第二章;材料的电学性能(热电性)

电子在自由行程之间所获得的附加速度是从零升至Level)：ρ= ρ0(1＋αT)t低温下杂质、晶体缺陷对金属电阻的影响金属电阻—温度曲线电原因：压力作用下金属原子间距缩小，内部缺陷的形态、电子结构、费米面和能带结构以及电子散射机制等都将发生变化，引起金属的导电性能变化。

尤其对过渡族金属，由于其内部存在着具有能量差别不大的未填满电子的壳层，在压力的作用下，有可能使外壳层电子转移到未填满的内壳层，这就必然会表现出性能的变化。

ρ’＋ρT如令L d ＝d （薄膜厚度），则：ρd =ρ∞（1＋L / d ）生产上可采用沉积、溅射等方法作成薄膜电阻材料来提高材料电阻率1 / L et = 1 / L + 1 / L dL 、L d 分别为电子在试样中和表面的散射自由程试样的有效散射系数可写成Ag-Au合金电阻率与成分的关系固溶体电阻与温度的关系低浓度的固溶体中，固溶体电阻率随温度变化的斜率与溶质原子的含量无关（见左下图）。

固溶体的电阻率温度系数总是小于纯金属的电阻率温度系数。

越低。

或离子键道尔顿体别尔多利体金属相成分-性能关系：物理性能随成分均匀改变，如（b而另一种化合物成分-物理性能上则出现了特殊的点，称为奇异点。

如（a）所示电组率与组元的体积浓度关系：单电桥工作原理示意图阻，除试样电阻外，还包括引线电阻和接触电阻，当它们与试样电阻相比，不可忽略时，测量结果就不可靠。

因此，单电桥不能用于低电阻测量。

应选择一个与待测电阻有着同一双电桥法设计时，R 1、R 2、R 3、R 4的电阻远比Rx 、R N 、r 电阻大许多，所以A 是大电流通过的接头，称为电流接头；而A 2、B 2、C 2、D 2只通过小电流，称为电压接头。

、R 2、R 3和R 4，令检流计指零、H 、F 两点电位相等。

由于流过的电流很小，A 2与D 2接触电阻对F 电电位影响可忽略；同理B 2和C E 电位影响也可忽略。

但B 1、C 1及其连线电阻r 不可忽略，因为电流特别大。

材料的热电性能热电材料是利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接转换的功能材料。

它的产生于材料的热电性能密不可分，材料的热电性能可以总结为塞贝克效应，帕尔贴效应，汤姆孙效应.塞贝克效应热电现象最早在1823年由德国人Seebeck发现。

当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个节点处电温度不同，则在两个节点之间将会产生电动势，且在回路中有电流通过，该现象被叫做Seebeck效应,此回路称为热电回路，回路中出现的电流称为热电流，回路中出现的电动势称为塞贝克电动势.塞贝克系数图 1 塞贝克效应示意图可表示为:式中，V表示电动势;T表示温度，S的大小和符号取决于两种材料和两个结点的温度。

当载流子是电子时，冷端为负,S是负值；如果空穴是主要载流子类型，那么热端是负，S是正值。

帕尔贴效应1834年，法国钟表匠Pletier发现了Seebeck效应的逆效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时接点处会发生放热或吸热现象，称为帕尔贴效应.帕尔贴系数可表示为：P表示单位时间接头处所吸收的帕尔贴热；I表示外加电源所提供的电流强度。

汤姆孙效应当电流通过具有一定温度梯度的导体时,会有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流方向和温度梯度的方向而定。

在实际应用中，以无量纲的ZT值来衡量材料的热电性能：式中，σ为电导率；k为热导率；S是塞贝克系数；T为温度。

σS2又被称作功率因子，用于表征热电材料的电学性能。

从上式可以得出,提高热电材料的能量转换效率可以通过增大其功率因子或降低其热导率来实现，但这3个参数并非独立的，它们取决于材料的电子结构和载流子的散射情况。

为了提高塞贝克系数，材料中应该只有单一类型的载流子，n型和p型载流子同时存在会导致两种载流子都向冷端移动,从而降低塞贝克电压。

低的载流子浓度会增大塞贝克系数，塞贝克系数公式如下：n为载流子浓度,m为载流子有效质量.大的载流子有效质量会提高塞贝克系数，但是会降低电导率。

m和态密度有关,载流子的有效质量会随着费米能及附近的态密度增加而增加。

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 。

SL 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∙ρσ1=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：10-3～109 绝缘体：﹥109 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。

材料的热电性能热电材料是利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接转换的功能材料。

它的产生于材料的热电性能密不可分，材料的热电性能可以总结为塞贝克效应，帕尔贴效应，汤姆孙效应。

塞贝克效应热电现象最早在1823年由德国人Seebeck发现。

当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个节点处电温度不同，则在两个节点之间将会产生电动势，且在回路中有电流通过，该现象被叫做Seebeck效应，此回路称为热电回路，回路中出现的电流称为热电流，回路中出现的电动势称为塞贝克电动势。

塞贝克系数可表示为：式中，V表示电动势；T表示温度，S的大小和符号取决于两种材料和两个结点的温度。

当载流子是电子时，冷端为负，S是负值；如果空穴是主要载流子类型，那么热端是负，S是正值。

帕尔贴效应1834年，法国钟表匠Pletier发现了 Seebeck效应的逆效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时接点处会发生放热或吸热现象，称为帕尔贴效应。

帕尔贴系数可表示为：P表示单位时间接头处所吸收的帕尔贴热； I表示外加电源所提供的电流强度。

汤姆孙效应当电流通过具有一定温度梯度的导体时，会有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流方向和温度梯度的方向而定。

在实际应用中，以无量纲的ZT值来衡量材料的热电性能：式中，σ为电导率；k为热导率；S是塞贝克系数；T为温度。

σS2又被称作功率因子，用于表征热电材料的电学性能。

从上式可以得出，提高热电材料的能量转换效率可以通过增大其功率因子或降低其热导率来实现，但这3个参数并非独立的，它们取决于材料的电子结构和载流子的散射情况。

为了提高塞贝克系数，材料中应该只有单一类型的载流子，n型和p型载流子同时存在会导致两种载流子都向冷端移动，从而降低塞贝克电压。

低的载流子浓度会增大塞贝克系数，塞贝克系数公式如下：n为载流子浓度，m为载流子有效质量。

大的载流子有效质量会提高塞贝克系数，但是会降低电导率。

m和态密度有关，载流子的有图 1 塞贝克效应示意图效质量会随着费米能及附近的态密度增加而增加。

热电材料的电学特性与性能研究第一章绪论随着能源危机日益严峻，热电材料作为一种高效、环保的能源转换材料，备受学术界和工业界的关注。

热电材料是指在温差、压差或辐射场下，可将热能直接转换成电能或电能直接转换成热能的一类材料。

热电材料具有很大的应用前景，可用于制造纳米发电机、发电面料、路面车流能够资源回收等废件、低功耗电源等。

第二章热电材料的基本电学特性热电材料能够将温差转换成电能，是因为材料中的载流子（即电子和空穴）在温度梯度下发生浓度梯度，进而产生了载流子浓度差。

热电材料的电学特性主要包括电导率、霍尔系数、Seebeck 系数三个方面。

1.电导率电导率是指电场中单位长度内电流密度与电场强度之比。

针对热电材料而言，电流密度由载流子的扩散运动与漂移运动产生，而载流子扩散速度与漂移速度对应的电场强度则分别称为扩散电场和漂移电场。

因此，电导率的表达式为：σ= nqμ+ D其中，σ为电导率，n为载流子浓度，q为电荷量，μ为电子迁移率，D为扩散系数。

热电材料的电导率与载流子浓度、电子迁移率和扩散系数有关，其中的扩散系数则与扩散能垒相关。

2. 霍尔系数霍尔系数是指针对于磁场作用下热电材料产生的电场强度与磁场强度之比。

在外加磁场下，载流子将会受到洛伦兹力的作用，产生在和热电势之间作用的电场，这个效应便称为霍尔效应。

霍尔系数和载流子的电荷量和性质有关，在材料表面裸露的载流子霍尔系数比在体内霍尔系数高，并且随着沟道宽和载流子浓度的增加而减小。

3. Seebeck系数Seebeck系数是指在温差作用下，热电材料中电子能级发生变化后引起的电势差与温差之比。

More基于Thomson效应指出Seebeck系数可表达为：S= Vk- VT其中，Vk为载流子漂移速度（或漂移电场强度），VT为制热部分的电子温度。

由此，可以得出Seebeck系数反比于载流子迁移率的推论。

第三章热电材料的性能研究热电材料的性能研究主要包括制备及优化研究与热电性能测试研究两大方面。

一、 实验目的1. 通过实验了解热电材料的Seebeck 系数和电阻率的测定方法；2. 测量在特定温度范围内热电材料电学电学性能随温度的变化关系；3. 结合实验结果分析并热电材料电功率因子与温度的关系。

二、 实验原理1. 塞贝克系数塞贝克效应是材料的一个物理性能，是一种由电流引起的可逆热效应或者说是温度差引起的电效应，其示意图如下:对于两种不同的导体串联组成的回路，在导体b 的开路位置y 和z 之间，将会有一个电位差，称为热电动势，数值是：yz ab 12V ()T T α=-，当∆T 不是很大时，ab α为常数，定义为两种导体的相对Seebeck 系数，即 0lim //ab yz yz T V T dV dT α∆→=∆=（1）Seebeck 系数常用的单是uV/K,Seebeck 系数的测量原理如下图所示，1、3和2、4分别是NiCr 和NiSi 热电偶臂。

测量时两段温差保持10℃，S 两端存在温差时会产生热电势差Vs ，相对于热电偶的其中一个电偶臂1、3的Seebeck 系数为13//sa s V T V T α=∆=∆2.电阻率从原理上讲，对电阻为R，长度为L，截面积为A的样品，电导率ρ=R(A/L)。

然而，由于半导体热电材料通常电阻率较小，接触电阻相对较大，容易引入实验误差。

实验中电阻率的测定采用下图所示的两探针原理以避免接触电阻的影响。

电阻率测量在试样两端等温进行，当△T足够小时，才对样本施加测试电流，这是电阻R=V R/I const，V R为样品两端电压探针的电压降，I const为恒流源电流，取一特定值。

为消除附加的Seebeck电压影响，试验通过改变电流方向进行两次电压测量，取其平均值。

得R值后，有公式ρ=R(A/L)算出其电阻率。

三、实验设备与装备测量装置温度由AI-708P智能控制器控制。

样品两端电压利用Agilent970A数据采集仪输入微机。

所用电源为恒流源。

测量时抽真空以防样品氧化。

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 。

SL 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∙ρσ1=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：10-3～109绝缘体：﹥109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。