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4-3 材料的电学性能 Electrical Properties of Materials
The electrical behaviors of the various materials Describe the relationship of electrical conductivities and four possible electron band structures for solid materials. How to calculate the electrical conductivities Define dielectric constant of a dielectric materials in terms of permittivities. 4-3 材料的电学性能
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4-3 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 电力 机械、交通 电子、微电子 日常生活 信息时代
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4-3-1 电导率(electrical conductivity)和电阻率
1 、电阻率： 体积电阻率 V , Ω·m 表面电阻率 S , Ω
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2、 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 西门子 表4-19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 ∞
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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
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各种材料在室温的电导率 金属和合金 σ（Ω-1.m-1） 非金属 6.3*107 5.85*107 4.25*107 3.45*107
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*107 5.85*107 4.25*107 3.45*107 2.96*107 2.1*107 1.77*107 1.66*107 1.46*107 1.03*107 0.24*107 0.17*107 0.14*107 0.093*107 石墨 SiC 锗，纯 硅，纯 苯酚甲醛（电木） 窗玻璃 氧化铝（Al2O3） 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 105 (平均) 10 2.2 4.3*10-4 <10-10 〈10-12 〈10-14 〈10-16
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如何理解材料的电导现象，必须明确几个问体：
参与迁移的是哪种载流子——有关载流子类别的问题 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 载流子迁移速度的大小——有关载流子输运过程的问 题
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⑷ 决定电导率的基本参数 parameters 载流子 charge carrier—— 电子、空穴、正离子、负离子
载流子数 charge carrier density----n, 个/m3 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 m2/(v.s) m/s v/m 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 =nqμ
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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
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
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影响电子电导率的因素 温度、 杂质 缺陷 μL=aT-3/2 (B)杂质离子对迁移率的影响,可写成 (A)声子对迁移率的影响,可写成
μI=bT3/2
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.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=σ0exp(-Eg/2kT)
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4-3-2 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 外层电子能级 N个原子 N个能级 重迭 分离
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（1）导体 conductor 碱金属 锂、钠、钾 钠（1S22S22P63S1） 碱土金属 铍、镁、钙 镁（1S22S22P63S2） 3S与3P重迭 贵金属 铜、银、金 铜（1S22S22P63S23P63d104S1） 过渡金属 铁、镍、钴 铁（1S22S22P63S23P63d74S2）重迭
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影响金属导电性的因素 电阻率 散射 温度: thermal vibration 杂质: solid solution 塑性形变: dislocation
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（2）绝缘体 insulator 电子局域：离子键 共价键
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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
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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Cl2、Br2或I2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105 S·cm－1。（Teflon为10－16 S·cm－1，Cu为108 S·cm－1 ）。
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共轭 能带间隙随聚合物长度的增加而减小 图 3 三维、二维和一维碳化合物材料
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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：
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。
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聚乙炔链上的共轭缺陷（载流子））
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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
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导电聚合物电导率与温度的关系
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导电聚合物的应用 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）
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（3）半导体 Semiconductors 本征半导体 Intrinsic semiconductors
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载流子：自由电子，n, 负电荷 空穴，hole p, 正电荷 carrier
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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
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p型半导体 p-TYPE EXTRINSIC SEMICONDUCTION
在四价元素Si、Ge等中掺入少量三价元素B、Al、Sc、Y，在价带附近形成掺杂的能级 空穴型导电
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半导体的电导率与温度的关系
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热激发
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2．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 ΔE＝EJ－EI＝hv 两种构型: 单重态\三重态 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NH2，一0H）及受体基（＞C=0，一N02）之间发生电荷转移
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（2）光生载流子机理
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4-3-4 材料的超导电性(superconductivity)
1、 超导电性——在一定低温下材料突然失去电阻的现象 （小于10-25Ω·cm） 1913年 , 超导现象发现, 诺贝尔物理奖 1987年, 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
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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 Nb3Sn，Tc=18～18．5K； Nb3Ge，Tc≈23．2K，Nb3（AlGe），Tc≈20．7K等 超导电性的金属氧化物 ‘s Ba-Y-Cu-O系，35K, , Bednorz, Muller Ba-Y-Cu-O系, K, 1987, 我国赵忠贤等 Hg-Ba-Cu-O系，～140 K
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2 、超导体的两种特性： 完全导电性 完全抗磁性磁场强度始终为零 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）
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FIGURE Critical temperature, current density, and magnetic field boundary separating superconducting and normal conducting states
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4-3-5 材料的介电性(dielectric property)
1．介质极化、电容、介电常数 真空电容 Co=Qo/V ＝ε0 A/ l 介质中电容 C＝Q/V=εA/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 材料极化
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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
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εr = C / C0 = ε/ε0 （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 εr = C / C0 = ε/ε0 相对电容量，无量纲常数 一些材料的εr 数值： 石英——3.8；绝缘陶瓷——6.0；PE——2.3；PVC——3.8 高分子材料的εr 由主链结构中的键的性能和排列所决定的。
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表4-3-4某些材料的介电常数ε（ T=25℃ ν=106Hx）
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 氧化钡 聚异丁烯 耐热玻璃 3．8-3．9 云母 聚乙烯 派勒克斯玻璃 氯化钾 聚苯乙烯 碱-石灰-硅石玻璃 溴化钾 ．9 丁基橡胶 ．56 高铅板璃 青石陶瓷 4．5-5.4 有机玻璃 （2MgO·2Al2O3 3SiO42为基） 聚氯乙烯 金刚石 聚酰胺 镁橄榄石 (Mg2SiO4） 聚酯 ． 多铝红柱石3Al2O SiO2 酚甲醛 氟化镍 氯丁橡胶 氧化镁 纸
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2．介电损耗 dielectric loss. 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， 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
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影响tg 的因素 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
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表4-3-5 高聚物的介电性能 高聚物 ρv体积电阻率 （.m） 击穿强度 （MV/m） 介电常数 （60Hz） 介电损耗角正切值 聚乙烯
（高密度） 聚丙烯 聚苯乙烯 聚氯乙烯 尼龙6 尼龙66 涤纶 聚甲醛 聚碳酸酯 聚四氟乙烯 聚砜 丁苯橡胶 1014 >1014 1012 1016 1013 26-28 30 24 15-25 22 15-19 18-6 17-22 25-40 16-20 20 (1016Hz) (1016Hz) 2.5(1016Hz) (1016Hz) 4.1 4.0 3.4 3.7 3.0 2.2 <0. 05 0. 001 <0. 005 (1016 Hz) 0. 01 0. 014 0. 021 0. 005 0. 006 0. 0002 006 0.004
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材料 体积电阻率V Ω.m 击穿强度 MV/m 介电常数ε 介电损耗角正切值tgδ 60Hz 105Hz 1011-1013
表4-3-7 陶瓷电介质的性能 材料 体积电阻率V Ω.m 击穿强度 MV/m 介电常数ε 介电损耗角正切值tgδ 60Hz 105Hz 绝缘瓷 块滑石 锆英石 氧化铝 钠钙玻璃 电气玻璃 熔融石英 <1012 约1013 1012 <1015 约1012 20-80 80-150 10 - 66 9 7 4 6 8 3.8 0. 01 0.005 0.035 0. 1 0.001 0.003 〈0.0005 0.01 0.0006 0.0001
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3．介电性的应用 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
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4．击穿强度 dielectric strength
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
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