解度曲線第一節(jié)導(dǎo)電性能2、電阻分析的應(yīng)用五、導(dǎo)電性的測量及應(yīng)用(2)測定形狀記憶合金中的相變溫度

熱電材料是一種通過固體內(nèi)部載流子運動實現(xiàn)電能與熱能之間相互轉(zhuǎn)換的功能材料，也稱為溫差電材料。此種材料能夠在足夠的溫差下產(chǎn)生電動勢，達(dá)到以熱生電的現(xiàn)象。在另一方面也能夠在供給電流下產(chǎn)生吸熱或放熱的效應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到以電生熱或制冷的現(xiàn)象。第二節(jié)熱電性能第二節(jié)熱電性能一、熱電效應(yīng)1、Peltier（帕耳帖）效應(yīng)2、Thomson（湯姆遜）效應(yīng)3、Seebeck（塞貝克）效應(yīng)是由電流引起的可逆熱效應(yīng)和溫差引起的電效應(yīng)的總稱，它包括三個相互關(guān)聯(lián)的效應(yīng)：第二節(jié)熱電性能一、熱電效應(yīng)1、Peltier效應(yīng)(電制冷現(xiàn)象)：1834年法國J.C.A.Peltier電流流過兩種不同導(dǎo)體的界面時，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量。這就是帕爾帖效應(yīng)。QAB：帕耳帖熱；I：回路中的電流；PAB：帕耳帖系數(shù)（與金屬的本性和溫度有關(guān)）QAB=PABIt帕爾帖效應(yīng)的物理解釋是：電荷載體在導(dǎo)體中運動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當(dāng)它從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。

第二節(jié)熱電性能一、熱電效應(yīng)2、Thomson效應(yīng)：1854年英國W.Thomson當(dāng)一根金屬導(dǎo)線兩端溫度不同時，若通以電流，則在導(dǎo)線中除產(chǎn)生焦?fàn)枱嵬?，還要產(chǎn)生額外的吸放熱現(xiàn)象.這種熱電現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)。電流方向與導(dǎo)線中熱流方向一致時產(chǎn)生放熱效應(yīng)，反之產(chǎn)生吸熱效應(yīng)。吸收或放出的熱量稱為湯姆遜熱QT。S

：Thomson系數(shù)第二節(jié)熱電性能一、熱電效應(yīng)3、Seebeck效應(yīng)(熱生電現(xiàn)象)：1821年德國T.J.Seebeck當(dāng)兩種不同的金屬A、B組成回路，且兩接觸點的溫度不同時，在回路中產(chǎn)生電流。接觸電勢差：熱電勢：V：逸出電勢N：有效電子密度第二節(jié)熱電性能二影響熱電勢的因素1、金屬本性的影響

不同金屬由于其電子逸出功和自由電子密度不同，熱電勢也不相同。純金屬的熱電勢可按以下次序排列，其中任一后者的熱電勢相對于前者為負(fù):Si、Sb、Fe、Mo、Cd、W、Au、Ag、Zn、Rh、Ir、Tl、Cs、Ta、Sn、Pb、Mg、Al、Hg、Pt、Na、Pd、K、Ni、Co、Bi。第二節(jié)熱電性能1、金屬本性的影響中間金屬定律：如在兩根不同的金屬絲之間串聯(lián)進(jìn)另一種金屬，只要串聯(lián)金屬兩端的溫度相同，則回路中產(chǎn)生的總熱電勢只與原有的兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)，而與申聯(lián)入的中間金屬無關(guān)。二、影響熱電勢的因素第二節(jié)熱電性能將兩種不同金屬的一端焊在一起，作為熱端，而將另一端分開，并保持恒溫，這就構(gòu)成了一支簡單的熱電偶。利用Seebeck效應(yīng)將溫差信號轉(zhuǎn)換成電信號從而實現(xiàn)溫度測量的材料。

1886年查德利（LeChatelier）用Pt-w(Rh)%10合金與純Pt配對制成第一臺實用的熱電高溫計。DvT0爐子熱電偶ABT1T0鎳鉻-鎳鋁鐵-康銅鎳鉻-康銅銅-康銅主要的熱電偶材料二、影響熱電勢的因素管式熱電偶安裝狀態(tài)

智能溫度控制器

第二節(jié)熱電性能2、溫度的影響

熱電勢與兩接點處的溫差成正比熱電勢E與溫度經(jīng)驗公式3、合金化的影響在形成固溶體時，目前研究不夠明確，熱電勢與濃度關(guān)系呈懸鏈?zhǔn)阶兓?，但過渡族元素往往不符合這種規(guī)律。

當(dāng)合金的某一成分形成化合物時，其熱電勢會發(fā)生突變(增高或降低)；多相合金的熱電勢處于組成相的熱電勢之間。如兩相的電導(dǎo)率相近，則熱電勢與體積濃度幾乎呈直線關(guān)系。二、影響熱電勢的因素第二節(jié)熱電性能4、含碳量對鋼熱電勢的影響

鋼的含碳量和其組織狀態(tài)對熱電勢有顯著影響。純鐵和鋼組成熱電偶時，其熱電勢鐵為正鋼為負(fù)，且鋼中的含碳量越高熱電勢越負(fù)，鐵與鋼組成的熱電偶的熱電勢就越大。二、影響熱電勢的因素第二節(jié)熱電性能材料的熱電勢除可以利用作為測溫用的熱電偶外，還可用以進(jìn)行材料科學(xué)研究。

熱電勢可以用電位差計測量。由于金屬內(nèi)部組織變化所引起熱電勢的變化很小，所以常采用示差測量法。三、熱電勢的測量與應(yīng)用第二節(jié)熱電性能熱電勢的測量可用于研究馬氏體的回火轉(zhuǎn)變。α-Fe中的含碳量越高電勢越負(fù)。淬火態(tài)的馬氏體中的含碳量最高熱電勢值最負(fù)。當(dāng)對淬火鋼回火時，碳從固溶體中析出，使熱電勢上升。熱電勢可直接反映馬氏體中含碳量的變化，而且十分敏感。三、熱電勢的測量與應(yīng)用從右圖半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)可以看出，下面是已被價電子占滿的允帶，中間為禁帶，上面是空帶。因此在外電場作用下不能導(dǎo)電，但是這是絕對零度時的情況。第三節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)空帶禁帶滿帶第三節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)當(dāng)外界條件發(fā)生變化（溫度升高和有光照射）時，滿帶中有少量電子有可能被激發(fā)到上面的空帶中去，在外電場作用下，這些電子將參與導(dǎo)電，同時，滿帶中由于少了一些電子，在滿帶頂部附近出現(xiàn)了一些空的量子狀態(tài)，滿帶變成了部分占滿的能帶，在外電場的作用下，仍留在滿帶中的電子也能夠起導(dǎo)電作用。空帶禁帶滿帶第三節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)滿帶電子的這種導(dǎo)電作用等效于把這些空的量子狀態(tài)看作帶正電荷的準(zhǔn)粒子的導(dǎo)電作用，常稱這些空的量子狀態(tài)為空穴。所以在半導(dǎo)體中導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴均參與導(dǎo)電，這是與金屬導(dǎo)體的最大差別。因為半導(dǎo)體的禁帶寬度比較小，數(shù)量級在1eV左右，在通常溫度下已有不少電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中去，所以具有一定的導(dǎo)電能力。第三節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)半導(dǎo)體的導(dǎo)電，主要是由電子和空穴造成的。溫度增加，使電子動能增大，造成晶體中自由電子和空穴數(shù)目增加，因而使電導(dǎo)率升高。通常情況下電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系為：B為與材料有關(guān)的常數(shù)，表示材料的電導(dǎo)活化能。一、熱敏效應(yīng)第三節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)還有一些半導(dǎo)體材料，在某些特定的溫度附近電阻率變化顯著。如“摻雜”BaTiO3(添加稀土金屬氧化物)在其居里點附近，當(dāng)發(fā)生相變時電阻率劇增103~106數(shù)量級.具有熱敏特性的半導(dǎo)體可以制成各種熱敏溫度計、電路溫度補償器、無觸點開關(guān)等。一、熱敏效應(yīng)第三節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)光的照射使某些半導(dǎo)體材料的電阻明顯下降，這種用光的照射使電阻率下降的現(xiàn)象稱為“光電導(dǎo)”。光電導(dǎo)是由于具有一定能量的光子照射到半導(dǎo)體時把能量傳給它，在這種外來能量激發(fā)下，半導(dǎo)體材料產(chǎn)生大量的自由電子和空穴，促使電阻率急劇下降。二、光敏效應(yīng)第三節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)

值得強調(diào)的是“光子”的能量必須大于半導(dǎo)體禁帶寬度才能產(chǎn)生光電導(dǎo)。把光敏材料制成光敏電阻器，廣泛應(yīng)用于各種自動控制系統(tǒng)，如利用光敏電阻可以實現(xiàn)照明自動化等。二、光敏效應(yīng)第三節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)1、電壓敏感效應(yīng)某些半導(dǎo)體材料對電壓的變化十分敏感，例如半導(dǎo)體氧化鋅陶瓷，通過它的電流和電壓之間不成線性關(guān)系，即電阻隨電壓而變；用具有壓敏特征的材料可以制成壓敏電阻器。三、壓敏效應(yīng)壓敏效應(yīng)包括電壓敏感和壓力敏感效應(yīng)第三節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)2、壓力敏感效應(yīng)對一般材料施加應(yīng)力時，會產(chǎn)生相應(yīng)的變形，從而使材料的電阻發(fā)生改變，但不改變材料的電阻率。對半導(dǎo)體材料施加應(yīng)力時，除產(chǎn)生變形外，能帶結(jié)構(gòu)也要相應(yīng)地發(fā)生變化，因而使材料的電阻率(或電導(dǎo)率)發(fā)生改變。這種由于應(yīng)力的作用使電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱做壓力敏感效應(yīng)。三、壓敏效應(yīng)第三節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)1、霍爾效應(yīng)將通有電流的半導(dǎo)體放在均勻磁場中，則在垂直于電場和磁場的方向?qū)a(chǎn)生一個電場，這個現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，霍爾電場與電流密度和磁感應(yīng)強度成正比，即：四、磁敏效應(yīng)半導(dǎo)體在電場和磁場中發(fā)生的效應(yīng)主要包括霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)第三節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)2.磁阻效應(yīng)半導(dǎo)體中，在與電流垂直的方向施加磁場后，使電流密度降低，即由于磁場的存在使半導(dǎo)體的電阻增大，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。四、磁敏效應(yīng)五、其他敏感效應(yīng)除上述半導(dǎo)體的敏感效應(yīng)之外，在半導(dǎo)體中還存在著氣敏效應(yīng)、光磁效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、熱電效應(yīng)等。介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象稱為介質(zhì)的極化，這類材料稱為電介質(zhì)。第四節(jié)介質(zhì)極化與介電性能一、極化的基本概念無極分子：無極分子在沒有外電場時，分子正、負(fù)電荷中心重合。但在外電場作用下，分子正、負(fù)電荷中心產(chǎn)生位移，形成取向外電場方向的分子電偶極矩，使介質(zhì)表面出現(xiàn)極化電荷（束縛電荷）。極化電荷產(chǎn)生的附加電場方向與外電場方向相反。靜電場中的電介質(zhì)有極分子：無外電場時，分子正、負(fù)電荷中心不重合，每

一個分子相當(dāng)于一個電偶極子。單位電場強度下，介質(zhì)粒子的電偶極矩μ的大小稱為粒子的極化率，用α表示：

α表征材料的極化能力，只與材料的性質(zhì)有關(guān)。

極性電介質(zhì)分子存在固有電偶極矩；在外電場作用下，電偶極矩轉(zhuǎn)向外電場方向；外電場越強，電極化的程度越高。一、極化的基本概念極化強度：表征介質(zhì)在電場作用下極化程度。一、極化的基本概念線性極化介質(zhì)的極化：由電子極化、離子極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化組成?；拘问剑何灰剖綐O化和松弛極化。位移式極化是一種彈性的、瞬時完成的極化，極化過程不消耗能量，電子位移極化和離子位移極化屬于這種類型。二、極化的基本形式電子位移極化：在外電場作用下原子外圍電子云相對于原子核發(fā)生位移，電子極化率依賴于頻率、與溫度無關(guān)。離子位移極化：離子在電場作用下偏移平衡位置松弛極化與熱運動有關(guān)，完成這種極化需要一定的時間，屬于非彈性極化，極化過程需要消耗一定的能量，電子松弛極化和離子松弛極化屬于這種類型。二、極化的基本形式1、位移極化電子松弛極化由弱束縛電子引起的。晶格的熱振動、晶格缺陷、雜質(zhì)、化學(xué)成分的局部改變等因素，都能使電子能態(tài)發(fā)生變化，出現(xiàn)位于禁帶中的局部能級，形成弱束縛電子。電子松弛極化過程伴隨有能量的損耗，松弛極化建立的時間約為10-9s，當(dāng)電場頻率高于109Hz時，這種極化形式就消失。松弛極化還與粒子的熱運動有關(guān)，是不可逆過程。二、極化的基本形式2、松弛極化

離子松弛極化是由弱聯(lián)系離子產(chǎn)生的。在玻璃態(tài)材料、結(jié)構(gòu)松散的離子晶體中以及晶體的缺陷和雜質(zhì)區(qū)域，離子本身能量較高，易被活化遷移，稱為弱聯(lián)系離子。與離子電導(dǎo)不同：松弛極化粒子僅作有限距離的遷移，它只能在結(jié)構(gòu)松散區(qū)或缺陷區(qū)附近移動。二、極化的基本形式2、松弛極化轉(zhuǎn)向極化主要發(fā)生在極性分子介質(zhì)中。當(dāng)外電場作用時，偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)向，趨于和外電場一致。但熱運動抵抗這種趨勢，所以體系最后建立一個新的平衡。在這種狀態(tài)下，沿外場方向取向的偶極子比和它反向的偶極子的數(shù)目多，所以整個介質(zhì)出現(xiàn)宏觀偶極矩。轉(zhuǎn)向極化一般需要較長時間，約為10-2s~10-10s。二、極化的基本形式3、轉(zhuǎn)向極化介質(zhì)極化行為的一個宏觀參量，它表示電容器在有介質(zhì)時的電容與在真空狀態(tài)時的電容相比較時的增長倍數(shù)。由于介質(zhì)的極化使電容器兩板間的電位差比真空時要低。電位移D：在靜電場中，電容器極板上的自由電荷面密度，其方向從自由正電荷指向自由負(fù)電荷。三、介電常數(shù)

χ為電介質(zhì)材料的極化率，對于均勻的電介質(zhì)材料，χ是個常數(shù)，它定量地表示出材料被電場極化的能力。三、介電常數(shù)真空狀態(tài)下：存在電介質(zhì)時：極化強度：幾種常用電介質(zhì)的相對介電常數(shù)材料相對介電常數(shù)普通玻璃7石英玻璃4.2乙醇26氯丁橡膠8.3聚四氟乙烯2.0橡膠3.3聚乙烯2.3瓷5.5環(huán)氧樹脂4.6～5.295陶瓷13空氣1TiO類＞1001、極化類型的影響2、溫度的影響（1）介電常數(shù)與溫度成非線性關(guān)系（2）介電常數(shù)與溫度成線性關(guān)系介電常數(shù)很大的材料其TKε為負(fù)值介電常數(shù)較小的材料其TKε為正值3、頻率、電場強度的影響四、影響介電常數(shù)的因素兩類

介質(zhì)損耗：電介質(zhì)在電場作用下，在單位時間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量。第五節(jié)電介質(zhì)的介質(zhì)損耗一、電介質(zhì)損耗的基本概念漏導(dǎo)電流：在外電場作用下，一些帶電粒子發(fā)生移動而引起的微小電流。漏導(dǎo)損耗：由漏導(dǎo)電流流經(jīng)介質(zhì)時使介質(zhì)發(fā)熱而損耗的能量。極化損耗：在極化(如松弛極化)緩慢建立的過程中因克服阻力而引起能量的損耗。1、電導(dǎo)(或漏導(dǎo))損耗弱聯(lián)系帶電粒子(或空位)引起。

2、極化損耗松弛極化所造成的介質(zhì)損耗比較大。造成損耗原因：松弛極化建立的時間較長，電矩滯后于外加電場引起。低頻率，不產(chǎn)生極化損耗；高頻率，產(chǎn)生極化損耗。