10.2 材料的电学性能 Electrical Properties of Materials

电力 机械、交通 电子、微电子 日常生活 材料的电学性能 (electrical property) 直流电场 交变电场 —— 介电性质 弱电场 —— 导电性质 强电场 —— 击穿现象 材料表面 —— 静电现象

不同材料电学性能的差异及其与组成和结构的关 系 电导率和电阻率的定义、电导机制、电导率的基 本参数及影响因素 材料的电子能带结构与电导性、光导性和半导电 性公式 超导电性的定义、超导体的 2 种特性、 3 个性能指 标 介电常数的定义、介质极化的三种机制， 交变电场中的介电损耗的成因及影响因素 击穿强度的定义 材料电性能与温度的关系

电导率 (electrical conductivity) 和电阻率 电导率和电阻率

电阻率分： 体积电阻率：  V, Ω ·m 表面电阻率：  S, Ω 电阻率 1 、

西门子 电导率 电导率 (electrical conductivity) (1) 表征材料导电性的大小。 单位： S. m -1, （ Ω.m ） -1 ⑵ 根据电导率对材料的分类 2、2、

材料的分类及其电导率 材料电阻率电导率 超导体 导体 半导体 绝缘体 ∞

⑶ 不同材料的电导率举例 ①金属 自由电子 电导率高 导电性好 ②硅 半导体 ③离子固体 室温绝缘体 T 高 电导率大 （无机非金属） ④高分子 杂质致有导电性

各种材料在室温的电导率 金属和合金 Σ ( Ω -1.m -1 ) 非金属 σ （ Ω -1.m -1 ） 银 铜，工业纯 金 铝, 工业纯 Al-1.2%,Mn 合金 钠 钨， 工业纯 黄铜（ 70%Cu-30%Zn 镍, 工业纯 纯铁, 工业纯 钛, 工业纯 TiC 不锈钢， 301 型 镍铬合金 (80%Ni- 20%Cr ） 6.3* * * * * * * * * * * * * *10 7 石墨 SiC 锗，纯 硅，纯 苯酚甲醛（电木） 窗玻璃 氧化铝（ Al 2 O 3 ） 云母 甲基丙烯酸甲酯 氧化铍（ BeO ） 聚乙烯 聚苯乙烯 金刚石 石英玻璃 聚四氟乙烯 10 5 ( 平均 ) * < 〈 〈 〈 结合原子的电子结构讨论

如何理解材料的电导现象 ，必须明确 几个问题 : 1. 参与迁移的是哪种载流子 —— 有关载 流子类别的问题 2. 载流子的数量有多大 —— 有关载流 子浓度、载流子产 生过程的问题 3. 载流子迁移速度的大小 —— 有关载 流子输运过程的问题

⑷ 决定电导率的基本参数 parameters 载流子类型 charge carrier—— 电子、空穴、正离子、 负离子 载流子数 charge carrier density----n, 个 /m 3 载流子迁移率 electron mobility ( 物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度 ) μ = ν /E m 2 /(v.s) 平均漂移速度（ drift velocity ） ν ， m/s

电流密度 （单位时间（ 1s ）通过单位截面积的电荷量） J ＝ nqv 电导率 σ =J/E=nqv ／ E =nq μ

⑸ 影响因素 影响离子电导率的因素 温度 晶体结构 晶格缺陷

( A) 声子对迁移率的影响, 可写成 μ L =aT -3/2 (B) 杂质离子对迁移率的影响, 可写成 μ I =bT 3/2 影响电子电导率的因素 温度、杂质、缺陷

单质金属中主要的散射机制是电声子相互作用, 电导率 的温度关系为 σ ∝ T -1 。 半导体和绝缘体的电导率随温度变化以指数函数增大 σ = σ 0 exp(-Eg/2kT)

温度 影响半导体电导率的因素：温度 k 为 Boltzmann 常数 =8.62  ev Eg 为能带间隙能

材料的结构与导电性 Structures and Conductivity 1 、 材料的电子结构与导电性 能带 electron energy band 材料的结构与导电性

外层电子能级 N 个原子 N 个能级 重迭 分离

Section 12.5

(a) (b) 金属 Section 12.5

（ 1 ）导体 conductor 碱金属 锂、钠、钾 钠（ 1S 2 2S 2 2P 6 3S 1 ） 碱土金属 铍、镁、钙 镁（ 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 ） 3S 与 3P 重迭 贵金属 铜、银、金 铜（ 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 10 4S 1 ） 过渡金属 铁、镍、钴 铁（ 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 7 4S 2 ）重 迭

金属中的自由电子都能导电吗？ 费米能级理论

影响金属导电性的因素 电阻率 温度 : thermal vibration 杂质 : solid solution 塑性形变 : dislocation

散射

电子局域：离子键 共价键 （ 2 ）绝缘体 insulator

离子固体的电导性 离子性晶格缺陷的浓度 温度 晶体结构 聚合物的电导性 添加型 结构型

Alan J. Heeger 1/3 of the prize USA University of California anta Barbara, CA, USA b 发现并发展了导电聚合物 诺贝尔化学奖获得者 2000 年 白 川 英 树 Hideki Shirakawa 1/3 of the prize Japan University of Tsukuba Tokyo, Japan b Alan G. MacDiarmid 1/3 of the prize USA University of Pennsylvania Philadelphia, PA, USA b. 1927

1974 年，白川英树等人用 Ziegler-Natta 催化剂制备聚乙炔薄膜 铜色（ cis- ，电导率 10 － 8 ～ 10 － 7 S·cm － 1 ） 银色（ trans- ，电导率 10 － 3 ～ 10 － 2 S·cm － 1 ）

1977 年， Heeger 、 MacDiarmid 和白 川英树、发现当聚乙炔薄膜用 Cl 2 、 Br 2 或 I 2 蒸气氧化后，其电导率可提高 几个数量级。通过改变催化剂的制备 方法和取向，电导率可达 10 5 S·cm － 1 。 （ Teflon 为 10 － 16 S·cm － 1 ， Cu 为 10 8 S·cm － 1 ）。

图 3 三维、二维和一维碳化合物材料 共轭 能带间隙随聚合 物长度的增加而 减小

掺杂 在聚合物上去掉或增加电子。 氧化掺杂（也称 P 型掺杂）用卤素掺杂 还原掺杂（也称 n 型掺杂）用碱金属进行： 载流子在共轭聚合物材料中的跃迁包含： 沿单一共轭体系的运动：阻力小或无 在共轭体系之间的跃迁：阻力大

聚乙炔，其掺杂的电导率大 幅度提高，掺杂到 6.67% 时， 能隙将消失。

聚乙炔链上的共轭缺陷（载流子）

阳离子自由基的产生和移动 聚乙炔异构化产生孤子及移动

导电聚合物电导率与温度的关系

 理想情况下，导电聚合物具有金属导电性，且重 量轻、易加工、材料来源广等特点  用作电极、电磁波屏蔽、抗静电材料等  半导体器件和发光器件方面得应用 聚合物电池、电致变色显示器、 电化学传感器、场效应管、 聚合物发光二极管（ LED ） 导电聚合物的应用

（ 3 ）半导体 Semiconductors 本征半导体 Intrinsic semiconductors

载流子 ：自由电子， n, 负电荷 空穴， hole p, 正电荷 carrier

杂质半导体 extrinsic semiconductor n 型半导体 n-TYPE EXTRINSIC SEMICONDUCTION 在 Si 、 Ge 等四价元素中掺入少量五价元素 P 、 Sb 、 Bi 、 As 在导带附近形成掺杂的能级 电子型导电

p 型半导体 p-TYPE EXTRINSIC SEMICONDUCTION 在四价的 Si 、 Ge 等四价元素中掺入 B 、 Al 、 Sc 、 Y ，在四 价带附近形成掺杂的能级 空穴型导电

半导体的电导率与温度的关系

热激发

分子轨道理论 受激态可能的形式 π ， π * 状态 n ， π * 状态， 含有 N 、 O 或 S CT 状态 —— 电荷转移受激态 电子给体基团（如一 NH 2 ，一 0H ）及受体 基（＞ C=0 ，一 N0 2 ）之间发生电荷转移 材料的电子结构与光电导性 材料的电子结构与光电导性 photo-electrical (1) 分子受激过程与能量交换 光电流激活能 Δ E ＝ E J － E I ＝ hv 两种构型 : 单重态 \ 三重态 2．2．

（ 2 ）光生载流子机理

材料的超导电性 1 、 超导电性 - (superconductivity) —— 在一定低温下材料突然失去 电阻的现象 （小于 Ω ·cm ）

液氦，超导现象发现 诺贝尔物理奖获得者 1913 年 Heike Kamerlingh Onnes the Netherlands Leiden University Leiden, the Netherlands b d 汞， 4.2 K

J. Georg Bednorz 1/2 of the prize Federal Republic of Germany IBM Research Laboratory b 在陶瓷（金属氧化物）中发现超导现象，超导研究取得重大突 破, 诺贝尔物理奖获得者 1987 年 K. Alexander Muller 1/2 of the prize Switzerland R 黶 chlikon,Switzerland b. 1927

超导电性的金属和合金 Tc ＜ 30 K 钛、钒、锆、铌、钼、钽、钨、铼、铋、铝、锡、镉 等 28 种。 二元合金 NbTi ， Tc ＝ 8 ～ 10K ； NbZr ， Tc ≈ 10 ～ 11K 。 三元系合金有铌 - 钛 - 锆， Tc=10 K ；铌 - 钛 - 钽， Tc=9 ～ 10K 。

超导化合物 Nb 3 Sn ， Tc=18 ～ 18 ． 5K ； Nb 3 Ge ， Tc ≈ 23 ． 2K ， Nb 3 （ AlGe ）， Tc ≈ 20 ． 7K 等 超导电性的金属氧化物 1960‘s Ba-Y-Cu-O 系， 35K, 1986, Bednorz, Muller Ba-Y-Cu-O 系, 100 K, 1987, 我国赵忠贤等 Hg-Ba-Cu-O 系，～ 140 K

2 、超导体的两种特性： 完全导电性 完全抗磁性 磁感应强度始终为零

3 、三个性能指标 超导转变温度 Tc 愈高愈好 临界磁场 Hc 破坏超导态的最小磁场。 随温度降低， Hc 将增加； 当 T ＜ Tc 时, Hc=Hc, 0 [1- （ T/Tc) 2 ] 临界电流密度 Jc 保持超导状态的最大输入电流 ( 与 Hc 相关 )

FIGURE Critical temperature, current density, and magnetic field boundary separating superconducting and normal conducting states

材料的介电性 材料极化 1 ． 介质极化、电容、介电常数 真空电容 Co=Qo/V ＝ ε 0 A/ l 介质中电容 C ＝ Q/V= ε A/l ε 。真空电容率 ( 或真空介电常数 ) ， 8 ． 85xl0 -12 F ／ m Ε 介质的电容率（或介电常数） permittivity (dielectric property)

原因 ：材料极化 极化原因 电子极化 电子云 偏离中心 离子极化 取向极化

（ 2 ） 介电常数 dielectric constant, 表征电介质在电场作用下极化程度的宏观物理量。 电介质的相对介电常数 ε r = C / C 0 = ε / ε 0 相对电容量，无量纲常数

一些材料的 ε r 数值： 石英 ——3.8 ； 绝缘陶瓷 ——6.0 ； PE——2.3 ； PVC——3.8 高分子材料的 ε r 由主链结构中的键的 性能和排列所决定的。

某些材料的介电常数 ε （ T=25 ℃ ν =10 6 Hx ） 塑料和有机物 玻 璃 无机晶态材料 聚四氟乙烯（ Tefton ） 2.1 石英玻璃 3.8 氧化钡 3.4 聚异丁烯 2.23 耐热玻璃 3 ． 8-3 ． 9 云母 3.6 聚乙烯 2.35 派勒克斯玻璃 氯化钾 4.75 聚苯乙烯 2.55 碱 - 石灰 - 硅石玻璃 6.9 溴化钾 4.9 丁基橡胶 2 ． 56 高铅板璃 19.0 青石陶瓷 有机玻璃 2.63 （ 2MgO · 2Al 2 O 3 3SiO 4 为基） 聚氯乙烯 3.3 金刚石 5.5 聚酰胺 镁橄榄石 6.22 (Mg 2 SiO 4 ） 聚酯 3 ． 多铝红柱石 3Al 2 O SiO 2 酚甲醛 4.75 氟化镍 9.0 氯丁橡胶 6.26 氧化镁 9.65 纸 70

电介质在交变电场作用下, 电能转变成热能而损耗 漏电导电流 \ 极化电流损耗 介电常数  可用复数表示：  =  ’ - i  ’’ 式中  ’ 为与电容电流相关的介电常数，实数部分；  ’’ 与电阻电流相关的分量，虚数部分， 2 ． dielectric loss. 介电损耗

介电损耗因子 滞后相位角  —— 损耗角 损耗角  的正切： tg  =  ’’ /  ’ 介电损耗

影响 tg  的因素 (1) 分子结构 极性 大 tg  大 基团数目 多 tg  大 (2) 小分子及杂质 (3) 多相体系 (4) 交变电场频率 (5) 温度

tg  大，损耗大，材料发热。 电容介质  大， tg  小 航空航天材料  小， tg  大，静电小 高频焊接：薄膜封口， tg  大 高频电缆 —— 用 PE ，而不用 PVC 非极性 极性 3．3． 介电性的应用

电场中材料破坏。 高分子材料，绝缘材料 —— 重要指标。 电压升高，超过临界值，电阻率急剧下降，电流升 高，材料由绝缘体 导体 击穿强度 E=V/h V—— 击穿电压； h —— 材料厚度。 E 的单位： MV/m 或 V/cm 。 介电击穿分类：特征击穿、热击穿、电机械击穿、 放电击穿 4．4． dielectric strength 击穿强度