无机材料化学(第8讲)课件.ppt

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1、3.2电学性质材料电学性质是材料被施加电场时所产生的响应行为。主要包括：导电性、介电性、压电性、铁电性等。导电性与电荷载流子运动有关；介电性与电荷极化有关。无机材料的电学性能在电子技术、敏感技术、高温技术、能源技术、自动化控制和信息处理等方面得到重要应用。3.2.1材料的电导材料的导电能力指材料在电场中传递电荷的能力。通常用电导率σ(电阻率ρ的倒数)来表示。按照ρ值的不同，可将材料分为：超导体（ρ→0Ω·m）导体（ρ=10-8~10-5Ω·m）半导体（ρ=10-5~107Ω·m）电介质(即绝缘体)，(ρ=107~1020Ω·m）任何物质（包括电介质）都有一定的电导，即在电

2、场作用下都会有电流通过（漏电流）。其电流包括两部分：表面(漏)电流：由电荷在材料表面迁移形成。主要取决于周围环境湿度、材料表面性质和清洁度等。采取措施可基本消除。贯穿(漏)电流：由电荷在材料内部迁移形成。贯穿材料的漏电流反映材料的本质。材料导电表明其内部有带电质点（载流子）作定向运动，金属材料的载流子：自由电子；半导体的载流子：电子和空穴，电子或空穴；离子晶体的载流子：离子空位、间隙离子、杂质离子；电子或空穴(形成非化学计量化合物时)。载流子运动特点：间隙离子的移动是连续的，与电子导电相似；空位的移动是接力式的，与空穴导电相似。温度会影响载流子的浓度及运动，从而影响材料的

3、导电能力。温度升高时：金属导电能力(σ)降低,ρ增大。（电子同声子碰撞几率增加，电子定向流动受阻增大，迁移速率下降）本征半导体导电能力(σ)增大,ρ降低。（有更多的电子获得能量进入导带，载流子浓度增大）晶体材料导电能力(σ)增大,ρ降低。（对掺杂或非掺杂的晶体材料，温度升高，本征缺陷浓度增大，使载流子浓度增大）3.2.2离子晶体的电导根据载流子的类别，离子晶体的电导可分为：离子(式)电导：载流子是杂质离子、间隙离子或离子空位。电子(式)电导：载离子是电子或空穴。在一般的无机非金属材料中，电子电导可忽略不计，但当形成非化学计量化合物或有不等价离子掺杂时，电子电导就成为主要的

4、形式。离子电导率可表示为：σ＝cqxc、q、x分别为载流子浓度、荷电量及迁移速率。c和x都是温度的指数函数，所以σ和温度的关系可表示为：　　　　σ＝Ae-U/kT式中：A是与材料有关的常数，U为电导活化能，k为玻兹曼常数，电导活化能：载流子发生迁移时所需的最低能量。或：载流子迁移时克服晶格势垒所需的能量。1.离子电导电导活化能：对空位载流子：由空位形成能和空位迁移能两部分组成。对间隙离子载流子：只有间隙离子迁移能。对正常格位上的离子的迁移，活化能也包括两部分。对σ＝Ae-U/kT式取对数：lnσ=lnA-B/T从直线斜率可求出电导活化能U。晶体的U约为1~2ev。离子电导

5、可分为：本征离子电导：源于晶体点阵的基本离子的运动。载流子为本征缺陷产生的间隙离子和空位。温度升高，载流子浓度增加，本征离子电导增大。高温下本征离子电导特别显著。杂质离子电导：由杂质离子的运动引起。载流子为杂质离子本身。载流子浓度不随温度变化。杂质离子迁移活化能较小。低温下杂质离子电导较显著。对含有杂质的离子晶体，杂质离子和本征缺陷对电导都有贡献，晶体的总电导率可表示为：Aie-Ui/kTLnσ与1/T的关系成折线形状。低温下(曲线1)杂质离子电导占主要地位；斜率小是因为本征缺陷浓度随温度升高增加缓慢。高温下(曲线2)本征电导起主要作用。斜率大是因为本征缺陷浓度随温度升高

6、增加迅速。两种不同的导电机构使曲线在c处出现转折。σ＝2.电子电导电子电导的载流子是自由电子和空穴。根据其产生的原因可分为：本征电子电导：由本征半导体产生的电导。载流子：电子和空穴。非本征电子电导：由杂质半导体产生的电导。载流子：电子或空穴。无机晶体材料一般禁带较宽(约为6~10ev)，满带中的电子不可能逾越禁带进入导带，因此没有电子和空穴参与导电。一般情况下其本征电子式电导可以忽略不计。当材料中掺入不等价的杂质离子或形成非化学计量化合时，就有可能使电子或空穴数量增加，导致材料的非本征电子电导增加。例如，金红石陶瓷具有电阻率高的特点，有良好的绝缘性，是制备瓷介电容器的主要

7、材料。但是，如果在还原性气氛中烧制，组成变为TiO2-x，就形成n型半导体，失去绝缘性。因此烧制TiO2陶瓷要避免在还原性气氛中进行。除了作绝缘材料外，某些陶瓷的半导性和导电性已引起人们的极大重视并得到了重要应用。例如，经高温烧结的SnO2，由于高温失氧，造成阴离子空位，生成非化学计量化合物SnO2-x，成为n型半导体。为利用其导电性，还采用掺杂设法造成更大量的缺陷。再如，按SnO2:CuO:Sb2O3=96:2:2配成的坯料，压制成型后，在1500℃烧结，所得的SnO2陶瓷具有热膨胀系数小，导热性好，高温时电阻率小的特性，可