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材料的电学性能 PPT

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聚合物的电学、热学和光学性能—聚合物的电学性能(高分子物理课件)

聚合物的电学、热学和光学性能—聚合物的电学性能(高分子物理课件)
导电高分子
表征材料电性能的另一个重主要参量是电导率。电导率的定义可以由欧姆定律给出：当施加的电场产生电流时，电流密度J正比于电场强度E，其比例常数，即为电导率σ，即：电导率σ= J(电流密度) /E(电场强度) 电导率与电阻率关系为σ=1/ρ，单位为西门子每米，即S/m。 电导率的大小反映了物质输送电流的能力。ρ愈小,σ愈大，材料导电性能就越好。
界面极化
PE能否发生取向极化？纯PE，界面极化能否发生？
思考题
介电性指在电场作用下,构成物质的带电粒子只能产生微观上的位移而不能进行宏观上的迁移的性质，宏观表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，这是由于聚合物分子在电场作用下发生极化引起的，通常用介电系数ε和介电损耗表示。
二、聚合物的介电性能
例如喷涂在聚合物表面的抗静电剂，通过其亲水基团吸附空气中的水分子，会形成一层导电的水膜，使静电从水膜中跑掉。
在涤纶电影片基上涂敷抗静电剂烷基二苯醚磺酸钾，结果片基表面电阻率降低7~8个数量级。
另外，根据制造复合型导电高分子材料的原理，在聚合物基体中填充导电填料如炭黑、金属粉、导电纤维等也同样能起到抗静电作用。
相对于本征型导电高分子而言，这种复合材料的制备无论在理论上还是应用上都比较成熟，具有成型简便、重量轻、可在大范围内根据需要调节材料的电学和力学性能、成本低廉等优点，因而得以广泛开发应用。
复合型导电高分子的基体有：
常用的导电填料有：
碳类（石墨、炭黑、碳纤维ห้องสมุดไป่ตู้石墨纤维等）
金属类（金属粉末、箔片、丝、条或金属镀层的玻璃纤 维、玻璃珠等）
聚合物与聚合物摩擦时，介电系数大的聚合物带正电，介电系数小的带负电。另外聚合物的摩擦起电顺序与其逸出功顺序也基本一致，逸出功高者一般带负电。

材料性能学 10.电学性能

材料性能学 10.电学性能

3）能带导电理论 ----电子能量与波矢的关系
金属导电理论
晶体电子的能量E与波矢K的关系曲线就是能带图。 晶体电子的状态是用波函数和能量本征值来确定的， 可采用波矢K来表征；即一个K就代表了一种状态（ 一种波函数和相应的能量）
3）能带导电理论
（1）基本概念
由于晶体中电子能级的 间隙很小，故能级的分布可 视为准连续的，称为能带。
基本假设：
• 自由电子（价电子）公有 化，能量量子化；
• 离子势场不均匀，呈周期 变化；
允带 禁带
3）能带导电理论
3）能带导电理论
半导体能带中的几个概念： 价带，导带，导带底，价带顶，禁带宽度
（2）三种典型材料的能带结构
空带
价带
导 带
重 叠 区
禁带宽度
导 带
价带与空带重叠， 无禁带
价带半满
金属导体
ⅡA族－Be, Mg, Ca, Sr(锶), Ba, Ra(镭)
电子结构特征：最外 s 壳层 均有 2 个电子。
能带结构特征：最外s 带为 满带。
导电性：
表面上：应导电能力不佳，
实际上：导电能力高于ⅠA族。
Mg
原 因：最外s 带与最外 p 带重叠，构成导带
ⅢA族－B, Al, Ga, In, Tl(铊)
第八章 材料的电学性能
第八 章 材料的电学性能
• 导电性 • 介电性
重点介绍
• 铁电性 • 压电性 • 热释电性 • 磁电性 • 光电性
最后一节课即6-12部分内容， 学生讲，2个学生，每人选一 个内容，讲15分钟左右， 简单介绍 PPT已有
（考试不考）
第一节 导电性
一、电阻与导电的基本概念
导电现象：在材料两端施加电压时，材料中有电流通过。

材料的电学性能ppt课件

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• a)离子半径：一般负离子半径小，结合力大，因而活化能 也大；
• b)阳离子电荷，电价高，结合力大，因而活化能也大； • c)堆积程度，结合愈紧密，可供移动的离子数目就少，且
移动也要困难些，可导致较低的电导率。
整理ppt
29
整理ppt
30
• (3)晶体缺陷
• 具有离子电导的固体物质称为固体电解质，必须具备的条件： • a)电子载流子的浓度小。 • b)离子晶格缺陷浓度大并参与电导。故离子性晶格缺陷的生
单位时间内每一间隙离子沿电场方向的剩余跃迁次数为：
- P60exp (U0U)/kT 60exp(U0U)/kT
整理ppt
20
• 载流子沿电场方向的迁移速度V VP
•
• δ－相邻半稳定位置间的距离
• U－无外电场时的间隙离子的势垒（eＶ）
• 故载流子沿电流方向的迁移率为：
• •
E v62k0T qexpU0/kT
整理ppt
35
• • 氧敏感陶瓷
•
• 工 艺 上 ， 在 ZrO2 加 入 10 ～ 20%mol 比 的 CaO ， 在 1600℃以上烧结， 即可获得稳定化ZrO2。若加入了 15%mol比的CaO，其分子式为：Ca0.15Zr0.85O1.85， 这是不完整化学成分的晶体(相对于ZrO2而言)，氧离子 少了0.15个。结果，在晶体中，氧离子就很容易活动，
霍尔系数RH有如下表达式：
1
RH nie
对于半导体材料：
n型：
RH
1 nie
,
ni
电子浓度
p型：
RH
1 nie
,
ni
空穴浓度
整理ppt
8
②电解效应

材料的电学性能

材料的电学性能
34
电阻的本质 电子波在晶体点阵中传播时，受到散射，从而产 生阻碍作用，降低了导电性。 电子波在绝对零度下，通过一个理想点阵时，将 不会受到散射，无阻碍传播，电阻率为0。
35
能带理论认为：导带中的电子可在晶格中自由运 动——电子波通过理想晶体点阵(0K)时不受散射， 电阻为0——破坏晶格周期性的因素对电子的散射 形成电阻
10
2、迁移率和电导率的一般表达式 物体的导电现象，其微观本质是载流子在
电场作用下的定向迁移。
设单位截面积为 S 1cm2 ，在单位体积 1cm3 内载流子数
为ncm3 ，每一载流子的电荷量为q ，则单位体积内参加导
电的自由电荷为nq 。
11
电导率为 J nqv
EE
令 v E （载流子的迁移率）。其物理意义为载流
(金属的纯度和完整性)
41
理想晶体和实际晶体在 低温时的电阻率－温度 关系
e2n F e2nlF
m mvF
与经典自由电子理论下的电导率的形式相同。但
其豫时中间的、F、平l均F、自vF由分程别和是运费动米速面度附。近的电子的弛
——可以成功地解释一价的碱金属的电导。 但对其他金属，如过渡金属，其电子结构复杂， 电子分布不是简单的费米球，必须用能带理论才 能解释其导电性。
的温度。
在T<<D的低温，有 T5
在2K以下的极低温，声子对电子的散射效应变得很微弱， 电子－电子之间的散射构成了电阻的主要机制，此时有：
T2
理想晶体的电阻总是随温度的升高而升高。
38
定义＝1/lF为散射系数
1
m * vF e2n *lF
1 lF
由于实际材料总是有杂质和缺陷的，所以对实际材 料散射系数可表示为

第三章 材料的电学性能——材料物理性能课件PPT

第三章 材料的电学性能——材料物理性能课件PPT

v eEl / vme
j nev ne(eEl / vme ) (ne2l / vme )E
E
其中，电导率为： ne2l / vme = ne2t me
从金属的经典电子理论导出了欧姆定律的微分形 式，而且得到了电导率的表达式。
从电导率表达式知：电导率与自由电子的数量成 正比，与电子的平均自由程成正比。
22
❖ 容易想象温度越高，x2越大振幅愈大，振动愈激烈，因而对 周期场扰动愈甚，电子愈容易被散射，故有：散射几率p与x2 成正比，可得出：R∝ρ∝p∝x2∝T。即电阻R与绝对温度T 成正比。这样就解决了经典电子理论长期得不到定量解释的 困难。
一、电阻和导电的基本概念 ❖ 电阻率
❖ 电导率
电阻率和电导率都与材料的尺寸无关，而只决定于它 们的性质，因此是物质的本征参数，可用来作为表征 材料导电性的尺度。
根据材料导电性能好坏，可把材料分为：
❖ 导体 : ρ＜10-5Ω•m
❖ 半导体 : 10-3Ω•m ＜ ρ＜ 109Ω•m
❖ 绝缘体 : ρ＞ 109Ω•m ❖ 不同材料的导电能力相差很大，这是由它们的结构
作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要求更高，以追求 尽可能高的太阳能利用效率。
电学性能包括：导电性能、超导电性、介电性、铁 电性、热电性、接触电性、磁电性、光电性。
本章主要讨论材料产生电学性能的机理，影响材料 电学性能的因素，测量材料各类电学性能参数的方法 以及不同电学性能材料的应用等。
3.1 金属的导电性
第三章 材料的电学性能
在许多情况下，材料的导电性能比材料的力学性能还要重要。
导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材料和 绝缘材料都是以材料的导电性能为基础。

材料的电学性能.PPT

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② 临界磁场Hc ：T＜ Tc时，将超导体放入磁 场中，若H＞Hc，则磁力线穿入超导体，超 导体被破坏而成为正常态。 Hc是破坏超导态 的最小磁场。
.
15
超导电性的三个重要性能指标：
③ 临界电流密度Jc ：如果输入电流所产生 的磁场与外磁场之和超过临界磁场，则超 导态被破坏，此时输入的电流为临界电流。 H增加， Jc 必须相应地减小，以使磁场总 和不超过Hc 而保持超导态。 Jc 是材料保持 超导态的最大输入电流密度。
禁带：能隙的存在意味着禁止电 子具有A和B与C和D之间的能量， 能隙所对应的能带。
允带：电子可以具有的能级所组 成的能带。
允带与禁带相互交替，形成了材 料的能带结构。
.
8
(3)能带理论 空能级指允带中未被电子填满的能级。
导带：具有空能级的允带中的电子是自由的，在 外电场作用下参与导电，这样的允带称为导带。
.
16
超导电性的三个重要性能指标：
①临界转变温度Tc ② 临界磁场Hc ③ 临界电流密度Jc
.
17
上节回顾
1、掌握铁磁性的本质，铁磁体的两大特征， 磁畴结构的大小，磁化曲线和磁滞回线， 铁磁材料的性能指标。
2、利用能带结构分析材料的导电性差异。
3、熟悉超导体的概念，掌握超导体的两个 特征和三个性能指标。
不同材料的导电能力相差很大，这决定于结构 与导电本质。
.
4
二、导电机理
(1)经典电子理论
金属晶体中，自由电子定向运动时，要不断与正 离子发生碰撞，使电子受阻，这是产生电阻的原因。
(2)量子自由电子理论 金属中每个原子的内层电子保持着单个原子时
的能量状态，而所有价电子按量子化规律具有不同 的能量状态，即具有不同的能级。

纳米材料的电学性能ppt课件

✓ 纳米晶金属块体材料的电导随着晶粒度的减小而减小。 ✓ 电阻的温度系数亦随着晶粒的减小而减小，甚至出现负的电阻温度系数。 ✓ 金属纳米丝的电导被量子化，并随着纳米丝直径的减小出现电导台阶、 非线性的 I-V 曲线及电导振荡等粗晶材料所不具有的电导特性。
可编辑课件
5
纳米金属块体材料的电导
纳米金属块体材料的电导随着晶粒尺 寸的减小而减小而且具 有负的电阻温度系数，已被实验所证 实。
如图所示。
金丝纳米收缩区的原始尺寸及受脉冲激光
照射时收缩区直径的变化
可编辑课件
22
电导振荡周期：电
导由初始值上升至 最高值再回到初始 值的时间为电导的 振荡周期。
图中实线表示电 导的变化曲线， 方框虚线表示脉 冲激光的照射时 间和间隙。
弛豫时间：激光熄灭后电 导从最高值衰减到初始值 的时间称做驰豫时间。驰 豫时间越短，电导对脉冲 激光的响应越快，振幅越 大，巨电导效应越明显。
真空中用STM针尖压入干净金表面所测得的电导台阶分布
图(a)中3000条曲线和12000条曲线的统计分布结果基本上没有差别，分布在1G0处的
电导几乎是2G0处的2倍，且分布在3G0和4G0的电导亦占一定的比例。图(b)中X5表示放
大了5倍的分布曲线。电导峰都比较精确地分布在1G0、2G0和3G0的位置，且分布在 1G0
可编辑课件
18
不同量子通道Au纳米丝的I-V关系
当在电接触处形成直径为几个纳米的金属丝 能稳定相当的时间时，就可以测定该纳米丝的 I-V 曲线。许多研究者发现，室温下金在0.1～1V 的电压范围内时，I-V 曲线具有非线性分量。 N=6时，曲线也是非线性的，因此非线性分量和 纳米接触点接触电导无关
2、电阻急剧增大

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电介质的损耗
电介质损耗
电介质在电场作用下，由于电导和极化的原因，将电能转换为热 能的现象。
损耗与电介质性能的关系
损耗的大小反映了电介质的导电和极化能力，是评估电介质性能的 重要参数。
损耗的测量方法
通过测量电介质在交流电场下的功率损耗或相位角来计算。
电介质的击穿
01
02
03
击穿
当电场强度足够高时，电 介质丧失其绝缘性能的现 象。
热电材料的应用
温差发电
利用热电材料将热能转 化为电能。
温度传感器
利用热电材料对温度的 敏感性，检测温度变化
。
热电制冷
利用热电材料的皮尔兹 效应实现制冷效果。
航天器热控
利用热电材料调节航天 器内部温度。
热电材料的发展趋势
高性能热电材料研究
提高热电材料的转换效率，降 低成本。
多功能化
开发具有多种功能的热电材料 ，如导热、导电、发光等。
材料的电学性能研究历史与现状
材料的电学性能研究始于19世纪初， 随着电子学的兴起和发展，逐渐成为 一门独立的学科。
随着新材料和新技术的发展，材料的 电学性能研究将不断深入，为电子器 件和集成电路的发展提供更多的理论 和技术支持。
目前，材料的电学性能研究已经取得 了长足的进展，涉及的研究领域不断 扩大，研究手段和方法也日益丰富和 先进。
材料的电学性能课件
目录
CONTENTS
• 引言 • 材料的导电性能 • 材料的介电性能 • 材料的磁学性能 • 材料的铁电性能 • 材料的热电性能
01 引言
材料的电学性能定义
材料的电学性能是指材料在电场 作用下的各种物理性质，包括导 电性、电阻、电导率、电场效应
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2 M A g 2 O 3 l O 2 M g A V lO • • 2 O O
3 T2 i2 A O 2 O 3 l 3 T • A l i V A l 6 O O
很显然，杂质含量相同时，杂质不同产生的载流子浓度不同； 而同样的杂质，含量不同，产生的载流子浓度不同。
• 4.2.2 离子迁移率
• 离子电导的微观机构为载流子 ─ 离子的扩散。间隙离子 处于间隙位置时，受周边离子的作用，处于一定的平衡位 置(半稳定位置)。如要从一个间隙位置跃入相邻间隙位置， 需克服高度为U0的势垒完成一次跃迁，又处于新的平衡位 置上。这种扩散过程就构成了宏观的离子“迁移”。
• 由于U0相当大，远大于一般的电场能，即在一般的电场
地增大。
• E与晶体结构有关，一般Es<Ef，只有结构很松，离子半 径很小的情况下，才容易形成弗仑克尔缺陷。
•
• （2）杂质电导的载流子浓度
• 杂质电导（extrinsic conduction）的载流子浓度决定于 杂质的数量和种类。由于杂质的存在，不仅增加了载流子 数，而且使点阵发生畸变，使得离子离解能变小。在低温 下，离子晶体的电导主要是杂质电导。如在Al2O3晶体中 掺入MgO或TiO2杂质
就可以在电场下产生导电电流。 • 金属中： 自由电子 • 无机材料中：
C 电子（负电子/空穴）——电子电导 C 离子（正、负离子/空穴）——离子电导 •
①霍尔效应 电子电导的特征是具有霍尔效应。 沿试样x轴方向通入电流I(电流密度Jx),z轴方向 上加一磁场Hz,那么在y轴方向上将产生一 / E
J / E nqv / E
定义 ： v / E 为载流子的迁移率
。
其物理意义为载流在单
位电场中的迁移速度
。
nq
电导率的一般表达式
：
i
n i q ii i
i
i
4.2 离子电导
• 参与电导的载流子为离子，有离子或空位。它又 可分为两类。
• 本征电导：源于晶体点阵的基本离子的运动。离 子自身随着热振动离开晶格形成热缺陷。 从而导 致载流子，即离子、空位等的产生，这尤其是在 高温下十分显著。
图4-1 霍尔效应示意图
Ey RHJxHz
Ey产生的电场强度,霍尔系数（又称霍尔常数）RH
H RH
霍尔效应的起源：
源于磁场中运动电荷所产生的洛仑兹力，导致载流子在磁场 中产生洛仑兹偏转。该力所作用的方向即与电荷运动的方向 垂直，也与磁场方向垂直。
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
霍尔系数RH=μ*ρ，即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率 ρ与电子迁移率μ的乘积。
霍尔系数RH有如下表达式：
1
RH nie
对于半导体材料：
n型：
RH
1 nie
,
ni
电子浓度
p型：
RH
1 nie
,
ni
空穴浓度
②电解效应
离子电导的特征是具有电解效应。 利用电解效应可以检验
材料是否存在离子导电 可以判定载流子是正离子还是负离子
• 微分式说明导体中某点的电流密度正比于该点有 电场,比例系数为电导率σ
• 电场强度E－伏特/厘米; • 电阻密度J－安培/厘米2; • 电阻ρ－欧姆.厘米; • 电导率σ－欧姆-1.厘米-1
4.1.2 电导的物理特性
(1) 载流子
• 电流是电荷在空间的定向运动。 • 任何一种物质，只要存在带电荷的自由粒子——载流子，
法拉第电解定律：电解物质与通过的电量成正比关系：
gCQ Q/F
g为电解质 ；Q为 的通 量过的 ；C为 电电 量化当量
F为法拉第常数
•(2)迁移率和电导率的一般表达式
•物体的导电现象，其微观本质是载流子在电场作 用下的定向迁移。
单位时间 （ 1 s ） 通过单位截面 S 的电荷量 ：
J nqv 欧姆定律 ：
强度下，间隙离子单从电场中获得的能量不足以克服势垒 进行跃迁，因而热运动能是间隙离子迁移所需能量的主要 来源。
• 间隙离子的势垒变化
•
• 单位时间沿某一方向跃迁的次数 •
Pv60 expU ( 0/kT)
• 离子迁移与势垒U0的关系;ν0－间隙原子在半稳定位置上 振动频率
• 无外加电场时，各方向迁移的次数都相同，宏观上无电荷 的定向运动。故介质中无导电现象。
• (弗仑克尔缺陷中N 填隙f 离N 子和ex 空p位( 的E 浓f度/2 是K 相T等)的)
• Ef－形成弗仑克尔缺陷所需能量
FF FiVF•
• 而肖特基缺陷中：N sN exp( E s/2K T)
•
• Es－离解一个阳离子和一个阴离子到达到表面所需能量。
• •
0VN aVC•l
• 低温下：KT<E，故Nf与Ns都较低。只有在高温下，热缺 陷的浓度才明显增大，亦即，固有电导在高温下才会显著
• 加上电场后，由于电场力的作用，使得晶体中间隙离子的 势垒不再对称。正离子顺电场方向，“迁移”容易，反电 场方向“迁移”困难。
P顺60exp (U0U)/kT
P逆60exp (U0U)/kT
单位时间内每一间隙离子沿电场方向的剩余跃迁次数为：
- P60exp (U0U)/kT 60exp(U0U)/kT
• 杂质电导：由固定较弱的离子（杂质）的运动造 成，由于杂质离子是弱联系离子，故在较低温度 下其电导也表现得很显著。
4.2.1 载流子浓度
(1)本征电导的载流子浓度 • 固有电导(本征电导)中，载流子由晶体本身的热缺陷提供。
晶体的热缺陷主要有两类：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。 Frenker缺陷指正常格点的原子由于热运动进入晶格间隙， 而在晶体内正常格点留下空位。空位和间隙离子成对产生。 • 弗仑克尔缺陷：
材料的电学性能
主要内容
电导的物理现象 离子电导 电子电导 金属材料的电导 固体材料的电导 半导体陶瓷的物理效应 超导体
4.1 电导的物理现象
4.1.1 电导率和电阻率
电导率和电阻率 对一截均匀导电体，存在
如下关系：
• 欧姆定律 • • • • • 欧姆定律微分形式
Area i
Length
ρ-电阻率 σ-电导率
• 载流子沿电场方向的迁移速度V VP
•
• δ－相邻半稳定位置间的距离
• U－无外电场时的间隙离子的势垒（eＶ）
• 故载流子沿电流方向的迁移率为：