第四讲导电功能与复合材料.pptx

第三章第三章 导电功能与复合材料导电功能与复合材料一、概述一、概述电导率：电导率：电阻率：电阻率：室温下，不同材料的电导率室温下，不同材料的电导率单位单位电流密度电流密度/电场强度电场强度二、金属导电的机制二、金属导电的机制金属的电阻率随温度的降低而降低，金属的电阻率随温度的降低而降低，最终达到一个有限值最终达到一个有限值为线性温度系数为线性温度系数Matthiessen公式（公式（rule）：）：晶格原子在平衡位置的晶格原子在平衡位置的热振动热振动+掺杂掺杂+缺陷缺陷弛豫时间：弛豫时间：Cu和和Cu-Ni合金的电阻率随温度的关系合金的电阻率随温度的关系纯金属纯金属量子力学角度分析：量子力学角度分析：二维速度空间的电子速度（二维速度空间的电子速度（a）平衡下（）平衡下（b）应用电场后。）应用电场后。除去阴影部分的电子，其他电子都有相应的具有大小相等、除去阴影部分的电子，其他电子都有相应的具有大小相等、方向相反的电子和其抵消；只有具有阴影部分中速度的电方向相反的电子和其抵消；只有具有阴影部分中速度的电子没有被抵消，所以只有这部分电子对材料的传导起作用。子没有被抵消，所以只有这部分电子对材料的传导起作用。合金合金在溶质浓度较低时，随着溶质浓度的增加，合金电阻率增加；斜在溶质浓度较低时，随着溶质浓度的增加，合金电阻率增加；斜率保持不变率保持不变原子尺寸的不同引起晶格常数的变化，从而引起电子散射的变化；原子尺寸的不同引起晶格常数的变化，从而引起电子散射的变化；具有不同化合键的原子引起局部电荷的不同，增加电子散射的几率；具有不同化合键的原子引起局部电荷的不同，增加电子散射的几率；与与基基体体原原子子相相比比溶溶质质具具有有不不同同的的电电子子浓浓度度，改改变变了了体体系系费费米米能能级级的的位位置以及费米能级附近的电子分布密度，从而改变体系的导电性。置以及费米能级附近的电子分布密度，从而改变体系的导电性。不同的溶质原子对基不同的溶质原子对基体材料电阻率的改变体材料电阻率的改变不同。电阻率随着溶不同。电阻率随着溶质和溶剂原子价电子质和溶剂原子价电子差别的平方增加。差别的平方增加。（Lindes 定律定律(rule)）溶质浓度较低的银合金的电阻率变化。溶质浓度较低的银合金的电阻率变化。（a）随浓度的变化；（）随浓度的变化；（b）1%摩尔浓度下电阻摩尔浓度下电阻率随溶质原子价电子的变化。率随溶质原子价电子的变化。原因原因：溶质浓度较高的单相合金，电阻率一般在浓度溶质浓度较高的单相合金，电阻率一般在浓度50%附近会出现最大值。附近会出现最大值。Nordheim公式公式(rule)：C是材料常数是材料常数两相合金的电阻率：两相合金的电阻率：多数情况下可以表示为考虑各相的体积分数后的各相电阻率的和；多数情况下可以表示为考虑各相的体积分数后的各相电阻率的和；晶体结构和相的分布必须额外考虑。晶体结构和相的分布必须额外考虑。Kondo效应（效应（effect）:如含少量如含少量Fe的的Cu，在低温下电阻率出现一，在低温下电阻率出现一个极小值（磁矩的散射作用）。个极小值（磁矩的散射作用）。热阻材料：镍铬铁合金；碳复合材料热阻材料：镍铬铁合金；碳复合材料有序和无序铜有序和无序铜-金合金的电阻率金合金的电阻率用途：用途：超导性超导性超导体是在一临界温度下电阻率极小（比正常材料小至少超导体是在一临界温度下电阻率极小（比正常材料小至少1016）或）或者等于零的材料。者等于零的材料。超导材料：超导材料：27种单质、大量的合金、含种单质、大量的合金、含Cu、O的陶瓷、硒或硫基的聚合物的陶瓷、硒或硫基的聚合物临界温度：临界温度：0.01K-130K超导态可以认为是固、液、气之外的另一物质状态超导态可以认为是固、液、气之外的另一物质状态一些金属在很大压力下也可以表现出超导性，如一些金属在很大压力下也可以表现出超导性，如Ce1911 年发现水银具有超导性；年发现水银具有超导性；1986 年发现铜氧基陶瓷具有超导性；年发现铜氧基陶瓷具有超导性；几年后临界温度高于几年后临界温度高于77K：1-2-3超导体（稀土元素超导体（稀土元素/碱土金属碱土金属/铜）铜）高温超导体：液氮的沸点高温超导体：液氮的沸点电磁体、输电线等电磁体、输电线等Nb-Ti或或Nb3Sn合金细线（微米）埋置在纯铜中合金细线（微米）埋置在纯铜中用途：用途：转变尖锐：纯的和结构良好的单质转变尖锐：纯的和结构良好的单质转变在一个温度范围：合金和陶瓷转变在一个温度范围：合金和陶瓷同位素效应（同位素效应（Isotope effect）：）：临界磁场强度临界磁场强度：H0:0 K下的临界磁场强度下的临界磁场强度超过超过临界磁场强度临界磁场强度，超导性消失。它和，超导性消失。它和温度相关，温度越低，临界磁场强度越温度相关，温度越低，临界磁场强度越高。高。临界电流临界电流正常态向超导态转变正常态向超导态转变两类超导材料：两类超导材料：第二类超导体：通过增加磁场消除超导态是第二类超导体：通过增加磁场消除超导态是个逐渐变化的过程，有时个逐渐变化的过程，有时HC2比比HC1大大100余倍。余倍。（过渡金属和包括铌、铝、硅、钒、铅、锡、（过渡金属和包括铌、铝、硅、钒、铅、锡、钛的合金尤其是钛的合金尤其是Nb3Sn或或Nb-Ti；陶瓷）；陶瓷）第一类超导体：正常态和超导态之间的转第一类超导体：正常态和超导态之间的转变很尖锐，临界磁场强度变很尖锐，临界磁场强度Hc相对低。相对低。HC2比比HC1之间的环涡旋态（之间的环涡旋态（vortex state）磁磁通通钉钉扎扎（Fluxoid pinning）：受受洛洛仑仑兹兹力力运运动动，进进而而阻阻碍碍超超导导电电流流，通通过过晶晶粒粒间间界界、位位错错等等钉扎。钉扎。陶瓷超导体中没有实陶瓷超导体中没有实现钉扎，因为温度高现钉扎，因为温度高时的晶格振动使钉扎时的晶格振动使钉扎很难。很难。室室温温下下YBa2Cu3O7-x的的单单胞胞。正正交交的的层层状状结结构构；具具有有周周期期性存在的氧空位。性存在的氧空位。陶陶瓷瓷超超导导体体还还没没有有被被广广泛泛应应用用，主要由于：主要由于：内在的脆性；内在的脆性；不能承载大电流；不能承载大电流；环境不稳定性。环境不稳定性。在在一一些些陶陶瓷瓷超超导导体体中中加加入入Ag，可可以以改改善善环环境境稳稳定定性性（减减少少材材料料的的孔孔洞）洞）采采用用Bi基基的的材材料料可可以以承承载载大大的的电电流流将将氧氧化化物物粉粉末末放放入入银银管管，拉拉线线烧烧结，改善脆性。结，改善脆性。热电率热电率热电现象热电现象（Thermoelectric phenomena,Seebeck effect）通常几个通常几个V/Cu/Cu-45%Ni合金：合金：43 V/;-180-400 90%Ni-10%Cr和和95%Ni-2%Mn-2%Al：1000 一些半导体的热电率比金属高一些半导体的热电率比金属高1到到2个数量级。如个数量级。如Bi2Te3，Si-30%Ge测温技术、热电发电（效率测温技术、热电发电（效率5-10%）等）等1821年年Seebeck发现发现应用：应用：Peltier效应效应 原理原理PbTe或或BiTe和金属接触；和金属接触；n-和和p-型半导体与金属接触，型半导体与金属接触，1、2和和3、4的温度差能达到的温度差能达到70接触电势：两种材料接触，具有较高费米能级的材料中的电子传接触电势：两种材料接触，具有较高费米能级的材料中的电子传向另一材料，直到两种材料的费米能级相等。从而使得具有较低向另一材料，直到两种材料的费米能级相等。从而使得具有较低费米能级的材料带负电而在两材料间产生接触电势。接触电势与费米能级的材料带负电而在两材料间产生接触电势。接触电势与温度相关，高温下更多的电子激发到较高能级，这些富裕电子传温度相关，高温下更多的电子激发到较高能级，这些富裕电子传递到低温结处，从而形成电流。递到低温结处，从而形成电流。：Seebeck效应的逆效应效应的逆效应二、半导体导电机制二、半导体导电机制随着原子间距的减小，能级、能级展宽成带、带的交叠。随着原子间距的减小，能级、能级展宽成带、带的交叠。Si沿着沿着X方向的能带结构。方向的能带结构。0 K下不导电下不导电 温度升高，在价温度升高，在价带产生空穴；导带带产生空穴；导带产生电子；即载流产生电子；即载流子而发生导电。导子而发生导电。导电性随温度的升高电性随温度的升高而升高而升高.1.本征半导体本征半导体图图8.7 2.掺杂半导体：掺杂半导体：Si晶格的二维表示。晶格的二维表示。替代原子替代原子P周围的电荷云来自多余的磷电子周围的电荷云来自多余的磷电子施主和受主能级施主和受主能级n-型半导体：施主掺杂；型半导体：施主掺杂；电子是主要载流子电子是主要载流子p-型半导体：受主掺杂；型半导体：受主掺杂；空穴是主要载流子空穴是主要载流子