浙江大学材料物理性能复试课件：电学性能(第一节)
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材料性能----电学性能
Material Performances
Shanghai Institute of Technology
SIT
(3) 能带理论 能带理论： ----导体、绝缘体、 ----导体、绝缘体、半导体能带结构特点 导体
电子 很难 跃迁
满带 上面 相邻 较宽 禁带
电子易发生能级跃迁
允带 之间 互相 重叠 允带 之间 没有 禁带 允带 能级 未被 填满
t=
n ef e 2
nef 单位体积内参与导电电子数， 称为有效自由电子数；
t
p
两次反射之间的平均时间；
单位时间内散射的次数，称 为散射几率。
解释了金属导电本质 但是离子所产生的势场是均匀的，与实际情况相悖。 但是离子所产生的势场是均匀的，与实际情况相悖。
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SIT
(3) 能带理论 能带理论： 能带发生分裂， 能带发生分裂，即有某些能态是电子不能取值的
允带 能隙， 能隙，禁带 允带 能隙， 能隙，禁带 允带
∆ E1
∆E 2
允 带 和 禁 带 交 替 结 构
SIT
二 、导电机理
2 无机非金属导电机理 玻璃的导电机理： 玻璃的导电机理：
高温
ρ↓ ↓
原因：某些离子在结构中的可动性(在空位之间跳跃)所导致的。 原因：某些离子在结构中的可动性(在空位之间跳跃)所导致的。 玻璃的组成对玻璃的电阻影响很大
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材料的电学性能分析课件
电容和电感的应用
1. 电容的应用
电容在各种电子设备和系统中都有应用，如滤波器、耦合器、去耦电路、调谐器等。电容还可以用于储能和缓冲 ，例如在闪光灯中用于提供瞬时大电流。此外，电容传感器在测量位移、压力、温度等方面也有广泛应用。
电感的应用
电感在变压器、扼流圈、振荡器等电子设备和系统中有着广泛的应用。电感还可以用于信号筛选和抑制电磁干扰 。例如，在音频设备中，电感常用于低音提升电路来调整低频信号的幅度。此外，电感在电机控制、电磁阀等工 业控制领域也有着重要的应用。
金属的导电能力与其纯度、温 度、金属的种类等因素有关。
绝缘体的导电性
绝缘体通常具有较高的电阻，其导电 能力非常有限。
在特定条件下，绝缘体也可以转变为 导体，这种现象称为“导电性转变” 。
绝缘体的导电性能与其内部结构、分 子排列、电子亲和力等因素有关。
半导体的导电性
半导体的导电能力介于金属和绝 缘体之间，其电阻率可在较大范
电容和电感测量实验
总结词
电容和电感是表征材料存储电荷和传来自 磁场的能力的参数，通过电容和电感测 量实验可以深入了解材料的电磁性能和 物理性质。
VS
详细描述
在电容和电感测量实验中，通常采用电桥 法或交流阻抗谱法来测量材料的电容和电 感。该实验可以在不同温度、不同频率等 条件下进行，以研究材料电磁性能的变化 规律。此外，通过对比不同材料之间的电 容和电感差异，可以深入了解材料的物理 性质和潜在应用价值。
绝缘强度
衡量电介质在一定电场强度下保持绝 缘性能的能力，主要包括耐压强度、 漏电流和电气间隙等参数。
电介质的应用
电容器
利用电介质的介电常数来 储存电能，广泛用于电子 设备和电力系统中的滤波 、耦合和去耦等场合。
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1PPT课件
第二章 材料的电学性能
1
整体概述
概况一
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概况二
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概况三
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2
目录
2.1导体、绝缘体和半导体的划分 2.2金属的导电性 2.3半导体的电学性能 2.4电介质材料及其介电性能 2.5压电材料及其介电性能 2.6热释电材料及其介电性能 2.7铁电材料及其介电性能 2.8热电材料及其介电性能 2.9超导材料及其超导电性
经典自由电子论的问题根源在于它是立足于牛顿力学 的，而对微观粒子的运动问题，需要利用量子力学的 概念来解决。
14
➢ 量子自由电子论
金属离子所形成的势场各处都是均匀的，价电子是共 有化的，它们不束缚于某个原子上，可以在整个金属内 自由地运动，电子之间没有相互作用。电子运动服从量 子力学原理 。（将量子力学观点引入电子理论）
自由电子占据空间服从泡利不相容原理； 能量分布按费米-狄拉克分布函数
15
由于在量子自由电子中，电子的能级是分立的不连续的，只 有那些处于较高能级的电子才能够跳到没有别的电子占据的 更高能级上去，那些处于低能级的电子不能跳到较高能级去， 因为那些较高能级已经有别的电子占据着。这样，热激发的 电子的数量远远少于总的价电子数，所以用量子自由电子论 推导出的比热可以解释实验结果。
金属固体
解决前面全 部问题
固体、晶体 10
➢ 经典自由电子论
金属是由原子点阵组成的，价电子是完全自由的，可以在整 个金属中自由运动。自由电子的运动遵守经典力学的运动规 律，遵守气体分子运动论。服从麦-玻（MaxwellBoltzmann)统计规律。
1
整体概述
概况一
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概况二
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概况三
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2
目录
2.1导体、绝缘体和半导体的划分 2.2金属的导电性 2.3半导体的电学性能 2.4电介质材料及其介电性能 2.5压电材料及其介电性能 2.6热释电材料及其介电性能 2.7铁电材料及其介电性能 2.8热电材料及其介电性能 2.9超导材料及其超导电性
经典自由电子论的问题根源在于它是立足于牛顿力学 的，而对微观粒子的运动问题，需要利用量子力学的 概念来解决。
14
➢ 量子自由电子论
金属离子所形成的势场各处都是均匀的，价电子是共 有化的，它们不束缚于某个原子上，可以在整个金属内 自由地运动，电子之间没有相互作用。电子运动服从量 子力学原理 。（将量子力学观点引入电子理论）
自由电子占据空间服从泡利不相容原理； 能量分布按费米-狄拉克分布函数
15
由于在量子自由电子中，电子的能级是分立的不连续的，只 有那些处于较高能级的电子才能够跳到没有别的电子占据的 更高能级上去，那些处于低能级的电子不能跳到较高能级去， 因为那些较高能级已经有别的电子占据着。这样，热激发的 电子的数量远远少于总的价电子数，所以用量子自由电子论 推导出的比热可以解释实验结果。
金属固体
解决前面全 部问题
固体、晶体 10
➢ 经典自由电子论
金属是由原子点阵组成的，价电子是完全自由的，可以在整 个金属中自由运动。自由电子的运动遵守经典力学的运动规 律，遵守气体分子运动论。服从麦-玻（MaxwellBoltzmann)统计规律。
试谈材料的电学性能(ppt 18页)
“雪崩”电击穿理 论
“雪崩”电击穿理论以碰撞电离后自由电子数倍 增到一定数值作为电击穿判据。
“雪崩”电击穿和本征电击穿在理论上有明显 的区别：
本征击穿理论中增加导电电子是继稳态破 坏后突然发生的，而“雪崩”击穿是考虑到高 场强时，导电电子倍增过程逐渐达到难以忍受 的程度，最终介质晶格破坏。
热击穿
电压增加的速度、加压的时间、电极与试样的 情况
电击穿
固体电击穿理论是在气体放电的碰撞 电离理论基础上建立的。
▪本征电击穿理论 ▪“雪崩”电击穿理 论
本征电击穿理论
❖ 与介质中自由电子有关，室温下即可发生，发 生时间很短(10-8～10-7s)。
❖ 介质中的自由电子的来源： （１）杂质或缺陷能级； （２）价带。
理想电介质：Φ=π/2 实际电介质：Φ＜π/2， Φ=π/2-δ
单位体积电介质：
二、电介质损耗
➢介质损耗角—tan δ：意义 在于：有功电流密度和无功 电流密度之比，其值越大， 介质损耗越大
➢品质因素Q值： Q=1/tan δ，材料的一个本征性质。
二、电介质损耗
2、电介质损耗的微观机理
电导（漏导）损耗：在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，引起电导 损耗。（束缚较弱的带电质点的宏观运动引起的能量损耗） （交变电场频率很低时）
表面电阻率：表示介质抵抗表面漏电的性能，与材料的表 面状况及周围环境志力，就自然而然地会有能耐、机灵和知识。2、你们应该培养对自己，对自己的力量的信心，百这种信心是靠克服障碍，培养意志和锻炼意志而获得的。 3、坚强的信念能赢得强者的心，并使他们变得更坚强。4、天行健，君子以自强不息。5、有百折不挠的信念的所支持的人的意志，比那些似乎是无敌的物质力量有更强大 的威力。6、永远没有人力可以击退一个坚决强毅的希望。7、意大利有一句谚语：对一个歌手的要求，首先是嗓子、嗓子和嗓子……我现在按照这一公式拙劣地摹仿为：对 一个要成为不负于高尔基所声称的那种“人”的要求，首先是意志、意志和意志。8、执着追求并从中得到最大快乐的人，才是成功者。9、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 10、发现者，尤其是一个初出茅庐的年轻发现者，需要勇气才能无视他人的冷漠和怀疑，才能坚持自己发现的意志，并把研究继续下去。11、我的本质不是我的意志的结果， 相反，我的意志是我的本质的结果，因为我先有存在，后有意志，存在可以没有意志，但是没有存在就没有意志。12、公共的利益，人类的福利，可以使可憎的工作变为可 贵，只有开明人士才能知道克服困难所需要的热忱。13、立志用功如种树然，方其根芽，犹未有干；及其有干，尚未有枝；枝而后叶，叶而后花。14、意志的出现不是对愿 望的否定，而是把愿望合并和提升到一个更高的意识水平上。15、无论是美女的歌声，还是鬓狗的狂吠，无论是鳄鱼的眼泪，还是恶狼的嚎叫，都不会使我动摇。16、即使 遇到了不幸的灾难，已经开始了的事情决不放弃。17、最可怕的敌人，就是没有坚强的信念。18、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下 去。19、意志若是屈从，不论程度如何，它都帮助了暴力。20、有了坚定的意志，就等于给双脚添了一对翅膀。21、意志坚强，就会战胜恶运。22、只有刚强的人，才有神 圣的意志，凡是战斗的人，才能取得胜利。23、卓越的人的一大优点是：在不利和艰难的遭遇里百折不挠。24、疼痛的强度，同自然赋于人类的意志和刚度成正比。25、能 够岿然不动，坚持正见，度过难关的人是不多的。26、钢是在烈火和急剧冷却里锻炼出来的，所以才能坚硬和什么也不怕。我们的一代也是这样的在斗争中和可怕的考验中 锻炼出来的，学习了不在生活面前屈服。27、只要持续地努力，不懈地奋斗，就没有征服不了的东西。28、立志不坚，终不济事。29、功崇惟志，业广惟勤。30、一个崇高 的目标，只要不渝地追求，就会居为壮举；在它纯洁的目光里，一切美德必将胜利。31、书不记，熟读可记；义不精，细思可精；惟有志不立，直是无着力处。32、您得相 信，有志者事竟成。古人告诫说：“天国是努力进入的”。只有当勉为其难地一步步向它走去的时候，才必须勉为其难地一步步走下去，才必须勉为其难地去达到它。33、 告诉你使我达到目标的奥秘吧，我唯一的力量就是我的坚持精神。34、成大事不在于力量的大小，而在于能坚持多久。35、一个人所能做的就是做出好榜样，要有勇气在风 言风语的社会中坚定地高举伦理的信念。36、即使在把眼睛盯着大地的时候，那超群的目光仍然保持着凝视太阳的能力。37、你既然期望辉煌伟大的一生，那么就应该从今 天起，以毫不动摇的决心和坚定不移的信念，凭自己的智慧和毅力，去创造你和人类的快乐。38、一个有决心的人，将会找到他的道路。39、在希望与失望的决斗中，如果 你用勇气与坚决的双手紧握着，胜利必属于希望。40、富贵不能淫，贫贱不能移，威武不能屈。41、生活的道路一旦选定，就要勇敢地走到底，决不回头。42、生命里最重 要的事情是要有个远大的目标，并借助才能与坚持来完成它。43、事业常成于坚忍，毁于急躁。我在沙漠中曾亲眼看见，匆忙的旅人落在从容的后边；疾驰的骏马落在后头， 缓步的骆驼继续向前。44、有志者事竟成。45、穷且益坚，不坠青云之志。46、意志目标不在自然中存在，而在生命中蕴藏。47、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。 48、思想的形成，首先是意志的形成。49、谁有历经千辛万苦的意志，谁就能达到任何目的。50、不作什么决定的意志不是现实的意志；无性格的人从来不做出决定。我终 生的等待，换不来你刹那的凝眸。最美的不是下雨天，是曾与你躲过雨的屋檐。征服畏惧、建立自信的最快最确实的方法，就是去做你害怕的事，直到你获得成功的经验。 真正的爱，应该超越生命的长度、心灵的宽度、灵魂的深度。生活真象这杯浓酒，不经三番五次的提炼呵，就不会这样可口！人格的完善是本，财富的确立是末能力可以慢 慢锻炼，经验可以慢慢积累，热情不可以没有。不管什么东西，总是觉得，别人的比自己的好！只有经历过地狱般的折磨，才有征服天堂的力量。只有流过血的手指才能弹 出世间的绝唱。对时间的价值没有没有深切认识的人，决不会坚韧勤勉。第一个青春是上帝给的；第二个的青春是靠自己努力的。不要因为寂寞而恋爱，孤独是为了幸福而 等待。每天清晨，当我睁开眼睛，我告诉自己：我今天快乐或是不快乐，并非由我所遭遇的事情造成的，而应该取决于我自己。我可以自己选择事情的发展方向。昨日已逝，
电学性能课件1
J nqv σ= = = nqµ E E
电导率的一般表达式为
2011-3-22
v µ= E
σ = ∑ σ i = ∑ ni qi µi
材料电学性能 3
导电性能
2、导电机理
1）金属及半导体的导电机理
经典电子理论 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，弥散分布于整个点阵之中，其运动遵循 经典力学气体分子的运动规律。 无外加电场时，自由电子沿各方向运动的几率相同，不产生电 流；有外加电场时，自由电子沿电场方向作宏观定向移动，形 成电流。 电阻来源于自由电子与晶格点阵的碰撞。
2011-3-22
材料电学性能
2
导电性能
1、基本概念
迁移数（输运数）：载流子对材料导电贡献的比例。离子迁移数ti > 0.99的导体称为离子导体， ti < 0.99的称为混合导体。
σx tx = σT
迁移率和电导率的一般表达式 导电的微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。
J = nqv
迁移率为载流子在单位电场中的迁移速度
1 • X La2O3 BaTiO3 → 2 LaBa + O2 + 2e'+2OO 2
2011-3-22 材料电学性能
Si（掺杂As）载流子体 积密度与温度的关系
10
导电性能
2、导电机理
1）金属及半导体的导电机理
电子电导率的影响因素 杂质及缺陷的影响 组分缺陷：非化学计量比的化合物中， 由于化学成分的偏离，形成离子空位或 间隙离子等晶格缺陷。 阳离子空位 (M1-xO)：FeO, CoO, NiO等 在氧化气氛下，由于氧过剩而形成。
ε
冷加工变形铁的电阻 在退火时的变化
材料物理性能——电学性能
材料物理性能——电学性能
超导电性
材料物理性能——电学性能
超导体的特性 1、完全导电性
有报导说用Nb0.75Zr0.25合金超导导线制成的超导螺线管，估计其超导 电流衰减时间不小于10万年。
超导体没有电阻，因而是等电位的，其中没有电场。
材料物理性能——电学性能
2、完全的抗磁性－迈斯钠效应 试样表面产生感应磁场，抵消外磁场。
t 0(1t)
t
d
dt
1
t
θD
• 冷加工使晶格畸变，使电子散射几
率加大，原子间距有所改变，电阻
率加大
• 压力通常使电阻率降低
• 热处理－通过晶格畸变、点缺陷、 晶粒尺寸的变化影响电阻率
材料物理性能——电学性能
合金的导电性
连续固溶体，最大电阻 率通常在50％原子浓度 处。主要是异类原子引 起溶剂晶格畸变。
材料物理性能——电学性能
本征半导体的电学性能
• 本征载流子（自由电子和空穴）浓度相等：
ni np K1T3/2exp2EkgT
• 迁移率－单位场强下自由电子和空穴的平均漂移速度
vn n vp p
• 电流密度－单位面积的电流 j qnv
• 电阻率和电导率
ijqi n n qi n pqi nn 1p
材料物理性能——电学性能
评价超导材料的性能指标： 1、临界转变温度Tc 2、临界磁场强度Hc(T)
Hc(T)Hc(0)1TTc 2
两类超导体
材料物理性能——电学性能
超导现象的物理本质 超导态时，电子与晶格点阵相互作用，使电 子克服静电斥力而相互吸引，组成电子对－ 库柏电子对，通过晶格的阻力为零。 超导态电子结成库柏对时能量比正常态的两 个电子的能量低。温度和磁场破坏库柏对的 稳定性。 温度越低，超导体越稳定。
超导电性
材料物理性能——电学性能
超导体的特性 1、完全导电性
有报导说用Nb0.75Zr0.25合金超导导线制成的超导螺线管，估计其超导 电流衰减时间不小于10万年。
超导体没有电阻，因而是等电位的，其中没有电场。
材料物理性能——电学性能
2、完全的抗磁性－迈斯钠效应 试样表面产生感应磁场，抵消外磁场。
t 0(1t)
t
d
dt
1
t
θD
• 冷加工使晶格畸变，使电子散射几
率加大，原子间距有所改变，电阻
率加大
• 压力通常使电阻率降低
• 热处理－通过晶格畸变、点缺陷、 晶粒尺寸的变化影响电阻率
材料物理性能——电学性能
合金的导电性
连续固溶体，最大电阻 率通常在50％原子浓度 处。主要是异类原子引 起溶剂晶格畸变。
材料物理性能——电学性能
本征半导体的电学性能
• 本征载流子（自由电子和空穴）浓度相等：
ni np K1T3/2exp2EkgT
• 迁移率－单位场强下自由电子和空穴的平均漂移速度
vn n vp p
• 电流密度－单位面积的电流 j qnv
• 电阻率和电导率
ijqi n n qi n pqi nn 1p
材料物理性能——电学性能
评价超导材料的性能指标： 1、临界转变温度Tc 2、临界磁场强度Hc(T)
Hc(T)Hc(0)1TTc 2
两类超导体
材料物理性能——电学性能
超导现象的物理本质 超导态时，电子与晶格点阵相互作用，使电 子克服静电斥力而相互吸引，组成电子对－ 库柏电子对，通过晶格的阻力为零。 超导态电子结成库柏对时能量比正常态的两 个电子的能量低。温度和磁场破坏库柏对的 稳定性。 温度越低，超导体越稳定。
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。
材料物理性能电学ppt
➢ 电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。 ➢ 利用电介质的“介电”特性建立电场，可以贮存电能(如电
容器中)。
• 、电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。绝缘涂料是电介质中的 一种。
•
9、在外电场下，电介质表面产生感应电荷(束缚电荷)，称为
电介质的极化。
•
10、极化的基本形式：位移极化、松弛极化、转向极化、空间电荷极化，
自发极化。
•
11、介电常数：ε—介电常数，表征电介质的极化性能。ε0-真空时介电
常数，又称绝对介电常数。其值为8.854187817×10-12法/米。εr -相对介电
常数，无量纲，通常简称为介电常数。气体的介电常数基本略大于1，液体
的介电常数一般在1.8～2.8，非极性固体介电常数一般在2.0～2.5，极性固
电介质可分为中性、偶极、离子三种类型： 1.中性电介质 它由结构对称的中性分子组成，其分子内部 的正负电荷中心互相重合，因而电偶极矩 P=0。 2.偶极电介质 它是由结构不对称的偶极分子组成，其分子 内部的正负电荷中心不重合，而显示出分子 电矩P=qd。 3.离子型电介质 它是由正负离子组成。一对电荷极性相反的 离子可看做一偶极子。
比例常数称为静态介电常数，代表了极板间电介 质的性能。 带有电介质的电容C与无电介质(真空)的电容Co之比 称为电介质的相对介电常数r，即
r=C/C0 = / 0
放入电介质的电容器的电荷量Q和电容C增大的原因就是 由于介质的极化作用。越大，极化能力越强。从电介质 中存储能量的角度来看，电容器存储的能量W为
W=1/2 CU2 =1/2 S/d U2= 1/2 S/d (Ed)2 = 1/2 VE2 因此, = 2W/VE2
U为极板间电压，E为电场强度（= U/d)，V(= sd)为电 容器的体积。 介电常数可理解为在单位电场强度下，单位体积中所 存储的能量。
容器中)。
• 、电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。绝缘涂料是电介质中的 一种。
•
9、在外电场下，电介质表面产生感应电荷(束缚电荷)，称为
电介质的极化。
•
10、极化的基本形式：位移极化、松弛极化、转向极化、空间电荷极化，
自发极化。
•
11、介电常数：ε—介电常数，表征电介质的极化性能。ε0-真空时介电
常数，又称绝对介电常数。其值为8.854187817×10-12法/米。εr -相对介电
常数，无量纲，通常简称为介电常数。气体的介电常数基本略大于1，液体
的介电常数一般在1.8～2.8，非极性固体介电常数一般在2.0～2.5，极性固
电介质可分为中性、偶极、离子三种类型： 1.中性电介质 它由结构对称的中性分子组成，其分子内部 的正负电荷中心互相重合，因而电偶极矩 P=0。 2.偶极电介质 它是由结构不对称的偶极分子组成，其分子 内部的正负电荷中心不重合，而显示出分子 电矩P=qd。 3.离子型电介质 它是由正负离子组成。一对电荷极性相反的 离子可看做一偶极子。
比例常数称为静态介电常数，代表了极板间电介 质的性能。 带有电介质的电容C与无电介质(真空)的电容Co之比 称为电介质的相对介电常数r，即
r=C/C0 = / 0
放入电介质的电容器的电荷量Q和电容C增大的原因就是 由于介质的极化作用。越大，极化能力越强。从电介质 中存储能量的角度来看，电容器存储的能量W为
W=1/2 CU2 =1/2 S/d U2= 1/2 S/d (Ed)2 = 1/2 VE2 因此, = 2W/VE2
U为极板间电压，E为电场强度（= U/d)，V(= sd)为电 容器的体积。 介电常数可理解为在单位电场强度下，单位体积中所 存储的能量。
材料的电学性能.PPT
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。
材料的电学性能ppt课件
霍尔系数RH有如下表达式：
RH
1
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
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8
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
法拉第电解定律：电解物质与通过的电量成正比关系：
• 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，
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 •
最新编辑ppt
5
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轴方向上将产生一电场Ey, 这种现象称霍尔效应。
• •
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
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。
•
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13
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14
• （2）杂质电导的载流子浓度
图4-1 霍最尔新编效辑应ppt示意图
6
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。
材料的电学性能课件
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
部分 (第十章)材料的电学性能PPT课件
黑格
7
麦克迪尔米德
二、绝缘材料
陶瓷系列插座
电工绝缘胶带
导热绝缘材料
8
三、半导体材料
CPU (Central Processing Unit)
9
1.2 导电机理 △
1.2.1 金属及半导体的导电机理
1.2.1.1 经典电子理论
1900年特鲁德（P.Drude）首先提出用金属中 自由电子的运动来解释金属导电性问题，以后洛伦 兹进一步发展了特鲁德的概来自，建立了金属的经典 电子理论。
❖ 大量自由电子的统计平均，就是以平均定向漂移速度 v
逆着电场线漂移。 13
4.从金属的电子理论导出欧姆定律的微分形式
设导体a 内 的F 恒/ m 定e 场 强 为e E E/ m ，e 则电子的加速度为 电度子为两vv 0，次 则碰v 0 撞 的e E 时 t 间/m 间e 隔为t ，上次碰撞后的初速 统计平v 均 后 ，e E 初t速/m 度e 的平均值为零，则
21
4. 量子自由电子理论导出的电导率
电导率为： nef e 2 t nef e 2
2m 2mp nef 为单位体积内参与导电 的电子数， 称为有效自由电子数。 不同材料 nef 不同。 一价金属的比二、三价 金属多，因此 导电性好。 t是两次反射之间的平均 时间。 p是单位时间内散射的次 数（散射几率）。
曲线对称分布：沿 正、反方向运动的 电子数量相同，没 有电流产生。
19
2.电场对E-K关系曲线的影响
外电场使向着其正向运动的 电子能量降低，反向运动的 电子能量升高。由于能量变 化，使部分能量较高的电子 转向电场正向运动的能级， 从而使正反向运动的电子数 不等，使金属导电。
也就是说，不是所有的电子 都参与导电，而是只有处于 较高能级的电子参与导电。 20
材料物理性能-第一章材料的电学性能2020
基本框架
金属中的正离子按一定的方式排列为晶格; 从原子中分离出来的外层电子成为自由电子； 自由电子的性质与理想气体中的分子相似，形
成自由电子气； 大量自由电子的定向漂移形成电流。
从金属的电子理论导出欧姆定律的微分形式 设导体内的恒定场强为 E ，则电子的加速度为
a F / m eE / m
各种处理过程对材料电阻率的影响： (1) 金属中的杂质和缺陷是增加了还是减少了？ (2) 金属结构的畸变是增大了还是减小了？ (3) 金属的晶体结构，显微组织是否发生了变化？ 新的组织结构怎样影响电阻率的变化趋势？ (4) 金属原子间的键合方式有什么变化？起传导作 用的自由电子是增加了还是减少了?
离子型晶体的导电机理
散射。
在德拜温度以上，可以认为电子是完 全自由的，金属的电阻取决于离子的热 振动。此时，纯金属的电阻率与温度的 关系为
当温度较低（低于德拜温度时）则应 考虑振动原子与导电电子之间的相互作 用。
声子：晶格振动的能量量子
当温度接近于0K时，电子的散射主要 是电子与电子之间的相互作用，而不是 电子与离子之间的相互作用，并以 的规律趋于零，但对于大多数金属，此 时的电阻率表现为一常数。
不均匀固溶体的电阻反常
在含过渡族金属的 合金中，如镍-铬、镍 —铜—锌、铁—铬—铝 、铁—镍—钼、银—锰 等合金中微结构分析表 明合金是单相的，但在 回火过程中发现合金电 阻反常升高；而且冷加 工会降低合金电阻率。
Thomas首先发现，并称此组织状态为K状态 。 起因—固溶体不均匀组织：“相内分解”导致了不均匀组织，不
大多为碱金属和稀土金属
高的压力可以使很多物质由半导体、绝缘体变为导体：
冷加工和缺陷对电阻率的影响 （1）晶体缺陷使金属的电阻率增加
金属中的正离子按一定的方式排列为晶格; 从原子中分离出来的外层电子成为自由电子； 自由电子的性质与理想气体中的分子相似，形
成自由电子气； 大量自由电子的定向漂移形成电流。
从金属的电子理论导出欧姆定律的微分形式 设导体内的恒定场强为 E ，则电子的加速度为
a F / m eE / m
各种处理过程对材料电阻率的影响： (1) 金属中的杂质和缺陷是增加了还是减少了？ (2) 金属结构的畸变是增大了还是减小了？ (3) 金属的晶体结构，显微组织是否发生了变化？ 新的组织结构怎样影响电阻率的变化趋势？ (4) 金属原子间的键合方式有什么变化？起传导作 用的自由电子是增加了还是减少了?
离子型晶体的导电机理
散射。
在德拜温度以上，可以认为电子是完 全自由的，金属的电阻取决于离子的热 振动。此时，纯金属的电阻率与温度的 关系为
当温度较低（低于德拜温度时）则应 考虑振动原子与导电电子之间的相互作 用。
声子：晶格振动的能量量子
当温度接近于0K时，电子的散射主要 是电子与电子之间的相互作用，而不是 电子与离子之间的相互作用，并以 的规律趋于零，但对于大多数金属，此 时的电阻率表现为一常数。
不均匀固溶体的电阻反常
在含过渡族金属的 合金中，如镍-铬、镍 —铜—锌、铁—铬—铝 、铁—镍—钼、银—锰 等合金中微结构分析表 明合金是单相的，但在 回火过程中发现合金电 阻反常升高；而且冷加 工会降低合金电阻率。
Thomas首先发现，并称此组织状态为K状态 。 起因—固溶体不均匀组织：“相内分解”导致了不均匀组织，不
大多为碱金属和稀土金属
高的压力可以使很多物质由半导体、绝缘体变为导体：
冷加工和缺陷对电阻率的影响 （1）晶体缺陷使金属的电阻率增加
第一章 电学性能
1-1 1-2 1-3 1-4 第一节1.二、金属导电理论经典自由电子理论2. 量子自由电子理论3. 能带理论经典自由电子理论在一定程度上解释了金属导电的本质，但不能解释一价金属的导电性比二、三价金后好的事实，也不能解释超导现象。
随着量子力学理论的发展，量子自由电子理论则解决了经典自由电子理2．量子自由电子理论量子自由电子理论同样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，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着单个原子时的能量状态，而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。
这一理论认为，电子具有波粒二象性。
根据波粒二象性原理，自由电子的运动即可用质量、速度和动量来表示。
又可用波长和频率来描述。
E F电子能级间隙很小，所以能级的分布可看成是准连续的，称为能带。
K的“+”或“－”表示自由电子运动的方向，正反相等表明自由电子没有定向运动——无外电场。
无外电场时的E-K关系按照泡利不相容原理，正反方向运动着的自由电子从低能态一直排到高能态。
金属中的自由电子具有不同的能量状态！0K时电子所具有最高能态称费密能E F.不同金属的费密能不同。
电场有电场时的E-K曲线9电场使向着其正端运动的电子能量降低，反向运动的电子能量升高。
9不是所有的自由电子都参与导电。
只有处于高能态的自由电子才参与导电，即费米面附近的电子参与导电。
3，能带理论¾金属中的价电子-自由电子的能级也是量子化的，与量子自由电子理论相同；¾金属中由离子点阵所造成的势场不均匀，呈周期变化。
电子在周期势场中运动时，随着位置的变化，它的势能也呈周期变化，即接近正离子时势能降低，离开时势能增高。
又称能隙。
不允许自由电子存在的各能带之间的能量间距。
具有空能级允带中的电子是自由的，在外电场作用下参与导电，所以这样的允带称为导一个允带所有能级都被电子填满，这种能带称满带。
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大直径GaAs/Si复合片材的研制成功不仅给以GaAs、InP为代表的化合物半导体（激 光）产业带来挑战，而且以其廉价，可克服GaAs、InP大晶片易碎和导热性能差等缺 点以及与目前标准的半导体工艺兼容等优点受到关注
最大的一个潜在应用是为实现人们长期以来的梦想━━光电子器件与常规微电子器
件和电路在一个芯片上的集成提供技术基础
第二章 材料电学性能
在很多场合，材料的选择使用受到其电学性能的影响 各种材料的电学性能存在着极大的差异，随着应用场合的不 同，需要选择使用不同的材料 如：导线需要有很高的导电性；而绝缘保护层，则需要高的 电绝缘性
1
导体、半导体、绝缘体同时出现在一个电子芯片上
2
超导材料及其应用技 术被认为是21世纪具 有战略意义的高新材 料与技术，将在能源、 交通、信息、科学仪 器、医疗装置、国防、 重大科学研究装置等 方面有广泛应用，而 且是一种其它技术无 法替代的高新技术
2 x
（Kx=2 / 为波矢 ）
将上式代入薛定谔方程后，得到一般解：
( x) = Acos K x x + B sin K x x
根据波函 = 2 / L sin K x L = 0 K x L = nx
K x = nx / L
自由电子的波函数： ( x)
2
/
L
sin
n
x
x
自由电子的能量： E =
n ==2 2 2 2x
L
2mL
nx为非零正整数，称为金属中自由电子能级量子数
13
综合以上讨论，可以得出：
金属中价电子是作共有化运动，它属于整个晶体，能在晶体中自由运动，它在晶 体中各处出现的几率是
(x) 2 =
2 L
sin
2
nx L
x
电子的能量是量子化的，存在一系列分立的能级，最低能级（即基态，nx=1）的
量子自由电子学说正确解释了金属电子比热容较小的原因，其值只有德鲁特理论值 的百分之一
但是，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
10
能带理论
量子自由电子学说的局限是忽略了周期势场的影响 考虑了周期势场，提出能带理论 核心内容：晶体中电子的许可能级是由一定能量范围内准连续分布的能级组成的 能带。相邻两能带之间的能量范围称为禁带，完整晶体中电子不可能具有这种能 量。不同的材料能带结构不一样，能带结构对固体的电磁性质有重大影响 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
用金属自由电子论很容易解释金属优异的电导和热导性能。但该理论在说明下列问 题上遇到了困难：
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
实际测量的电子平均自由程比经典理论估计值大许多
绝缘体、半导体、金属导体导电性为何存在巨大差异
9
量子自由电子学说
索末菲（Sommerfel）首先把量子力学观点引入电子理论中而提出
11
二、量子自由电子理论
1. 金属中自由电子能级
自由电子模型认为金属中的价电子组成自由电子气体，是理想气体，电子之间 无相互作用，各自独立地在离子实的平均势场中运动
因此，只须考察一个电子的运动就能了解电子气体的能量状态
讨论一维的情况，即一个自由电子在一根长为L的金属丝中作一维运动
用一维势阱模型处理：电子势能不是位置的函数，即电子势能在晶体内到处都
这种半导体氧化物纳米带是一种理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限
的输运现象和制造基于这一性能的功能器件
5
美国凤凰城（Phoenix）和阿里桑那洲（Arizona）的莫托罗拉实验室的科学家们，在 2001年9月宣布，他们借助在硅和砷化镓之间生长一个钛酸锶（SrTiO3）的界面层的 方法，在大直径硅衬底上淀积高质量化合物半导体GaAs单晶薄膜获得成功
一样，取U(x)=0；由于电子不能逸出金属丝外，则在边界处，势能无穷大，即
U(0)=U(L)=
U(x)
势阱中电子运动状态应满足定态薛定谔方程：
d( 2 2 dx
x)
+
2m =2
E
(x)
=0 （m为电子质量 ）
0
0
Lx
12
由德布罗意（de Broglie）假设可知电子的能量：
E=
2hm2 2=
K 2=m2
3
绝缘材料的应用
4
纳米ZnO2带的TEM像
超 长 纳 米 SnO2带 (A) 的SEM和TEM像(B)
2002年乔治亚理工王中林教授等成功合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系 列半导体氧化物纳米带，纳米带呈现高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位 错；纳米线呈矩形截面，典型宽度为20-300nm，宽厚比为5-10，长度可达数毫米
8
经典自由电子学说
由德鲁特和洛伦茨于1900年提出
基本内容：认为金属原子的价电子受原子核的束缚较微弱，易电离，当分立的原子 组成晶体时，由于原子之间的相互作用，价电子脱离相应原子的束缚，为整个晶体 所共有，而离子实则处在晶格位置。这些价电子可以自由地在金属中运动，故称为 自由电子。自由电子在晶体中的行为如同气体，故又称电子气体。德鲁特进一步把 电子气体看成理想气体，可以和离子实碰撞，在一定温度下达到热平衡
6
本章内容
第一节 固体电子理论 第二节 材料电导性能 第三节 材料介电性能 第四节 材料铁电性能
材料电学性能的理论基础 材料应用的关键电学性能
7
一、概 述
第一节 固体电子理论
金属电子论：讨论金属晶体中电子状态 对金属晶体中电子状态的认识大致划分为三大阶段： 第 一 阶 段 经 典 自 由 电 子 学 说 ， 主 要 代 表 人 物 是德鲁特 （Drude）和洛伦茨 （Lorentz） 第二阶段 索末菲（Sommerfel）量子自由电子学说 第三阶段 能带理论，它是目前最好的近似处理
核心内容：认为自由电子气体模型是正确的，但认为自由电子不服从经典统计而服 从量子统计，电子的运动要用量子力学观点来描述。结果得出，电子的能量是不连 续的，而是存在一准连续的能级。电子从最低的能级开始填充，每个能级只能填二 个电子，绝对零度时，从最低能级填充到费米能级 EF0 。在金属熔点以下，虽然自 由电子因受热而激发，但只有能量在EF附近kBT范围内的电子，吸收能量，从EF以下 能级跳到EF以上能级，只有这部分电子对热容有贡献