材料科学与工程基础 教学课件 作者 顾宜 主编第四章第五讲.ppt

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1、ElectricalPropertiesofMaterialsTheelectricalbehaviorsofthevariousmaterialsDescribetherelationshipofelectricalconductivitiesandfourpossibleelectronbandstructuresforsolidmaterials.HowtocalculatetheelectricalconductivitiesDefinedielectricconstantofadielec

2、tricmaterialsintermsofpermittivities.4-3材料的电学性能4-3材料的电学性能(electricalproperty)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4-3-1电导率(electricalconductivity)和电阻率1、电阻率：体积电阻率V,Ω·m表面电阻率S,Ω2、电导率(electricalconductivity)(1)表征材料导电性的大小。单位：S.m-

3、1,（Ω.m）-1⑵根据电导率对材料的分类表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010-8-10-510-5-107107-1018∞105-10810-7-10510-18-10-7西门子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

4、-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*1075.85*1074.25*1073.45*1072.96*1072.1*1071.77*1071.66*1071.46*1071.03*1070.24*1070.17*1070.14*1070.093*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)102.24.3*10-410-

5、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⑷　决定电导率的基本参数parameters载流子chargecarrier——电子、空穴、正离子、负离子载流子数chargecarrierden

6、sity----n,个/m3载流子迁移率electronmobility(物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度)μ=ν/Em2/(v.s)m/sv/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=nqμ⑸影响因素影响离子电导率的因素温度晶体结构晶格缺陷影响电子电导率的因素温度、杂质缺陷(A)声子对迁移率的影响,可写成μL=aT-3/2(B)杂质离子对迁移率的影响,可写成μI=bT3/2.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-

7、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)4-3-2材料的结构与导电性StructuresandConductivity1、材料的电子结构与导电性能带electronenergyband外层电子能级N个原子N个能级重迭分离（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（1S22S22P6

8、3S23P63d74S2）重迭影响金属导电性的因素电阻率温度:thermalvibration杂质:solidsolution塑性形变:dislocation散射（2）绝缘体insulator电子局域：离子键共价键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105S