半导体电学测量
为了满足各种半导体器件的需要，必需对材料的电学参数进行测量，这些参数一般为电阻率、载流子浓度、导电类型、迁移率、寿命及载流子浓度分布等。测量方法有四探针、三探针、扩展电阻、C-V法及Hall测量等。
对于半导体材料的电阻率，一般采用四探针、三探针和扩展电阻。
四探针法是经常采用的一种，原理简单，数据处理简便。测量范围为10-3-104防米，能分辨毫米级材料的均匀性，适用于测量半导体材料、异型层、外延材料及扩散层、离子注入层的电阻率，并能够提供一个迅速的、不破坏的、较准确的测量。
采用四探针法测量相同导电类型、低阻衬底的外延层材料的电阻率时，由于流经材料的电流会在低阻衬底中短路，因此得到的是衬底与外延层电阻率并联的综合结果。这时，需要采用三探针法、扩展电阻法等。
三探针法是利用金属探针与半导体材料接触处的反向电流-电压特性、测定击穿时的电压来获得材料电阻率的知识的。
C-V法利用PN结或肖特基势垒在反向偏压时的电容特性，可以获得材料中杂质浓度及其分布的信息，这类测量称为C-V测量技术。这种测量可以提供材料截面均匀性及纵向杂质浓度分布的信息，因此比四探针、三探针等具有更大的优点。虽然扩展电阻也能测量纵向分布，但它需将样品进行磨角。但是C-V
法既可以测量同型低阻衬底上外延材料的分布，也可测量高阻衬底用异型层的外延材料的分布。
Hall测量在半导体材料测量中，霍尔效应有着广泛的应用。用它来研究半导体材料导电过程或输运现象。可提供材料的导电类型、载流子浓度、杂质电离能（包括深、浅能级杂质）、禁带宽度、迁移率及杂质补偿度等信息。
半导体材料硅的基本性质 一．半导体材料 1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下： 图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下： 元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。 化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 1)二元化合物 GaAs —砷化镓 SiC —碳化硅 2)三元化合物 As —砷化镓铝 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 1.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为： 本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。 1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为： 施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。
图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。 由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。 由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 二．硅的基本性质 1.1 硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。
材料物理性能思考题 第一章：材料电学性能 1如何评价材料的导电能力？如何界定超导、导体、半导体和绝缘体材料？ 2 经典导电理论的主要内容是什么？它如何解释欧姆定律？它有哪些局限性？ 3 自由电子近似下的量子导电理论如何看待自由电子的能量和运动行为？ 4 根据自由电子近似下的量子导电理论解释：准连续能级、能级的简并状态、 简并度、能态密度、k空间、等幅平面波和能级密度函数。 5 自由电子近似下的等能面为什么是球面？倒易空间的倒易节点数与不含自旋 的能态数是何关系？为什么自由电子的波矢量是一个倒易矢量？ 6 自由电子在允许能级的分布遵循何种分布规律？何为费米面和费米能级？何 为有效电子？价电子与有效电子有何关系？如何根据价电子浓度确定原子的费米半径？ 7 自由电子的平均能量与温度有何种关系？温度如何影响费米能级？根据自由 电子近似下的量子导电理论，试分析温度如何影响材料的导电性。 8 自由电子近似下的量子导电理论与经典导电理论在欧姆定律的微观解释方面 有何异同点？
9 何为能带理论？它与近自由电子近似和紧束缚近似下的量子导电理论有何关 系？ 10 孤立原子相互靠近时，为什么会发生能级分裂和形成能带？禁带的形成规律 是什么？何为材料的能带结构？ 11 在布里渊区的界面附近，费米面和能级密度函数有何变化规律？哪些条件下 会发生禁带重叠或禁带消失现象？试分析禁带的产生原因。 12 在能带理论中，自由电子的能量和运动行为与自由电子近似下有何不同？ 13 自由电子的能态或能量与其运动速度和加速度有何关系？何为电子的有效质 量？其物理本质是什么？ 14 试分析、阐述导体、半导体（本征、掺杂）和绝缘体的能带结构特点。 15 能带论对欧姆定律的微观解释与自由电子近似下的量子导电理论有何异同 点？ 16 解释原胞、基矢、基元和布里渊区的含义
用伏安法测电阻是电学中的一种基本测量，也是欧姆定律变换式的具体应用，对于加深对欧姆定律和电阻概念的理解有重要作用，同时又给学生提供了初中常用电学器材综合使用的机会，有利于提高学生动手操作能力。教材由欧姆定律的变换式出发，从理论上推导出电阻的计算公式，如何用实验测出导体的电阻呢？由于学生有前一节课探究的经验，教材将整个探究过程留给学生自行完成，只提供了实验中需记录的数据表格。在此基础上，教材要求学生对小灯泡的阻值进行对比测量，从而使学生加深对电阻概念的理解。伏安法是电学综合实验，涉及的知识面广,实验技能的要求比较高,本节课的教学设计应注重引导学生主动探究来获取知识, 设疑激趣，引入课题。教师可出示一个电阻值模糊不清的电阻器，问：谁有办法测出它的阻值来？引导学生得出：只要测出它两端的电压U和通过它的电流I，就可应用公式R=U/I求出它的电阻。 教师根据学生提出的实验原理，引导大家设计实验电路图。将自己设计的实验电路与准备进行实验的步骤与同学进行交流。交流中，针对同学们设计的电路中是否使用滑动变阻器进行提问：引导学生弄清：这样可以利用滑动变阻器改变待测电阻两端的电压和通过它的电流，多测几组数据，用多次测量取平均值的方法，可减小测量误差。既有串联，又有并联，实验前，教师应对如何正确连接电路作适当提醒：按怎样的顺序连接电路可以避免错误呢？一般采用“先串后并”的方法，先连“主电路”，即按电路图将电池组、电流表、待测电阻、开关、变阻器连成串联电路，再把电压表并联在待测电阻两端。怎样检查电路连接是否正确？ 1.连接电路时，开关应先断开，滑片P位于变阻器电阻值最大的一端 2.要注意认清电压表电流表的“+”、“-”接线柱和量程的选择。 3.反复检查电路，证实正确无误后再闭合开关试通电。学生实验时，教师应巡视指导，巡视指导时强调：按图布线，先主后支，有序操作，注意量程，防止短路，精确读数，如实记录，正确计算。思考：为什么测的电阻值和标出的数值不完全相同？（由于实验电路和仪表造成的误差）对误差较大的应要求学生寻找原因，再作第二次实验。
纳米材料电学性质的研究 摘要：纳米体系中，电子波函数的相关长度与体系的特征尺寸相当，电子不再能够视为处于外场中运动的经典粒子，其波动性在电子输运过程中得到充分体现，因此表现出特殊的电子能态特性。文中主要对半导体的电学性质归纳总结，如自由载流子的浓度与温度的关系、掺杂对能带结构和载流子浓度的影响、半导体的电导率如何依赖于载流子的浓度和迁移率等，以及纳米半导体的介电行为（介电常数、介电损耗）及压电特性等。同时对硅纳米体系的电学性质做一些概况总结，并对其应用前景作进一步展望。 关键词：纳米材料、纳米半导体、电学性质、纳米硅体系 一、绪论 随着纳米科技的发展，高度集成化的要求及原件和材料微小化趋势下，纳米材料无疑将成为主角。纳米半导体更是展现出诱人的应用前景。纳米半导体粒子的高比表面、高活性、特殊的特性等使之成为应用于传感器方面最具前途的材料。它对温度、光、湿气等环境因素是相当敏感的。外界环境的改变会迅速引起表面或界面离子价态电子输运的变化；利用其电阻的显著变化可作成传感器，其特点是响应速度快、灵敏度高、选择性优良。目前，该领域的研究现况是：(i)在纳米半导体制备方面，追求获得量大、尺寸可控、表面清洁、制备方法趋于多样化、种类和品种繁多。(ii)在性质和微结构研究上着重探索普适规律。(iii)研究纳米尺度复合，发展新型纳米半导体复合材料。(iv)纳米半导体材料的光催化及光电转换研究。 二、纳米材料的电子能态特性 2.1 纳米材料的电子结构 纳米材料的尺寸在1nm~100nm之间，体系中只含有少数的电子，此时电子的结构与单个原子壳层结构十分类似，可以借助处理原子的电子结构模型粗略地求出。如果将这一体系看成是一个势阱，则电子被限制在此势阱中。显然电子可占据的能级与势阱的深度和宽度有关。在强限制的情况下，即势阱很深时，纳米材料具有类原子的特性，可称为类原子材料。它的基态与所包含的电子数目的奇偶性有关，从而影响到它的物理性质。另外，类原子材料内所包含的
《材料物理性能》测试题 1、利用热膨胀曲线确定组织转变临界点通常采取的两种方法是： 、 2、列举三种你所知道的热分析方法： 、 、 3、磁各向异性一般包括 、 、 等。 4、热电效应包括 效应、 效应、 效应，半导体制冷利用的是 效应。 5、产生非线性光学现象的三个条件是 、 、 。 6、激光材料由 和 组成，前者的主要作用是为后者提供一个合适的晶格场。 7、压电功能材料一般利用压电材料的 功能、 功能、 功能、 功能或 功能。 8、拉伸时弹性比功的计算式为 ，从该式看，提高弹性比功的途径有二： 或 ，作为减振或储能元件，应具有 弹性比功。 9、粘着磨损的形貌特征是 ，磨粒磨损的形貌特征是 。 10、材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐 的现象称为应力松弛，材料抵抗应力松弛的能力称为 。 1、导温系数反映的是温度变化过程中材料各部分温度趋于一致的能力。 （ ） 2、只有在高温且材料透明、半透明时，才有必要考虑光子热导的贡献。 （ ） 3、原子磁距不为零的必要条件是存在未排满的电子层。 （ ） 4、量子自由电子理论和能带理论均认为电子随能量的分布服从FD 分布。 （ ） 5、由于晶格热振动的加剧，金属和半导体的电阻率均随温度的升高而增大。 （ ） 6、直流电位差计法和四点探针法测量电阻率均可以消除接触电阻的影响。 （ ） 7、 由于严格的对应关系，材料的发射光谱等于其吸收光谱。 （ ） 8、 凡是铁电体一定同时具备压电效应和热释电效应。 （ ） 9、 硬度数值的物理意义取决于所采用的硬度实验方法。 （ ） 10、对于高温力学性能，所谓温度高低仅具有相对的意义。 （ ） 1、关于材料热容的影响因素，下列说法中不正确的是 （ ） A 热容是一个与温度相关的物理量，因此需要用微分来精确定义。 B 实验证明，高温下化合物的热容可由柯普定律描述。 C 德拜热容模型已经能够精确描述材料热容随温度的变化。 D 材料热容与温度的精确关系一般由实验来确定。 2、 关于热膨胀，下列说法中不正确的是 （ ） A 各向同性材料的体膨胀系数是线膨胀系数的三倍。 B 各向异性材料的体膨胀系数等于三个晶轴方向热膨胀系数的加和。 C 热膨胀的微观机理是由于温度升高，点缺陷密度增高引起晶格膨胀。 D 由于本质相同，热膨胀与热容随温度变化的趋势相同。 3、下面列举的磁性中属于强磁性的是 （ ） A 顺磁性 B 亚铁磁性 C 反铁磁性 D 抗磁性 4、关于影响材料铁磁性的因素，下列说法中正确的是 （ ） A 温度升高使得M S 、 B R 、H C 均降低。 B 温度升高使得M S 、B R 降低，H C 升高。 C 冷塑性变形使得C H μ和均升高。 D 冷塑性变形使得C H μ和均降低。 5、下面哪种效应不属于半导体敏感效应。 （ ） A 磁敏效应 B 热敏效应 C 巴克豪森效应 D 压敏效应 6、关于影响材料导电性的因素，下列说法中正确的是 （ ） A 由于晶格振动加剧散射增大，金属和半导体电阻率均随温度上升而升高。 B 冷塑性变形对金属电阻率的影响没有一定规律。 C “热塑性变形＋退火态的电阻率”的电阻率高于“热塑性变形＋淬火态” D 一般情况下，固溶体的电阻率高于组元的电阻率。 7、下面哪种器件利用了压电材料的热释电功能 （ ） A 电控光闸 B 红外探测器 C 铁电显示器件 D 晶体振荡器 8、下关于铁磁性和铁电性，下面说法中不正确的是 （ ） A 都以存在畴结构为必要条件 B 都存在矫顽场 C 都以存在畴结构为充分条件 D 都存在居里点 9、下列硬度实验方法中不属于静载压入法的是 （ ）
目录第一章电工学基础知识 第一节电测基本概念 （一）电 （二）电的类型 （三）电压等级 （四）电荷、电压与电流 （五）导体和绝缘体 第二节、直流电路 （一）电路的作用与组成部分 （二）欧姆定律 (三) 电路的串联、并联和混联 （四）电功与电功率 （五）电容器及其特性 第三节交流电路 （一）交流电的基本知识 （二）单相交流电路 （三）交流电路功率 （四）三相交流电路 第二章电学计量单位和电学量具 （一）概述 （二）电学主要标准量具 第三章电学测量基础 （一）电测量指示仪表的基本知识 （二）指针式仪表的结构及工作原理 （三）电流、电压、功率及电能的测量
第一章电工基础知识 第一节电的基本概念 （一）、电 电是物质运动的一种形式。它是物质内所含的电子等载流子运动时的一种能量表现形式。从实质上讲，电是一种能量，也常称作电能。 电在人们的生产和生活中获得了极其广泛的应用，如通电后可以使灯光和电炉发热（称电的热效应）；可以使电动机转动（称电的动力效应）；可以进行电解（称电的化学效应）；电磁铁会产生强的吸引力（称电的磁效应）等。可见电具有许多功能，它可以转化为其他多种形式的能量。正是由于电具有如此巨大的做功本领和能力，所以通常把电功率表示的电能成为电力。 电属于二次能源，它是由一次能源如煤、石油、水或核原料等经过发电厂加工得来的。电能在国民经济各个领域及人们的日常生活中占有很重要的地位，离开了电力，要想实现人类社会的高度文明和现代化是根本不可能的。（二）、电的类型 根据自由电子在传导物体内是否移动，其方向是否随时间而改变及如何改变等特性，可将电大概划分为如下几种类型。 静电恒稳直流电 电直流电 脉冲直流电 动电 单相交流电 交流电 三相交流电 静电：是由于受摩擦力的作用，两种相关物体发生了自由电子的得失而产生的，由于它不能在带电物体内流动，故称为静电。静电会产生危害：例如运油车行驶时，燃油与油罐摩擦、撞击产生大量静电，会引起爆炸。防止静电常用方法有①接地②增加空气湿度等。 动电：是使电能按照人们的意愿，在规定的通路内“流动”的一种电，故称为动电。 直流电：电流方向不随时间改变的电称为直流电。 恒稳直流电：电流方向和大小均与时间无关，始终保持不变的叫恒稳直流电。 脉冲直流电：电流方向不变而大小随时间发生规律性变化的叫脉冲直流电。 交流电：电流的方向随时间发生周期性交替变化的叫交流电。 （三）、电压等级 我国执行的供电电压等级分为：0.22/0.4kV、6 kV、10 kV、35 kV、110 kV、220 kV、330 kV、500 kV。 （四）、电荷、电压与电流
本技术新型公开了一种电学性能测试设备，包括加工装置、测试装置和分析装置，加工装置、测试装置和分析装置安装在基座上面并呈直线排布，加工装置在右侧，测试装置在中间，分析装置在左侧，传送带安装在加工装置与测试装置中间，线缆安装在电气设备连接处，支撑架安装在基座底部边缘；本电学性能测试设备，在使用时只需将所检测材料在加工装置加工成检测装置所需状态，通过传送带运输到检测装置，经检测后将数据传输到分析电脑中即可，本设备安装五种常用的检测装置，能够同时检测多种电学性能，并将数据统一传输到分析电脑，做到全方位系统的测试材料的电学性能。 技术要求
1.一种电学性能测试设备，包括加工装置（1）、测试装置（3）和分析装置（5），其特征在于：所述加工装置（1）、测试装置（3）和分析装置（5）安装在基座（6）上面并呈直线排布，加工装置（1）在右侧，测试装置（3）在中间，分析装置（5）在左侧，传送带（2）安装在加工装置（1）与测试装置（3）中间，线缆（4）安装在电气设备连接处，支撑架（7）安装在基座（6）底部边缘；所述加工装置（1）包括放料口（11）和加工台（12），放料口（11）放置在加工台（12）顶部中间，加工台（12）安装在基座（6）右侧，测试装置（3）包括介电强度检测装置（31）、介电常数检测装置（32）、介电损耗检测装置（33）、体积电阻系数和表面电阻系数检测装置（34）、耐电弧性检测装置（35）、检测架（36）、排污口（37）和废料盒（38），介电强度检测装置（31）、介电常数检测装置（32）、介电损耗检测装置（33）、体积电阻系数和表面电阻系数检测装置（34）、耐电弧性检测装置（35）安装在检测架（36）上面并且呈线性排布，从右到左以依次为介电强度检测装置（31）、介电常数检测装置（32）、介电损耗检测装置（33）、体积电阻系数和表面电阻系数检测装置（34）、耐电弧性检测装置（35），检测架（36）安装在基座（6）中部，排污口（37）安装在检测架（36）右侧下方，废料盒（38）放置在基座（6）之上并且在排污口（37）的下方，分析装置（5）包括分析电脑（51）和分析台（52），分析电脑（51）放置在分析台（52）上面，分析台（52）安装在基座（6）左侧。 2.根据权利要求1所述的一种电学性能测试设备，其特征在于：所述电气设备均用线缆（4）连接。 3.根据权利要求1所述的一种电学性能测试设备，其特征在于：所述检测装置均为标准设备。 4.根据权利要求1所述的一种电学性能测试设备，其特征在于：所述支撑架（7）共6个并均匀分布在基座（6）下方边缘。 技术说明书 一种电学性能测试设备 技术领域
《材料物理性能》思考题 第一章热学性能 1.1 概述 1、材料的热学性能包括热容、热膨胀、热传导和热稳定性等。 2、什么是格波？ 答：由于晶体中的原子间存在着很强的相互作用，原子的微振动不是孤立的，原子的运动状态（或晶格振动）会在晶体中以波的形式传播，形成“格波”。 3、若三维晶体由N个晶胞组成，每个晶胞中含有S个原子，则晶体中格波数为3NS 个，格波支数为3S 个。 4、受热晶体的温度升高，实质是晶体中热激发出的声子数目的增加。 5、举例说明某一材料热学性能的具体应用。 1.2 热容 1、什么是比热容和摩尔热容（区分：定压摩尔热容和定容摩尔热容）？ 答：比热容(c):质量为1kg的物质在没有相变和化学反应条件下温度升高1K所需要的热量答：摩尔热容(C m)：1mol物质在没有相变和化学反应条件下温度升高1K所需要的热量 3、固体热容的经验定律和经典理论只适用于高温，对低温不适用！ 4、由德拜模型可知，温度很低时，固体的定容摩尔热容与温度的三次方成正比（德拜T3定律）。 5、金属热容由晶格振动和自由电子两部分贡献组成 6、自由电子对热容的贡献在极高温和极低温度下不可忽视，在常温时与晶格振动热容相比微不足道！ 7、一级相变对热容的影响特征是什么？ 答：在相变温度下，热焓发生突变，热容不连续变化。 8、影响无机材料热容的因素有哪些？ 答：温度，键强，弹性模量，熔点 9、对于隔热材料，需使用低热容（如轻质多孔）隔热砖，便于炉体迅速升温，同时降低热量损耗。 10、什么是热分析法？DTA、DSA和TG分别是哪三种热分析方法的简称？举例说明热分析
法的应用。 答：热分析法：在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一种技术。 DTA：差热分析（1.测量系统（示差热电偶）2. 加热炉3. 温度程序控制器4. 记录仪）1.3 热膨胀 1、什么是线或体膨胀系数？答：温度升高1 K时，物体的长度（体积）的相对增加量。 2、固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。 3、材料的热膨胀来自原子的非简谐振动。 4、材料热膨胀的物理本质可用原子间的作用力曲线或势能曲线曲线来解释。 5、熔点较高的金属具有较低的膨胀系数。 6、结构对称性较低的单晶体，其膨胀系数具有各向异性，不同的晶向有不同的线膨胀系数。一般来说，弹性模量高的方向将有较小的膨胀系数，反之亦然。（如石墨：平行于C轴方向的热膨胀系数大于垂直于C轴方向的热膨胀系数。） 7、举例说明一级相变对材料膨胀性能的影响。 8、钢的不同组织比容从大到小的顺序为：马氏体、渗碳体、铁素体、珠光体、奥氏体。 9、通常陶瓷制品表面釉层与坯体热膨胀系数的大小关系如何？为什么？ 1.4 热传导 1、什么是热导率？ 2、固体材料热传导主要有、和三种微观机制，不同材料导热机制有何区别？ 3、对于声子热导而言，热阻来源于声子扩散过程中的各种（如声子的碰撞、点缺陷的散射、晶界的散射和位错的散射等）。 4、对于同一种物质，多晶体、单晶体和非晶体的热导率的大小关系如何？ 5、请综合分析非晶体的热导率与温度的关系。 6、综合分析影响无机材料热导率的因素。 1.5 热稳定性 1、什么是材料的热稳定性？。 2、材料抗热冲击损坏的两大类型为和。 3、什么是热应力？材料的热应力主要来源于哪三个方面？ 4、抗热应力损伤性正比于断裂表面能，反比于应变能的释放率。
一章 1、原子间的键合类型有几种？（P1) 金属键、离子键、共价键、分子键和氢键 2、什么是微观粒子的波粒二象性？（P1） 光子这种微观粒子表现出双重性质——波动性和粒子性，这种现象叫做波粒二象性。 3、什么是色散关系？什么是声子？声子的性质？（P20、P25） 将频率和波矢的关系叫做色散关系。 声子就是晶格振动中的独立简谐振子的能量量子。 性质：（1）声子的粒子性：声子和光子相似，光子是电磁波的能量量子，电磁波可以认为是光子流，光子携带电磁波的能量和动量。 （2）声子的准粒子性：准粒子性的具体表现：声子的动量不确定，波矢改变一个周期或倍数，代表同一振动状态，所以不是真正的动量。 4、声子概念的意义？（P25） （1）可以将格波雨物质的相互作用过程理解为，声子和物质的碰撞过程，使问题大大简化，得出的结论也正确。 （2）利用声子的性质可以确定晶格振动谱。 5、简述高聚物分子运动的特点。（P29） （1）运动单元的多重性（2）分子运动时间的依赖性（3）分子运动的温度依赖性6、影响高聚物玻璃化温度的因素（P33） （1）分子链结构的影响（2）分子量的影响（3）增塑剂的影响（4）外界条件的影响 7、影响高聚物流动温度的因素（P39） (1) 分子量（2）分子间作用力（3）外力 8、线性非晶高聚物的力学状态？（P29） 二章 1、材料的热学性能的内容。(P41) 材料的热学性能包括热容、热膨胀、热传导、热稳定性、熔化和升华等。 2、什么是热容？（P42）什么是杜隆-柏替定律和奈曼-柯普定律（P43） 热容是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K所需要增加的能量。 杜隆-珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/(k·mol)； 奈曼-柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。 3、试述线膨胀系数与体膨胀系数的关系。（P50） 4、请分析热膨胀与其他性能的关系。（P49） 5、影响材料热膨胀系数的因素。（P50） （1）化学组成、相和结构的影响（2）化学键的影响（3）相变的影响 6、简述影响热导率的因素。（P55） （1）温度的影响（2）显微结构的影响（3）化学组成的影响 （4）复相材料的热导率（5）气孔的影响 7、什么是热稳定性？无机材料受热损坏类型有几种？（P60） 热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力。
材料科学实验讲义 (一级实验指导书) 东华大学材料科学与工程中心实验室汇编 2009年7月
一、实验目的 按照导电性能区分，不同种类的材料都可以分为导体、半导体和绝缘体三大类。区分标准一般以106Ω?cm和1012Ω?cm为基准，电阻率低于106Ω?cm称为导体，高于1012Ω?cm称为绝缘体，介于两者之间的称为半导体。然而，在实际中材料导电性的区分又往往随应用领域的不同而不同，材料导电性能的界定是十分模糊的。就高分子材料而言，通常是以电阻率1012Ω?cm为界限，在此界限以上的通常称为绝缘体的高分子材料，电阻率小于106Ω?cm称为导电高分子材料，电阻率为106 ～1012Ω?cm常称为抗静电高分子。通常高分子材料都是优良的绝缘材料。 通过本实验应达到以下目的： 1、了解高分子材料的导电原理，掌握实验操作技能。 2、测定高分子材料的电阻并计算电阻率。 3、分析工艺条件与测试条件对电阻的影响。 二、实验原理 1、电阻与电阻率 材料的电阻可分为体积电阻(R v)与表面电阻(R s)，相应的存在体积电阻率与表面电阻率。 体积电阻：在试样的相对两表面上放置的两电极间所加直流电压与流过两个电极之间的稳态电流之商；该电流不包括沿材料表面的电流。在两电极间可能形成的极化忽略不计。 体积电阻率：在绝缘材料里面的直流电场强度与稳态电流密度之商，即单位体积内的体积电阻。 表面电阻：在试样的某一表面上两电极间所加电压与经过一定时间后流过两电极间的电流之商；该电流主要为流过试样表层的电流，也包括一部分流过试样体积的电流成分。在两电极间可能形成的极化忽略不计。 表面电阻率：在绝缘材料的表面层的直流电场强度与线电流密度之商，即单位面积内的表面电阻。 体积电阻和表面电阻的试验都受下列因素影响：施加电压的大小和时间；电极的性质和尺寸；在试样处理和测试过程中周围大气条件和试样的温度、湿度。高阻测量一般可以利用欧姆定律来实现，即R=V/I。如果一直稳定通过电阻的电流，那么测出电阻两端的电压，就可以算出R的值。同样，给被测电阻施加一个已知电压，测出流过电阻的电流，也可以算出R的值。问题是R值很大时，用恒流测压法，被测电压V=RI将很大。若I=1μA，R=1012Ω，要测的电压V=106V。用加压测流法，V是已知的，要测的电流I=V/R将很小。因为处理弱电流难度相对小些，我们采用加压测流法，主要误差来源是微弱电流的测量。 2、导电高分子材料的分类
2.1.固体电子理论 1.经典自由电子学说 自由电子在晶体中的行为如同气体，故又称电子气体 困难： 1）实测的电子对热容的贡献比经典自由电子学说估计值小得多 2）实际测量的电子平均自由程比经典理论估计值大许多 3）绝缘体、半导体、金属导体导电性为何存在巨大差异 2.量子自由电子学说 电子的能量是不连续的，而是存在一准连续的能级 量子自由电子学说尚无法解释为何绝缘体、半导体、金属的导电性能存在巨大差异 量子自由电子学说的局限是忽略了周期势场的影响 态密度物理意义：单位能量范围内所能容纳的电子数 费米能表示0K时基态系统电子所占有的最高能级的能量, 可以认为费米能不随温度变化 3. 有了能带概念，就可以说明金属和绝缘体的区别，并且由能带理论预言了介于两者之间的半导体的存在 单电子近似:假定固体中的原子核不动，并设想每个电子是在固定的原子核的势场中及其它电子的平均势场中运动，这样就把问题简化成单电子问题，这种方法称为单电子近似 能带论:用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论 紧束缚近似:如果用相反的思维过程，即先考虑电子完全被原子核束缚，然后再考虑近似束缚的电子，也可以得到能带概念，这种方法称为紧束缚近似 原子基态价电子能级分裂而成的能带称为价带，相应于价带以上的能带（即第一激发态）称为导带 金属:热能（T>0K）或电场所产生的能量足以将大量电子激发成为自由电子 绝缘体与半导体:半导体与绝缘体的能带结构相同，差别仅在于禁带的宽度 价带顶部并无空能级，要产生自由电子和电子空穴必须使电子跨越禁带以进入导带，所需能量较大。一般地，激发能量由热或光提供，而非由电场提供 非晶态： 扩展态：电子可在整个晶体中运动的电子态 定域化 定域态的能量被局限在一个范围内 迁移率边：扩展态和定域态之间有一个能量的分界
第一章：材料电学性能 1.导电能力 如何评价材料的导电能力？如何界定超导、导体、半导体和绝缘体材料？ 用电阻率ρ或电阻率ζ评价材料的导电能力。按材料的电阻率，人们通常将材料划分为： （1）绝缘体 ρ > 108 （Ω?m ） （2）半导体 10-2 < ρ < 108 （Ω?m ） （3）金属 10-8 < ρ < 10-2 （Ω?m ） （4）超导体 ρ < 10-27 （Ω?m ） 2.经典导电理论/欧姆定律 经典导电理论的主要容是什么？它如何解释欧姆定律？它有哪 些局限性？ 金属导体中，其原子的所有价电子均脱离原子核的束缚成为自由电子，而原子核及层 束缚电子作为一个整体形成离子实。所有离子实的库仑场构成一个平均值的等势电场，自 由电子像理想气体一样在等势电场中运动。若没有外部电场或磁场的影响，一定温度下其 中的离子实只能在定域作热振动，形成格波，自由电子则可以在较大围作随机运动，并不 时与离子实发生碰撞或散射，此时定域的离子实不能定向运动，方向随机的自由电子也不 能形成电流。施加外电场后，自由电子的运动就会在随机热运动基础上叠加一个与电场反 方向的平均分量，形成定向漂移，形成电流。自由电子在定向漂移的过程中不断与离子实或其它缺陷碰撞或散射，从而产生电阻。 J E σ= 电导率2e m e ==σητημ（其中2e m v E μτ==-，为电子的漂移迁移率，表示单位场强下电子的漂移速度），它将外加电场强度和导体的电流密度联系起来，表示了欧 姆定律的微观形式。 缺陷：该理论高估了自由电子对金属导电能力的贡献值，实际上并不是所有价电子都参与 了导电。（把适用于宏观物体的牛顿定律应用到微观的电子运动中，并承认能量的连续性） 3.自由电子近似 自由电子近似下的量子导电理论如何看待自由电子的能量和运动行为？ 能量：自由电子近似下，电子的本证波函数是一种等幅平面行波，即振幅保持为常数； 行为：电子本证能量E 随波矢量的变化曲线是一条连续的抛物线。 4.自由电子近似概念 根据自由电子近似下的量子导电理论解释：准连续能级、能级的简 并状态、简并度、能态密度、k 空间、等幅平面波和能级密度函数。 准连续能级：电子的本征能量是量子化的，其能量值由主量子数n 决定，并且其能量值也是不连续的，能级差与材料线度L 2成反比，材料的尺寸越大，其能级差越小，作为宏观 尺度的材料，其能级差几乎趋于零，电子能量可以看成是准连续的。 能级简并状态：把同一能级下具有多种能态的现象称为能级的简并状态。 简并度：同一能级下的能态数目称为简并度。 能态密度：对某个电子体系，在k 空间单位体积能态的数量或倒易节点数称为波矢能态密 度ρ。ρ=V/(2π) 3，含自旋的能态密度应为2ρ K 空间：若使用波矢量 k 的三个分量 k x , k y , k z 为单位矢量构筑坐标系，则每个能态在该坐标中都是一个整数点, 对于准连续的能级，此坐标系中的每个整数点都代表一个能态。人们把此坐标系常数称为k 空间或状态空间。 等幅平面波：量子导电理论中，在自由电子近似下用于描述电子运动行为的本征波函数， 其波幅保持为常数。 能级密度函数：电子的波失能态函数对其能量的分布函数，即在单位能量宽度上的能态分 布。表达式为 ()312222()(4)2V N E dZ dE V m E π==
第二章材料电学性能 内容概要：本章介绍金属的导电机理，以及影响金属导电的因素，导电率的测量方法及其它材料的电学性质。 具体内容和学时安排如下： 第一节导电性能及本质 要求学生掌握导电的三大理论：经典电子理论；电子的量子理论；能带理论。这三大理论的成功或不足点。理解自由电子、能级和能带、周期性势场、能带密度、K空间的概念。 第二节金属导电性能影响因素 理解温度、相变、应力和热处理（淬火和退火）对材料导电性能的影响。 第三节合金的导电性能 理解固溶体和化合物的导电性 第四节电阻率的测量 电阻率的测量方法有单电桥法；双电桥法；电子四探针法。重点要求掌握单电桥法。第五节电阻分析应用 根据电阻率与温度的线性关系，可来研究材料的相变，材料的组织结构变化。 第六节超导电性 掌握超导的两大性能：完全导电性和完全抗磁性。掌握超导态转变为正常态的三个条件：临界温度；临界电流；临界磁场。超导的本质－BCS理论。 第七节材料的热电性能 了解三大热电现象：第一热导效应、第二热电效应、第三热电效应。 第八节半导体导电性的敏感效应 了解半导体能带结构特点；半导体导电有本征导电和杂质导电;实现导电的条件。 第九节介电极化与介电性能 掌握电介质极化机理和介电常数的本质 第十节电介质的介电损耗 了解电介质的能量损耗。 （共12个学时） 第一节导电性能及本质
材料的电学性能是指材料的导电性能，与材料的结构、组织、成分等因素有关。 一、电阻与导电的概念 Ｒ＝Ｕ/I R 不仅与材料的性质有关，还与材料的几何形状有关 。 S L R ρ= L 与材料的长度，ｓ与材料的横截面积，ρ为电阻率，单位为 m Ω? ρ σ1 = 值越小，a 值越大。 ρ 值愈小，σ值愈大。 纯金属：e 为10-8～10-7 合金： 10-7～10-5 半导体：10-3～10 9 绝缘体：﹥10 9 导电性能最好的金属是银、铜、金，其电阻率分别为1.5×10-8Ω?m 、1.73×10-8Ω?m 、等 二、导电机理及能带理论 关于材料的导电机理有三大理论：经典电子理论；电子的量子理论；能带理论。 1 金属及半导体的导电机理 1〉经典电子理论 经典电子理论认为(以Drude 和Lorentz 为代表)：在金属晶体中，离子构成晶格点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，称为自由电子，它们弥散分布于整个点阵之中，就像气体分子充满整个容器一样，因此称为“电子气”。它们的运动遵循经典气体分子的运动规律，自由电子之间以及自由电子与正离子之间仅仅是机械碰撞而已。在没有外加电场时，金属中的自由电子沿各个方向的运动几率相同，因此不产生电流。当对金属施加外电场，自由电子沿电场方向加速运动，从而产生电流。在自由电子定向运动时，要与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是电阻。 设电子两次碰撞之间所经历的时间为τ 2* 2n e m τσ*= m*为电子的有效质量（考虑了晶体场对电子的相互作用） τ为电子在两次碰撞之间的时间间隔，τ为时间自由程. v 为电子运动的平均速度。 在T=0K 时，电子不受到散射.p=0.σ→∞。理想晶体。 T ≠0K 时，晶体的阵热振动或经典电子理论成功计算了电导率以及电导率与热导率的关系；但经典电子理论不能解释以下几种现象：电子的长平均自由程；材料导电性能差异；金属电子比热小。 2〉量子自由电子理论 量子自由电子理论认为：金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，且为整个金属所有，可以在整个金属中自由运动。但这一理论认为：金属中每个原子的内层电子基本保持单个原子时的能量状态，而所有的价电子却按量子规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。 量子电子理论认为：电子具有波粒二象性。运动着的电子作为物质波，其频率与电子的运动速
)（ E k → 第一章：材料电学性能 1 如何评价材料的导电能力？如何界定超导、导体、半导体和绝缘体材料？ 用电阻率ρ或电阻率σ评价材料的导电能力。 按材料的导电能力（电阻率），人们通常将材料划分为： ） （）超导体（） （）导体（）（）半导体（） （）绝缘体（m .104m .10103m .10102m .10127 28-828Ω?Ω??Ω??Ω?---ρρρρ 2、经典导电理论的主要内容是什么？它如何解释欧姆定律？它有哪些局限性？ 金属导体中，其原子的所有价电子均脱离原子核的束缚成为自由电子，而原子核及内层束缚电子作为一个整体形成离子实。所有离子实的库仑场构成一个平均值的等势电场，自由电子就像理想气体一样在这个等势电场中运动。如果没有外部电场或磁场的影响，一定温度下其中的离子实只能在定域作热振动，形成格波，自由电子则可以在较大范围内作随机运动，并不时与离子实发生碰撞或散射，此时定域的离子实不能定向运动，方向随机的自由电子也不能形成电流。施加外电场后，自由电子的运动就会在随机热运动基础上叠加一个与电场反方向的平均分量，形成定向漂移，形成电流。自由电子在定向漂移的过程中不断与离子实或其它缺陷碰撞或散射，从而产生电阻。 E J → → =σ，电导率σ= （其中μ= ，为电子的漂移迁移率，表示单位场强下电子 的漂移速度），它将外加电场强度和导体内的电流密度联系起来，表示了欧姆定律的微观形式。 缺陷：该理论高估了自由电子对金属导电能力的贡献值，实际上并不是所有价电子都参与了导电。（？把适用于宏观物体的牛顿定律应用到微观的电子运动中，并且承认能量的连续性） 3、自由电子近似下的量子导电理论如何看待自由电子的能量和运动行为？ 自由电子近似下，电子的本证波函数是一种等幅平面行波，即振幅保持为常数；电子本证能量E 随波矢量的变化曲线 是一 条连续的抛物线。 4、根据自由电子近似下的量子导电理论解释：准连续能级、能级的简并状态、简并度、能态密度、k 空间、等幅平面波和能级密度函数。 准连续能级 ：电子的本征能量是量子化的，其能量值由主量子数n 决定，并且其能量值也是不连续的，能 级差与材料线度L 2成反比，材料的尺寸越大，其能级差越小，作为宏观尺度的材料，其能级差几乎趋于零，电子能量可以看成是准连续的。 能级的简并状态 ：把同一能级下具有多种能态的现象称为能级的简并状态。 简并度 ：把同一能级下的能态数目称为简并度。 能态密度 ：对于某一个电子体系，在k 空间内单位体积内能态的数量或倒易节点数称为波矢能态密度。ρ =V/(2π)3，含自旋的能态密度应为2ρ K 空间 ：如果使用波矢量 3,2,1k k k k → → → → 的三个分量为单位矢量构筑坐标系，则每个能态在该坐标中都 是一个整数点，对于准连续的能级，此坐标系中的每个整数点都代表一个能态。人们把此坐标系常数称为k 空间或状态空间。
共轭聚合物的电学性质 姓名:周宇班级：10级高分子材料与工程1班学号：201015014021 摘要：共轭导电聚合物是一种极有应用前景的功能高分子材料，简单了解共轭导电聚合 物的导电特性、应用以及共轭导电聚合物在制作二次电池、新型电子器件等方面具有独特的特性和优点。 关键词：共轭聚合物电学性质应用及发展 前言 导电高分子的研究和应用是近年来高分子科学最重要的成就之一。1974年日本白川英树等偶然发现一种制备聚乙炔自支撑膜的方法，得到聚乙炔薄膜不仅力学性能优良，且有明亮金属光泽。而后MacDiarmid、Hedger、白川英树等合作发现聚乙炔膜经过AsF5、I2等掺杂后电导率提高13个数量级，达到103S?cm-1，成为导电材料。这一结果突破了传统的认为高分子材料只是良好绝缘体的认识，引起广泛关注。 由于共轭导电聚合物同时具有聚合物、无机半导体和金属导体的特性，因而具有巨大的潜在的商业应用价值。在这里就聚合物的导电性及共轭聚合物材料的特性及其应用作一扼要介绍。 正文 一．聚合物的电学性质 高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静电性质等。 （一）聚合物的介电性能 聚合物在外电场作用下贮存和损耗电能的性质称介电性,这是由于聚合物分子在电场作 tg表示. 用下发生极化引起的，通常用介电系数ε和介电损耗 1.介电损耗 电介质在交变电场中极化时,会因极化方向的变化而损耗部分能量和发热,称介电损耗。介电损耗产生的原因有两方面:一为电导损耗,是指电介质所含的微量导电载流子在电场作用下流动时，因克服电阻所消耗的电能;二为极化损耗,这是由于分子偶极子的取向极化造成的.对非极性聚合物而言,电导损耗可能是主要的.对极性聚合物的介电损耗而言,其主要部分为
高分子材料的电学性能 高分子092班学号：5701109061 姓名：林尤琳 摘要：种类繁多的高分子材料的电学性能是丰富多彩的。多数聚合物材料具有卓越 的电绝缘性能，其电阻率高、介电损耗小，电击穿强度高，加之又具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性及易成型加工性能，使它比其他绝缘材料具有更大实用价值，已成为电气工业不可或缺的材料。 关键词：高分子材料电学性能静电导电介电常数 高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静电性质等。电学性能是材料最基本的属性之一，这是因为构成材料的原子和分子都是由电子的相互作用形成的，电子相互作用是材料各种性能的根源。电子的微观相互作用同时是产生材料宏观性能，包括电学性能的微观基础。在电场作用下产生的电流、极化现象、静电现象、光发射和光吸收现象都与其材料内部的电子运动相关。深入、系统了解材料的电学性能在材料的制备、应用等方面都具有非常重要的意义。（1） 一、聚合物的介电性 介电性是指高聚物在电场作用下，表现出对静电能的储存和损耗的性质。通常用介电常数和介电损耗来表示。(2) 根据高聚物中各种基团的有效偶极距μ，可以把高聚物按极性的大小分成四类： 非极性（μ＝0）：聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚四氟乙烯等 弱极性（μ≤0.5）：聚苯乙烯、天然橡胶等 极性（μ＞0.5）：聚氯乙烯、尼龙、有机玻璃等 强极性（μ＞0.7）：聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯腈、酚醛树脂、氨基塑料等 聚合物在电场下会发生以下几种极化：（1）电子极化，（2）原子极化，（3）偶极极化。聚合物的极化程度用介电常数ε表示 式中：V为直流电压；Qo、Q分别为真空电容器和介质电容器的两极板上产生的电荷；Q’为由于介质极化而在极板上感应的电荷。 非极性分子只有电子和原子极化，ε较小；极性分子除有上述两种极化外，还有偶极极化，ε较大。此外还有以下因素影响ε： （1）极性基团在分子链上的位置。在主链上的极性基团活动性小，影响小；在柔性侧基上的极性基团活动性大，影响大。 （2）分子结构的对称性。分子结构对称的，极性会相互抵消或部分抵消。 （3）分子间作用力。增加分子间作用力（交联、取向、结晶）会使ε较大；减少分子间作用力（如支化）会使ε较小。 （4）物理状态。高弹态比玻璃态的极性基团更易取向，所以ε较大。 聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量损耗，使介质本身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。通常用介电损耗角正切tanδ来表示介电损耗。一般高聚物的介电损耗时非常小的，tanδ＝10－3～10－4。 介电损耗主要是取向极化引起的，通常ε越大的因素也越会导致较大的介电损耗。非极性聚合物理论上讲没有取向极化，应当没有介电损耗，但实际上总是有杂质（水、增塑剂等）
高中物理电学实验基础 一、电表、电表的改装 1.灵敏电流表G （1）三个主要参数 ①内阻Rg:电流表线圈的电阻，大约几十欧到几百欧。 ②满偏电流Ig:指针批转到最大刻度时的电流，大约几十微安到几毫安。 ③满偏电压Ug:电流表通过Ig 时两端的电压，大约零点几伏。 （2）三个参数间的关系：由欧姆定律可知Ug=IgRg 注意：电表就是电阻。 2.电压表 （1）电压表的改装 电流表G 的电压量程Ug=IgRg ，当改装成量程为U 的电压表时，应串联一个电阻R 分去多余的电压U-Ug ，电阻R 叫分压电阻。 （2）电压表的内阻：Rv=Rg+R 3.电流表的改装 电流表G 的电压量程Ug=IgRg ，当改装成量 程为I 的电流表时，应并联一个电阻R 分去多余的电流I-Ig ，电阻R 叫分 流电阻。 （2）电流表的内阻：R A =Rg ×R/(R+Rg) 4.电流表改装成欧姆表 ①原理：闭合电路的欧姆定律 ②如图1所示，当红、黑表笔短接时，调节R ，使电流表的指针达到满偏电流， 此时指针所指表盘上满刻度处对应两表笔间电阻为零。这时有： ③当两表笔间接入电阻Rx 时，电流表的电流为： ( )g g g g g g U U U I R R U U R R Ug -==-=据串联电路的特点得：解得：G R I U g U G R I U-Ug R ()g g g g g g g U I R I I R I R R I I ==-=-据并联电路的特点得： 解得：I-I g U G R I R g g E I R R r =++x g x E I R R r R =+++G + － R E r 红表笔 黑表笔 图1