材料电学性能PPT课件
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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)
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。
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。
材料的电学性能ppt课件
• 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
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8
②电解效应
• 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。
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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
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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
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• • 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
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8
②电解效应
材料物理材料的电学性能
在试样的 x方向上施加电场 Ex，同时在与 x 垂直的方向上 施加磁场Hz，产生洛伦兹力对运动的电子起作用
1 F e [ E H ] c
电子在 y 方向上也受力，稳定状态下，在 y 方向上发生电 子的极化，极化的电场与洛伦兹力处于平衡状态，即在 y上产 生感应电压
x Ey H x c
6.1.2 导电性与温度的关系—高温时的电阻
对于热平衡状态下的谐振子，能量KT/2分别被分配到 平均动能和势能中。 设振幅为x，势能的平均值为2π2ν2DM<x2> （M 为原 子质量）,温度为T时振幅的均方值<x2> 为
x
2
kT
2 4 2 D M
因电子运动的平均自由程λF与散射的横截面积成正比， 且认为原子热振动引起的散射横截面积与<x2> 成正比，因此
般金属少4 个数量级——半金属
(6)离子晶体 能带结构与四价元素相同，但Eg很大，一般有效电子数
是0 ，为绝缘体。
例：NaCl，Na+的3s 电子移到Cl-的3p 轨道， 3s 成为 空带，3p成为满带，其间是10eV的禁带，热激发不能使 之进入导带。
6.1.3 导电性与温度的关系
电阻的来源 能带理论认为：能带中的电子可在晶格中自由运动，因此 电子波通过理想晶体点阵(0K ）时不受散射，电阻为0 。 电阻的来源：破坏晶格周期性的因素对电子的散射。 A. 杂质和缺陷（空位、间隙原子、位错、晶界等）。 B. 声子：晶格振动波的能量子。
1
1
p
1
i
1
d
τ i与τ d，τ p不同，与温度无关。因此有缺陷的金属电阻 为纯金属ρ0与杂质和缺陷对金属电阻的贡献ρ(t)之和，则
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。
《高分子电功能材》课件
CHAPTER
05
高分子电功能材料在新能源领 域的应用
在太阳能电池中的应用
光吸收与转换
高分子电功能材料在太阳能电池 中主要用作光吸收和能量转换的 介质，通过吸收太阳光并将其转 换为电能。
稳定性与寿命
高分子电功能材料在长时间使用 中保持稳定，不易降解，提高了 太阳能电池的使用寿命。
柔性应用
一些高分子电功能材料具有较好 的柔韧性，使得太阳能电池能够 适应不同的应用场景，如穿戴设 备、建筑表面等。
热学性能测试
总结词
热学性能测试主要关注高分子电功能材料的热稳定性、热膨胀系数和热导率等参数。
详细描述
常用的热学性能测试方法包括热重分析、差热分析、热膨胀分析和热导率测量等。这些测试方法可以帮助我们了 解材料在高温下的稳定性、热膨胀行为和热量传递机制，对于评估材料在实际应用中的耐热性和可靠性具有重要 意义。
性能
高分子电功能材料的电学性能受其化学结构、分子量、聚集态等因素影响，可 通过调节这些因素来优化其性能。
高分子电功能材料的应用领域
电子器件
新能源
高分子电功能材料在电子器件领域具 有广泛应用，如导电高分子在电极材 料、电磁屏蔽材料等方面应用。
高分子电功能材料在新能源领域也有 广泛应用，如太阳能电池、燃料电池 等。
在燃料电池中的应用
催化作用
高分子电功能材料在燃料电池中作为催化剂 ，加速化学反应过程，提高燃料电池的效率 和性能。
气体分离与传导
高分子电功能材料具有较好的气体分离性能和离子 传导性能，能够实现燃料电池中氧气和氢气的有效 分离和传导。
耐腐蚀与稳定性
高分子电功能材料具有较好的耐腐蚀性和稳 定性，能够承受燃料电池工作过程中的高温 和化学腐蚀环境。
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。
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
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
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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
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
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➢ 过渡金属 铁、镍、钴 铁（3S23P63d74S2）：具有
未满的d层，过渡金属的d层能夺取较高的s带中的电子而使能量降低， 即d层和s层往往会产生能级交叉现象，故有导电性。
9
（2）绝缘体 insulator
绝缘体的能带结构具有下列 特征：在满带与导带之间存在 一个较大的禁带，约大于 6.408×10-19J，禁带宽度依物 质不同而异，禁带越宽，绝缘 性越好。
qinii
i
5
qinii
i
qi是第i种载流子的荷电量，负电子、正空穴、 正负离子都可以是诱导电流的载流子。
该式反映电导率σ的微观本质，即宏观电导率σ 与微观载流子的浓度n，每一种载流子的电荷量q 以及每种载流子的迁移率μ的关系。
6
4-3-2 材料的结构与导电性
1、 材料的电子结构与导电性
( 其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度)
即：μ=ν/E
电流密度
单位为m2/(v.s)
（单位时间（1s）通过单位截面积的电荷量）
J＝nqv
n：单位体积内的载流子数；q：每一载流子的荷电量； v：每一载流子在Ｅ方向发生漂移的平均速度（m/s）
电导率 σ= J/E = nqv／E = nqμ
更一般的表达式为：
每个原子的３s能带是满的，但它不是绝缘体而是导体，因为它们的３s 能带与较高的能带3P有交叠的现象，故能导电。但是重叠程度有差异，
例如钙的上、下两个能带重叠的部分很小，因而是不良导体。
➢ 贵金属 铜、银、金 铜（1S22S22P63S23P63d104S1）：
它们都有一个s态价电子，因d层填满，原子恰如钢球，不易压缩，贵金 属等的价电子数是奇数，本身的能带也没有填满，故为良导体。
（３） 决定电导率的基本参数 parameters
电导率与两个基本参数相关，即载流子密度和载流子迁移率
载流子 charge carrier—— 电子、空穴、正离子、负离子 载流子数 charge carrier density----n, 个/m3 载流子迁移率 electron mobility
7
导体（半 满带）
导体（满 带与空带 有重叠）
绝缘体
半导体
8
（1）导体 conductor ➢ 碱金属 锂、钠、钾 钠（1S22S22P63S1）：它是属于
不满带的情况，故为导体，其中每个原子都有一个s价电子，众多原子 聚合成固体后，s能级将分裂成很宽的s能带，而且是半充满的。
➢ 碱土金属 铍、镁、钙 镁（1S22S22P63S2）：虽然
实际上，半导体在外电场下显示出的传导性能，不仅与激 发到导带中的电子有关，还与满带的空穴有关。半导体的一 个电子从价带激发到导带上，便产生两个载流子，即形成空 穴－电子对，这是与金属导电的最大区别。
表面电阻：Ｒs＝ ＳＬ／b Ｌ：电极间的距离 b：电极的长度 表面电阻率 S , 单位为Ω ➢ S不反映材料的性质，它决定于样品表面状态
2
2、 电导率(electrical conductivity)
(1)电导是指真实电荷在电场作用下在介质中的迁移， 它是衡量材料电导能力的表观物理量。
单位：S. m-1, 即：（Ω.m）-1
石墨
SiC 锗，纯 硅，纯 苯酚甲醛（电木） 窗玻璃 氧化铝（Al2O3） 云母 甲基丙烯酸甲酯 氧化铍（BeO） 聚乙烯 聚苯乙烯 金刚石 石英玻璃 聚四氟乙烯
σ(Ω-1.m-1)
105 (平均) 10 2.2 4.3*10-4 10-7-10-11 <10-10 10-10-10-12 10-11-10-15 〈10-12 10-12-10-15 〈10-14 〈10-14 〈10-14 〈10-16 〈10-164
σ(Ω-1.m-1)
非金属
银 铜，工业纯 金 铝,工业纯 Al-1.2%,Mn 合金 钠 钨， 工业纯 黄铜（70%Cu-30%Zn 镍,工业纯 纯铁,工业纯 钛,工业纯
TiC 不锈钢，301型 镍 铬 合 金 (80%Ni20%Cr）
6.3*107 5.85*107 4.25*107 3.45*107 2.96*107 2.1*107 1.77*107 1.66*107 1.46*107 1.03*107 0.24*107 0.17*107 0.14*107 0.093*107
R = L/S = L/σS ⑵根据电导率对材料的分类
No Image
ห้องสมุดไป่ตู้
材料
表4-19材料的分类及其电导率
电阻率/Ω.m
电导率/S. m-1
超导体 导体 半导体 绝缘体
0 10-8-10-5 10-5-107 107-1020
∞ 105-108 10-7-105 10-20-10-7
3
金属和合金
各种材料在室温的电导率
外层电子能级 N个原子 N个能级
重迭 分离
Structures and Conductivity 能带理论
固体理论指出:
➢（1）在无外场作用时, 无论绝缘体、半导体或导体都无电流；
➢（2）在外场作用下，不满带导电而满带不导电。
由此可得出一个区别导体和绝缘体的原则，即固体中虽然有很多 电子，但是如果一个固体中的电子恰好充填某一能带及其下面的 一系列能带，并且在此之上相隔一个较宽禁带的其他能带都是空 的，那么它就是绝缘体，相反，如果电子未能填满最高的能带， 或者能带之间有重叠，结果就会形成导体。
4-3 材料的电学性能(electrical property)
交变电场——介电性质 弱电场 —— 导电性质 —— 击穿现象 材料表面—— 静电现象
1
4-3-1 电导率(electrical conductivity)和电阻率 1 、电阻率：
体积电阻：Ｒv＝ V h／Ｓ h：板状样品厚度，m Ｓ：板状样品的电极面积，m２ 体积电阻率 V , 单位为Ω·m ➢ V是描写材料电阻性能的参数，它只与材料有关
➢ 无机绝缘体对温度的稳定 性较好
➢ 有机绝缘体随温度升高会 发生热解，在多数情况下因游 离出碳而使绝缘体变性。
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（3）半导体 Semiconductors 本征半导体 Intrinsic semiconductors
半导体的禁带宽度较小，约在１.６０２×１０－１９Ｊ附近。 例如室温下硅为１.７９４ ×１０－１９Ｊ，故在室温由晶体中 原子的振动就可使少量电子受到热激发，从满带跃迁到导带， 即在导带底部附近存在少量电子，从而在外电场下显示出一 定导电性。半导体在一般条件下就具有一定的导电能力，这 是与绝缘体的主要区别。
未满的d层，过渡金属的d层能夺取较高的s带中的电子而使能量降低， 即d层和s层往往会产生能级交叉现象，故有导电性。
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（2）绝缘体 insulator
绝缘体的能带结构具有下列 特征：在满带与导带之间存在 一个较大的禁带，约大于 6.408×10-19J，禁带宽度依物 质不同而异，禁带越宽，绝缘 性越好。
qinii
i
5
qinii
i
qi是第i种载流子的荷电量，负电子、正空穴、 正负离子都可以是诱导电流的载流子。
该式反映电导率σ的微观本质，即宏观电导率σ 与微观载流子的浓度n，每一种载流子的电荷量q 以及每种载流子的迁移率μ的关系。
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4-3-2 材料的结构与导电性
1、 材料的电子结构与导电性
( 其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度)
即：μ=ν/E
电流密度
单位为m2/(v.s)
（单位时间（1s）通过单位截面积的电荷量）
J＝nqv
n：单位体积内的载流子数；q：每一载流子的荷电量； v：每一载流子在Ｅ方向发生漂移的平均速度（m/s）
电导率 σ= J/E = nqv／E = nqμ
更一般的表达式为：
每个原子的３s能带是满的，但它不是绝缘体而是导体，因为它们的３s 能带与较高的能带3P有交叠的现象，故能导电。但是重叠程度有差异，
例如钙的上、下两个能带重叠的部分很小，因而是不良导体。
➢ 贵金属 铜、银、金 铜（1S22S22P63S23P63d104S1）：
它们都有一个s态价电子，因d层填满，原子恰如钢球，不易压缩，贵金 属等的价电子数是奇数，本身的能带也没有填满，故为良导体。
（３） 决定电导率的基本参数 parameters
电导率与两个基本参数相关，即载流子密度和载流子迁移率
载流子 charge carrier—— 电子、空穴、正离子、负离子 载流子数 charge carrier density----n, 个/m3 载流子迁移率 electron mobility
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导体（半 满带）
导体（满 带与空带 有重叠）
绝缘体
半导体
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（1）导体 conductor ➢ 碱金属 锂、钠、钾 钠（1S22S22P63S1）：它是属于
不满带的情况，故为导体，其中每个原子都有一个s价电子，众多原子 聚合成固体后，s能级将分裂成很宽的s能带，而且是半充满的。
➢ 碱土金属 铍、镁、钙 镁（1S22S22P63S2）：虽然
实际上，半导体在外电场下显示出的传导性能，不仅与激 发到导带中的电子有关，还与满带的空穴有关。半导体的一 个电子从价带激发到导带上，便产生两个载流子，即形成空 穴－电子对，这是与金属导电的最大区别。
表面电阻：Ｒs＝ ＳＬ／b Ｌ：电极间的距离 b：电极的长度 表面电阻率 S , 单位为Ω ➢ S不反映材料的性质，它决定于样品表面状态
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2、 电导率(electrical conductivity)
(1)电导是指真实电荷在电场作用下在介质中的迁移， 它是衡量材料电导能力的表观物理量。
单位：S. m-1, 即：（Ω.m）-1
石墨
SiC 锗，纯 硅，纯 苯酚甲醛（电木） 窗玻璃 氧化铝（Al2O3） 云母 甲基丙烯酸甲酯 氧化铍（BeO） 聚乙烯 聚苯乙烯 金刚石 石英玻璃 聚四氟乙烯
σ(Ω-1.m-1)
105 (平均) 10 2.2 4.3*10-4 10-7-10-11 <10-10 10-10-10-12 10-11-10-15 〈10-12 10-12-10-15 〈10-14 〈10-14 〈10-14 〈10-16 〈10-164
σ(Ω-1.m-1)
非金属
银 铜，工业纯 金 铝,工业纯 Al-1.2%,Mn 合金 钠 钨， 工业纯 黄铜（70%Cu-30%Zn 镍,工业纯 纯铁,工业纯 钛,工业纯
TiC 不锈钢，301型 镍 铬 合 金 (80%Ni20%Cr）
6.3*107 5.85*107 4.25*107 3.45*107 2.96*107 2.1*107 1.77*107 1.66*107 1.46*107 1.03*107 0.24*107 0.17*107 0.14*107 0.093*107
R = L/S = L/σS ⑵根据电导率对材料的分类
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材料
表4-19材料的分类及其电导率
电阻率/Ω.m
电导率/S. m-1
超导体 导体 半导体 绝缘体
0 10-8-10-5 10-5-107 107-1020
∞ 105-108 10-7-105 10-20-10-7
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金属和合金
各种材料在室温的电导率
外层电子能级 N个原子 N个能级
重迭 分离
Structures and Conductivity 能带理论
固体理论指出:
➢（1）在无外场作用时, 无论绝缘体、半导体或导体都无电流；
➢（2）在外场作用下，不满带导电而满带不导电。
由此可得出一个区别导体和绝缘体的原则，即固体中虽然有很多 电子，但是如果一个固体中的电子恰好充填某一能带及其下面的 一系列能带，并且在此之上相隔一个较宽禁带的其他能带都是空 的，那么它就是绝缘体，相反，如果电子未能填满最高的能带， 或者能带之间有重叠，结果就会形成导体。
4-3 材料的电学性能(electrical property)
交变电场——介电性质 弱电场 —— 导电性质 —— 击穿现象 材料表面—— 静电现象
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4-3-1 电导率(electrical conductivity)和电阻率 1 、电阻率：
体积电阻：Ｒv＝ V h／Ｓ h：板状样品厚度，m Ｓ：板状样品的电极面积，m２ 体积电阻率 V , 单位为Ω·m ➢ V是描写材料电阻性能的参数，它只与材料有关
➢ 无机绝缘体对温度的稳定 性较好
➢ 有机绝缘体随温度升高会 发生热解，在多数情况下因游 离出碳而使绝缘体变性。
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（3）半导体 Semiconductors 本征半导体 Intrinsic semiconductors
半导体的禁带宽度较小，约在１.６０２×１０－１９Ｊ附近。 例如室温下硅为１.７９４ ×１０－１９Ｊ，故在室温由晶体中 原子的振动就可使少量电子受到热激发，从满带跃迁到导带， 即在导带底部附近存在少量电子，从而在外电场下显示出一 定导电性。半导体在一般条件下就具有一定的导电能力，这 是与绝缘体的主要区别。