材料性能学-第9章概要.ppt

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1、1材料性能学2第九章材料的电学性能9.1导电性能9.2介电性9.3热电性9.4铁电性9.5压电性9.6热释电性3材料的电学性能是指在外电场下材料内部电荷的响应行为，大致分为导电性和介电性两大类。导电性表征材料内部的电荷作长距离定向流动的性能。介电性表征材料内部正、负电荷发生微观尺度的相对位移而产生极化的可能性。在除电场以外的其他物理场作用下，也可能发生涉及电的复杂耦合效应，如热电效应、压电效应、铁电效应、热释电效应、光电效应、磁电效应等。49.1导电性能9.1.1概述导电性的表征当材料两端施加电压V时，材料中有电流I通过，这种性能称为导电性

2、。电流大小用欧姆定律求出式中，R为材料的电阻，其值与材料本身性质、材料长度L及截面积S有关5定义电阻率ρ的倒数为为电导率σ根据电学理论，I＝SJ(J为电流密度)，V＝LE(E为电场强度)，则欧姆定律可写为该式表明，通过材料的电流密度正比于电场强度，比例系数即为电导率σ。式中，ρ为电阻率或比电阻，其只与材料特性有关，而与导体几何尺寸无关。6电阻率是评定材料导电性的基本参数，反映物质对电流阻碍作用的属性;换言之，评定材料导电性的基本参数是电阻率而不是电阻。电导率是用于描述物质中电荷流动难易程度的参数，是物质传送电流的能力。7材料导电性的划分越

3、小，越大，材料的导电性能就越好。一般根据电阻率ρ的大小，把材料分为如下三类：导体：ρ＜10－2Ω·m，金属与合金。半导体：10－2Ω·m＜ρ＜1010Ω·m，元素周期表中ⅣA族中的硅、锗、锡及它们的某些化合物，以及少量的陶瓷和高分子聚合物。绝缘体：ρ＞1010Ω·m，绝大多数陶瓷、玻璃和高分子聚合物。材料的导电能力决定于其结构与导电本质89导电机理载流子电流是电荷在空间的流动。任何物质，只要存在带电荷的自由粒子——载流子，就可以在电场作用下产生电流。不同的材料，占主导地位的载流子类型不同，就具有不同的导电机理。金属中，载流子是自由电子(包

4、括负电子和电子空穴)，故称电子电导，其特性为霍尔效应。10无机材料中，载流子具有两类：一类是离子(包括正离子、负离子和空位)；另一类是电子。由于无机非金属材料多是离子键和共价键结合，没有自由电子，占主导地位的是离子，故导电机制为离子电导，其特性为电解效应。特殊的载流子。如：超导体中载流子为因某种相互作用而结成的双电子对(库柏对)。11载流子迁移率物体导电现象的微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。设有一横截面积为单位面积的导体内载流子数目为n，每一载流子携带的电荷量为q。若沿长度方向施加强度为E的外电场，则作用在每一个载流子上的力为qE。

5、在该力的作用下，每一载流子在E方向上发生迁移，其平均速度为v。则单位时间内通过单位面积的电荷，即电流密度为12将该式代入(9-5)，得定义μ为载流子迁移率，其含义为单位电场下载流子的平均漂移速度。13电导率由式(9-7)和(9-8)，得电导率σ若材料中对电导率有贡献的载流子有多种，则总电导率为由此式可知，决定材料导电性好坏的本质因素有两个：一是载流子浓度；二是载流子迁移率。任何提高载流子浓度或迁移率的因素，都能提高电导率，降低电阻率。14注意：某一因素对n和μ可能有相反的影响。如：温度提高增加n，但降低μ。载流子的类型不同，电导率的具体表达

6、式也不同。15金属导电机理对固体电子能量结构、状态及其导电机理的认识，开始于对金属电子状态的认识。人们通常把这种认识大致分为三个阶段。最早是经典的自由电子学说，主要代表人物是德鲁特(Drude)和洛兹(Lorentz)。第二阶段是把量子力学的理论引入对金属电子状态的认识，称之为量子自由电子学说。第三个阶段就是能带理论。能带理论是在量子自由电子学说基础上建立起来的，经过70多年的发展，成为解决导电问题的较好的近似理论，是半导体材料和器件发展的理论基础，在金属领域中可以半定量地解决问题。16经典电子理论金属中的离子与自由电子示意图在金属晶体中，

7、原子失去价电子成为正离子，正离子构成了晶体点阵，价电子成为公有化的自由电子，或称电子气。正离子形成的场是均匀的。自由电子运动规律遵循经典力学气体分子运动规律。17自由电子与正离子的相互作用类似于机械碰撞。所以，在没有外电场时，自由电子在各个方向的运动几率相同，故不产生电流。金属中的自由电子在电场中的运动：当金属中有电场时，每个自由电子都因受到电场力的作用而加速，即在无规则的热运动上叠加一个定向运动。在定向迁移过程中，因不断与正离子发生碰撞，而使电子的迁移受阻，将其定为电阻。18根据电子碰撞及自由程的概念，得到：式中，L为自由程，v为电子迁移

8、运动速度，m为电子质量，e为电子电荷，n为电子数量。公式表明：金属的导电性取决于自由电子的数量、平均自由程和平均运动速度。单位体积金属中的自由电子数目越多，导电性越好。19金属经