最新0604材料的电学性质

Alan J. Heeger 1/3 of the prize
USA
University of California anta Barbara, CA, USA b. 1936
Alan G. MacDiarmid 1/3 of the prize USA
University of Pennsylvania Philadelphia, PA, USA b. 1927
载流子数 charge carrier density----n, 个/m3 载流子迁移率 electron mobility
( 物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度) μ=ν/E m2/(v.s)
平均漂移速度（drift velocity）ν，m/s
•影响电子电导率的因素： 温度、杂质、缺陷
(A)声子对迁移率的影响,可写成
载流子的定义
电流载体，称载流子。 载流子指可以自由移动的带有电荷的物质 微粒，如电子和离子。
在电场作用下能作定向运动的带电粒子。 如半导体中的自由电子与空穴，导体中的 自由电子，电解液中的正、负离子，放电 气体中的离子等。
决定电导率的基本参数
载流子类型 charge carrier—— 电子、空穴、正离子、 负离子
20140604材料的电学性质
三、材料的电学性能
•直流电场 •交变电场——介电性质
介电常数的定义，交变电场中的介电损耗的成因及 影响因素
•弱电场 ——导电性质
电导率和电阻率的定义、载流子定义、电导率的基 本参数及影响因素，超导电性的定义、超导体的特性
•强电场 ——击穿现象 •材料表面——静电现象
金属和合金
聚乙炔，其掺杂的电导率大幅度提高，掺杂到 6.67%时，能隙将消失。
共轭
图 3 三维、二维和一维碳化合物材料
聚乙炔链上的共轭缺陷（载流子）
阳离子自由基的产生和移动 聚乙炔异构化产生孤子及移动
聚合物的导电特点
• 聚合物中导电载流子可以是电子、空穴，也可以是 正离子、负离子。
• 多数聚合物中存在离子电导：
• 极性聚合物绝缘性稍差：聚砜、聚酰胺、PAN、 PVC的电阻率约1012-15W·m；
• 共轭高聚物是半导体材料：共轭p电子去定域化提 供了电子载流子。聚丙烯腈脱氢裂解环化产物的 电导率约0.1W-1·m-1；
聚合物的导电性与分子结构
• 电荷转移络合物和自由基-离子化合物具有高电导 性：聚2-乙烯基吡啶-碘的电导率约0.1W-1·m-1；
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各种材料在室温的电导率
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 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 0.14*107 0.093*107
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 〈10-16
μL=aT-3/2
(B)杂质离子对迁移率的影响,可写成
μI=bT3/2
单质金属中主要是电声子相互作用,电导率的温 度关系为
σ∝T-1。 半导体和绝缘体的电导率随温度变化以指数函数 增大
σ=σ0exp(-Eg/2kT)
•影响离子电导率的因素 • 温度 • 晶体结构 • 晶格缺陷
聚合物的电导性 结构型 高分子本身导电 添加型 高分子中添加导电材料
• 有机金属聚合物金属离子引入聚合物主链，具有 更高的电导率，聚酞菁铜电导率约5W-1·m-1。
3.2 极化与介电现象
• 在外场(电场、力、温度)作用下，电介质分子或 其中某些基团中电荷分布发生的变化称极化。
• 在外电场的作用下，由于分子极化引起的电能的 贮存和损耗称介电；相应的性质称介电性。
• 在外力电场的作用下产生的极化称介电极化，包 括电子极化、原子极化、取向极化、界面极化等。
1977年， Heeger 、MacDiarmid 和白川英树发现 当聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或I2蒸气氧化后，其电导率 可提高几个数量级。 通过改变催化剂的制备方法和取向，电导率可达105 S·cm－1。（Cu为108 S·cm －1 ）。
发现并发展了导电聚合物 2000年诺贝尔化学奖获得者
白 川 英 树
聚合物中的极化现象
• 聚合物中的偶极极化其 本质与小分子相同，但
因具有不同运动单元的
取向而使完成取向极化
的时间范围变得很宽，
与力学松弛时间谱类似， 称介电松弛谱。
tan"
T
介电常数
C Q
C0 Q0
介电常数是衡量电介质极化的宏观物理量，表征电介
质贮存电能的能力。 聚合物的介电常数在1.8～8.4之间，多数为2～4。
– 带有强极性基团的聚合物发生本征离解产生电导离子； – 聚合、加工过程中引入的催化剂、添加剂、填料、水份及
其他杂质也可提供导电离子
• 共轭聚合物、聚合物的电荷转移络合物、聚合物的 自由基-离子化合物及有机金属聚合物等具有强的电 子电导。
聚合物的导电性与分子结构
• 饱和的非极性聚合物具有最好的绝缘性能：PS、 PTFE、PE的实测电阻率约1016-18W·m，理论值 高达1023W·m；
Hideki Shirakawa 1/3 of the prize Japan
University of Tsukuba Tokyo, Japan b. 1936
1974年，白川英树等人用Ziegler-Natta催化剂制备聚乙炔薄膜
铜色（cis-，电导率10－8～10－7 S·cm－ 1）
银色（trans-，电导率10－3～10－2 S·cm－1）