《材料性能學》第2版全套PPT課件

《材料性能學》第2版全套PPT課件,材料性能學,材料,性能,全套,PPT,課件 電學性能電學性能包括：導電性、超導性、介電性、包括：導電性、超導性、介電性、磁電性、熱電性、壓電性和光電性等。磁電性、熱電性、壓電性和光電性等。材料的導電性能是材料的重要物理性能之一。材料的導電性能是材料的重要物理性能之一。工程技術領域工程技術領域對材料電性能的要求，制備出具有對材料電性能的要求，制備出具有特殊電學性能的合金材料。如：導體合金，精密特殊電學性能的合金材料。如：導體合金，精密電阻合金，電熱合金，超導材料等。具體的如：電阻合金，電熱合金，超導材料等。具體的如：電線，電爐，熱電偶等。電線，電爐，熱電偶等。第十章第十章材料的電學性能材料的電學性能2一、導電材料一、導電材料白川英樹白川英樹黑格黑格麥克迪爾米德麥克迪爾米德導電高分子材料導電高分子材料1977年，年，Heeger、MacDiarmid和白和白川英樹發(fā)現(xiàn)當聚乙炔薄膜用川英樹發(fā)現(xiàn)當聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或或I2蒸氣氧化后，其電導率可提高幾個數(shù)蒸氣氧化后，其電導率可提高幾個數(shù)量級。通過改變催化劑的制備方法和取量級。通過改變催化劑的制備方法和取向，電導率可達向，電導率可達105Scm1。（。（Cu為為108Scm1）。）。2000年諾貝爾化學獎。年諾貝爾化學獎。3二、絕緣材料二、絕緣材料導熱絕緣材料導熱絕緣材料陶瓷系列插座陶瓷系列插座電工絕緣膠帶電工絕緣膠帶4三、半導體材料三、半導體材料CPU CPU(Central Processing Unit)(Central Processing Unit)第十章第十章 材料的電學性能材料的電學性能 本章主要本章主要討論材料的導電、介電機討論材料的導電、介電機理，影響材料導電、介電性能的因素，理，影響材料導電、介電性能的因素，以及導電、介電性能參數(shù)的測量和應用。以及導電、介電性能參數(shù)的測量和應用。還對材料的熱電性能、半導體的導電敏還對材料的熱電性能、半導體的導電敏感性、材料的絕緣性能等作簡要介紹。感性、材料的絕緣性能等作簡要介紹。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能一、電阻與導電的基本概念一、電阻與導電的基本概念歐姆定律：當在材料的兩端施歐姆定律：當在材料的兩端施加電壓時，材料中有電流流過加電壓時，材料中有電流流過電阻與材料的性質有關，還電阻與材料的性質有關，還與材料的長度及截面積有關與材料的長度及截面積有關電阻率只與材料本性有關，而電阻率只與材料本性有關，而與導體的幾何尺寸是無關，作與導體的幾何尺寸是無關，作為評定導電性的基本參數(shù)為評定導電性的基本參數(shù)第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能一、電阻與導電的基本概念電導率：電導率：導體材料：導體材料：10-2.m,純金屬為純金屬為10-810-7.m合金為：合金為：10-710-5.m半導體材料：半導體材料：=10-2-109.m絕緣體材料：絕緣體材料：1010.m 各種材料在室溫的電導率各種材料在室溫的電導率金屬和合金金屬和合金(-1.m-1)非金屬非金屬（-1.m-1）銀銀銅銅，工業(yè)純，工業(yè)純金金鋁鋁,工業(yè)純工業(yè)純 Al-1.2%,Mn 合金合金鈉鈉鎢，鎢，工業(yè)純工業(yè)純黃黃 銅銅（70%Cu-30%Zn鎳鎳,工業(yè)純工業(yè)純純鐵純鐵,工業(yè)純工業(yè)純鈦鈦,工業(yè)純工業(yè)純不銹鋼，不銹鋼，301型型鎳鎳鉻鉻合合金金(80%Ni-20%Cr）6.3*1075.85*1074.25*1073.45*1072.96*1072.1*1071.77*1071.66*1071.46*1071.03*1070.24*1070.14*1070.093*107石墨石墨SiC鍺，純鍺，純硅硅，純，純苯酚甲醛（電木）苯酚甲醛（電木）窗玻璃窗玻璃 氧化鋁（氧化鋁（Al2O3）云母云母甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯氧化鈹（氧化鈹（BeO）聚乙烯聚乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯金剛石金剛石石英玻璃石英玻璃聚四氟乙烯聚四氟乙烯105(平均平均)10 2.24.3*10-410-7-10-1110-1010-10-10-1210-11-10-1510-1210-12-10-1510-1410-1410-1410-1610-16 對材料導電性物理本質的認識是對材料導電性物理本質的認識是從從金屬金屬開始的，首先提出了開始的，首先提出了經典自由經典自由電子導電理論電子導電理論，后來隨著量子力學的，后來隨著量子力學的發(fā)展，又提出了發(fā)展，又提出了量子自由電子理論量子自由電子理論和和能帶理論能帶理論。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理二、導電機理經典電子理論經典電子理論認為，在金屬晶體中，離認為，在金屬晶體中，離子構成了晶格點陣，并形成一個均勻的子構成了晶格點陣，并形成一個均勻的電場，價電子是完全自由的，它們的運電場，價電子是完全自由的，它們的運動遵循經典力學氣體分子的運動規(guī)律，動遵循經典力學氣體分子的運動規(guī)律，在沒有外加電場作用時，金屬中的自由在沒有外加電場作用時，金屬中的自由電子沿各個方向運動的幾率相同，因此電子沿各個方向運動的幾率相同，因此不產生電流。不產生電流。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理洛洛侖侖茲茲當對金屬施加外電場時，自由電子沿電場當對金屬施加外電場時，自由電子沿電場方向作加速運動，從而形成了電流。在自方向作加速運動，從而形成了電流。在自由電子定向運動過程中，要不斷與正離子由電子定向運動過程中，要不斷與正離子發(fā)生碰撞，使電子受阻，這就是產生電阻發(fā)生碰撞，使電子受阻，這就是產生電阻的原因。的原因。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理 從上式可以看到，金屬的導電性取決于自由從上式可以看到，金屬的導電性取決于自由電子的數(shù)量、平均自由程和平均運動速度。自電子的數(shù)量、平均自由程和平均運動速度。自由電子數(shù)量越多導電性應當越好。由電子數(shù)量越多導電性應當越好。但事實卻是但事實卻是二、三價金屬的價電子雖然比一價金屬的多，二、三價金屬的價電子雖然比一價金屬的多，但導電性反而比一價金屬還差。但導電性反而比一價金屬還差。此外，這一理此外，這一理論也不能解釋超導現(xiàn)象的產生。論也不能解釋超導現(xiàn)象的產生。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理量子自由電子理論量子自由電子理論同樣認為金屬中正離子形成的同樣認為金屬中正離子形成的電場是均勻的，價電子與離子間沒有相互作用，電場是均勻的，價電子與離子間沒有相互作用，且為整個金屬所有，可以在整個金屬中自由運動。且為整個金屬所有，可以在整個金屬中自由運動。但這一理論認為，金屬中每個原子的內層電子基但這一理論認為，金屬中每個原子的內層電子基本保持著單個原子時的能量狀態(tài)，而本保持著單個原子時的能量狀態(tài)，而所有價電子所有價電子卻按量子化規(guī)律具有不同的能量狀態(tài)，即具有不卻按量子化規(guī)律具有不同的能量狀態(tài)，即具有不同的能級。同的能級。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理“量子理論量子理論”之父之父-普朗克普朗克19181918年獲諾貝爾獎。年獲諾貝爾獎。這一理論認為，電子具有波粒二象性。運這一理論認為，電子具有波粒二象性。運動著的電子作為物質波，其頻率和波長與動著的電子作為物質波，其頻率和波長與電子的運動速度或動量之間有如下關系電子的運動速度或動量之間有如下關系:第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理波數(shù)波數(shù)k=第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理一價金屬中自由電子的動能一價金屬中自由電子的動能E E，K K為波數(shù)頻率，表征自由電子可為波數(shù)頻率，表征自由電子可能具有的能量狀態(tài)參數(shù)能具有的能量狀態(tài)參數(shù)從粒子的觀點看，曲線表示自由電子從粒子的觀點看，曲線表示自由電子的能量與速度的能量與速度(或動量或動量)之間的關系；之間的關系；從波動的觀點看，曲線表示電子從波動的觀點看，曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關系；的能量和波數(shù)之間的關系；電子的波數(shù)越大，則能量越高電子的波數(shù)越大，則能量越高 沒有加外加電場時自由電子沿正、反沒有加外加電場時自由電子沿正、反方向運動著電子數(shù)量相同，沒有電流方向運動著電子數(shù)量相同，沒有電流產生。產生。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理 在外加電場的作用下，從而在外加電場的作用下，從而使正反向運動的電子數(shù)不等，使使正反向運動的電子數(shù)不等，使金屬導電，且只有處于較高能態(tài)金屬導電，且只有處于較高能態(tài)的自由電子參與導電。的自由電子參與導電。量子力學證明，對于一個絕對純的理想的完整量子力學證明，對于一個絕對純的理想的完整晶體，晶體，0 K時，電子波的傳播不受阻礙，形成時，電子波的傳播不受阻礙，形成無阻傳播，電阻為零，導致所謂的超導現(xiàn)象。無阻傳播，電阻為零，導致所謂的超導現(xiàn)象。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理實際金屬內部存在著缺陷和雜質。缺陷和雜實際金屬內部存在著缺陷和雜質。缺陷和雜質產生的靜態(tài)點陣畸變和熱振動引起的動態(tài)質產生的靜態(tài)點陣畸變和熱振動引起的動態(tài)點陣畸變，對電磁波造成散射，這是金屬產點陣畸變，對電磁波造成散射，這是金屬產生電阻的原因。由此導出的電導率為：生電阻的原因。由此導出的電導率為：第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理 nef為單位體積內參與導電的電子數(shù)，稱為有為單位體積內參與導電的電子數(shù)，稱為有效自由電子數(shù)，不同材料效自由電子數(shù)，不同材料nef不同。一價金屬的不同。一價金屬的nef比二、三價金屬多，因此它們的導電性較好。比二、三價金屬多，因此它們的導電性較好。量子自由電子理論較好地解釋了金屬導電的本量子自由電子理論較好地解釋了金屬導電的本質，但它假定金屬中的離子所產生的勢場是均質，但它假定金屬中的離子所產生的勢場是均勻的，顯然這與實際情況有一定差異。勻的，顯然這與實際情況有一定差異。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理能帶理論能帶理論：晶體中電子能級間的間隙很小，能：晶體中電子能級間的間隙很小，能級的分布可看成是準連續(xù)級的分布可看成是準連續(xù)的，或稱為能帶的，或稱為能帶。能。能帶理論也認為金屬中的價電子是公有化和能量帶理論也認為金屬中的價電子是公有化和能量是量子化的，所不同的是，它認為是量子化的，所不同的是，它認為金屬中由離金屬中由離子所造成的勢場不是均勻的，而是呈周期變化子所造成的勢場不是均勻的，而是呈周期變化的的。能帶理論就是研究金屬中的價電子在周期能帶理論就是研究金屬中的價電子在周期勢場作用下的能量分布問題。勢場作用下的能量分布問題。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理 價電子在金屬中的運動就價電子在金屬中的運動就不能看成是完全自由的，而不能看成是完全自由的，而是要受到周期場的作用，由是要受到周期場的作用，由于周期場的影響，使得價電于周期場的影響，使得價電子在金屬中以不同能量狀態(tài)子在金屬中以不同能量狀態(tài)分布的能帶發(fā)生分裂，即有分布的能帶發(fā)生分裂，即有某些能態(tài)是電子不能取值的，某些能態(tài)是電子不能取值的，如圖如圖所示：所示：第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理 能隙所對應的能帶稱為能隙所對應的能帶稱為禁帶禁帶，而將電，而將電子可以具有的能級所組成的能帶稱為子可以具有的能級所組成的能帶稱為允帶允帶，允帶與禁帶相互交替，形成了材料的允帶與禁帶相互交替，形成了材料的能帶能帶結構結構?？漳芗壥侵冈蕩е形幢惶顫M電子的。空能級是指允帶中未被填滿電子的能級，具有空能級允帶中的電子是自由的，能級，具有空能級允帶中的電子是自由的，在外電場的作用下參與導電，所以這樣的在外電場的作用下參與導電，所以這樣的允帶稱為允帶稱為導帶導帶。固體中若有N個原子，每個原子內的電子有相同的分立的能級，當這N個原子逐漸靠近時，原來束縛在單原子中的電子，不能在一個能級上存在，從而只能分裂成N個非常靠近的能級，因為能量差甚小，可看成能量連續(xù)的區(qū)域，稱為能帶。1s2s2p3s鈉鈉(1 s22s22p63s1)晶體能帶晶體能帶滿滿 帶帶半滿帶半滿帶空空 帶帶3p圖圖 導體內的能帶導體內的能帶第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理導體、絕緣體、半導體能帶結構特點導體、絕緣體、半導體能帶結構特點空帶空帶禁帶禁帶滿帶滿帶允帶允帶第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理導體導體允帶內的能級未被填滿，允帶之間沒有禁帶或允允帶內的能級未被填滿，允帶之間沒有禁帶或允帶相互重疊，在外電場的作用下電子很容易從一帶相互重疊，在外電場的作用下電子很容易從一個能級轉到另一個能級上去而產生電流。個能級轉到另一個能級上去而產生電流?？諑Э諑Ы麕Ы麕M帶滿帶允帶允帶第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理絕緣體絕緣體一個滿帶上面相鄰的是一個較寬的禁帶，由于一個滿帶上面相鄰的是一個較寬的禁帶，由于滿帶中的電子沒有活動的余地，即使禁帶上面的滿帶中的電子沒有活動的余地，即使禁帶上面的能帶完全是空的，在外電場的作用下電子也很難能帶完全是空的，在外電場的作用下電子也很難跳過禁帶，即不能產生電流。跳過禁帶，即不能產生電流?？諑Э諑Ы麕Ы麕M帶滿帶允帶允帶第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理半導體半導體半導體的能帶結構與絕緣體相同，不同的是它的半導體的能帶結構與絕緣體相同，不同的是它的禁帶比較窄；禁帶比較窄；半導體的能帶在外界（熱、光輻射等）作用下，半導體的能帶在外界（熱、光輻射等）作用下，價帶中的電子就有能量可能躍遷到導帶中去。價帶中的電子就有能量可能躍遷到導帶中去?？諑Э諑Ы麕Ы麕M帶滿帶允帶允帶第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理半導體半導體在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子自由電子，同，同時共價鍵上留下一個空位，稱為時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴空穴。分為：空穴導電與電子導電分為：空穴導電與電子導電本征導電：電子導電和空穴導電本征導電：電子導電和空穴導電本征半導體：本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。完全純凈的、結構完整的半導體晶體。GeSi硅、鍺原子的結構硅、鍺原子的結構+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子可以認為空穴是一種帶正電荷的可以認為空穴是一種帶正電荷的粒子。空穴運動的實質是共有電粒子?？昭ㄟ\動的實質是共有電子依次填補空位的運動。子依次填補空位的運動。電子和空穴在外電場的作電子和空穴在外電場的作用下都將作定向運動，這用下都將作定向運動，這種作定向運動電子和空穴種作定向運動電子和空穴（載流子）參與導電，形（載流子）參與導電，形成本征半導體中的電流。成本征半導體中的電流。本征半導體中存在本征半導體中存在數(shù)量相等數(shù)量相等的兩種載流子，即的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。+4+4+4+4當當溫溫度度升升高高時時，有有更更多多的的電電子子能能夠夠跳跳到到下下一一個個能能帶帶去去。這這有有兩兩個個結結果果：在在上上面面的的導導帶帶中中少少數(shù)數(shù)電電子子所所起起的的作作用用和和它它們們在在金金屬屬中中所所起起的的作作用用相相同同；而而價價帶帶中中留留下下的的空空態(tài)態(tài)即即空空穴穴起起著著類類似似的的作作用用，不不過過它它們們好好象象是是正正的的電電子子，因因此此，它它們們有有來來自自導導帶帶中中的的激激發(fā)發(fā)電電子子和和來來自自價價帶帶中中的的空空穴穴的的導導電電性性；溫溫度度升升高高時時，由由于于有有更更多多的的電電子子被被激激發(fā)發(fā)到到導導帶帶，所所以以電電導導率隨溫度而迅速增加。率隨溫度而迅速增加。例例如如，在在硅硅中中，當當溫溫度度從從250 250 K K 增增加加到到450 450 K K 時時，激激發(fā)發(fā)電電子子的的數(shù)數(shù)目目增增加加10106 6 倍倍。因因此此，半半導導體體是是這這樣樣一一些些絕絕緣緣體體，它它們們的的價價帶帶和和導導帶帶之之間間的的能能隙隙約約為為 1 1 eV eV 或或更更小小，因因而而比比較容易用加熱方法把電子從價帶中激發(fā)到導帶中。較容易用加熱方法把電子從價帶中激發(fā)到導帶中。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理1、金屬及半導體的導電機理、金屬及半導體的導電機理半導體半導體雜質對半導體的導電性能影響很大。雜質對半導體的導電性能影響很大。例如在單晶硅中摻人十萬分之一的硼原子例如在單晶硅中摻人十萬分之一的硼原子時，可使其導電能力增加一千倍。時，可使其導電能力增加一千倍。按雜質的性質不同，摻雜半導體可分為按雜質的性質不同，摻雜半導體可分為n型和型和P型兩種，型兩種，n型半導體的載流子主要型半導體的載流子主要是導帶中的電子，而是導帶中的電子，而p型半導體的載流子型半導體的載流子主要是空穴。主要是空穴。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理2、無機非金屬導電機理、無機非金屬導電機理 自由電子導電的能帶理論可以解釋金屬和自由電子導電的能帶理論可以解釋金屬和半導體材料的導電現(xiàn)象，卻難以解釋如陶瓷、半導體材料的導電現(xiàn)象，卻難以解釋如陶瓷、玻璃及高分子材料等非金屬材料的導電機理。玻璃及高分子材料等非金屬材料的導電機理。金屬材料導電的載流子是自由電子，金屬材料導電的載流子是自由電子，而無而無機非金屬材料導電的載流子可以是電子、電機非金屬材料導電的載流子可以是電子、電子空穴，或離子、離子空位子空穴，或離子、離子空位。載流子是電子。載流子是電子或電子空穴的電導稱為或電子空穴的電導稱為電子式電導電子式電導，載流子，載流子是離子或離子空位的稱為是離子或離子空位的稱為離子式電導離子式電導。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理2、無機非金屬導電機理、無機非金屬導電機理(1)離子晶體的導電機理離子晶體的導電機理離子晶體中空位的遷移，涉及離子運動離子晶體中空位的遷移，涉及離子運動晶體的離子電導可以分為兩類：晶體的離子電導可以分為兩類：第一類離子固有電導或本征電導（第一類離子固有電導或本征電導（熱缺陷）熱缺陷）第二類雜質電導（雜質的數(shù)量和種類）第二類雜質電導（雜質的數(shù)量和種類）低溫下，離子晶體的電導主要由雜質載流子濃度決低溫下，離子晶體的電導主要由雜質載流子濃度決定。存在的多種載流子時，材料的總電導率是各種定。存在的多種載流子時，材料的總電導率是各種電導率的總和電導率的總和。（1）源于晶體點陣中基本離子的運動，稱為離子源于晶體點陣中基本離子的運動，稱為離子固有電導或本征電導。固有電導或本征電導。v這種離子自身隨著熱振動的加劇而離開晶格振點，這種離子自身隨著熱振動的加劇而離開晶格振點，形成熱缺陷。形成熱缺陷。熱熱缺缺陷陷弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷能量大的離子離開平衡能量大的離子離開平衡位置擠到晶格點的間隙位置擠到晶格點的間隙中形成間隙原子，原來中形成間隙原子，原來位置形成空位。位置形成空位。正常格點上的原子獲得正常格點上的原子獲得能量離開平衡位置遷移能量離開平衡位置遷移到晶體表面，在晶體內到晶體表面，在晶體內正常格點上留下空位。正常格點上留下空位。39（2）雜質電導）雜質電導v此類電導是結合力較弱的離子運動造成的，這些離此類電導是結合力較弱的離子運動造成的，這些離子主要是雜質離子，故稱為雜質電導。子主要是雜質離子，故稱為雜質電導。置換雜質原子置換雜質原子間隙雜質原子間隙雜質原子v因雜質離子的存在，不僅增加電流載體數(shù)量，而且因雜質離子的存在，不僅增加電流載體數(shù)量，而且使點陣發(fā)生畸變，雜質離子離解活化能變小。使點陣發(fā)生畸變，雜質離子離解活化能變小。40v低溫下，離子晶體的電導主要由雜質載流子低溫下，離子晶體的電導主要由雜質載流子濃度決定。濃度決定。v由雜質引起的電導率可用下式表示：由雜質引起的電導率可用下式表示：41熱缺陷的濃度隨溫度的升高而增大，因此本征電導率熱缺陷的濃度隨溫度的升高而增大，因此本征電導率與溫度的關系為：與溫度的關系為：vAs取決于可遷移的離子數(shù)，即離子從一個空位到另一個空位取決于可遷移的離子數(shù)，即離子從一個空位到另一個空位的距離以及有效的空位數(shù)目；的距離以及有效的空位數(shù)目；vEs與可遷移的離子從一個空位跳到另一個空位的難易程度有與可遷移的離子從一個空位跳到另一個空位的難易程度有關，通常稱為離子激活能。關，通常稱為離子激活能。一般情況下本征離子電導率可以簡化為：一般情況下本征離子電導率可以簡化為：第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能二、導電機理2、無機非金屬導電機理、無機非金屬導電機理（2）玻璃的導電機理玻璃的導電機理 離子在結構中的可動性所導致，如在鈉離子在結構中的可動性所導致，如在鈉玻璃中，鈉離子在二氧化硅網絡中從一個間玻璃中，鈉離子在二氧化硅網絡中從一個間隙跳到另一個間隙，造成電流流動隙跳到另一個間隙，造成電流流動。這。這與離與離子晶體中的間隙離子導電類似子晶體中的間隙離子導電類似。玻璃的組成對玻璃的電阻影響很大，玻璃的組成對玻璃的電阻影響很大，影影響方式也很復雜。響方式也很復雜。玻璃導電玻璃導電 卡茂林卡茂林-昂內斯昂內斯19111911年在實驗中發(fā)現(xiàn)年在實驗中發(fā)現(xiàn):在在4.2K4.2K溫度附近，水銀的電阻突然下降到無法溫度附近，水銀的電阻突然下降到無法測量的程度，或者說電阻為零，這種在一定測量的程度，或者說電阻為零，這種在一定的低溫條件下材料突然失去電阻的現(xiàn)象稱為的低溫條件下材料突然失去電阻的現(xiàn)象稱為超導電性。超導電性。超導體中有電流而沒有電阻，說明超導超導體中有電流而沒有電阻，說明超導體是等電位的，超導體內沒有電場。材料由體是等電位的，超導體內沒有電場。材料由正常狀態(tài)轉變?yōu)槌瑢顟B(tài)的溫度稱為臨界溫正常狀態(tài)轉變?yōu)槌瑢顟B(tài)的溫度稱為臨界溫度，并以度，并以T Tc c表示。表示。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能三、超導電性三、超導電性超導體的兩個基本特征：超導體的兩個基本特征：一個基本特性是它的完全導電性一個基本特性是它的完全導電性 另一基本特性是它的完全抗磁性（邁斯納另一基本特性是它的完全抗磁性（邁斯納效應）效應）屏蔽磁場和排除磁通屏蔽磁場和排除磁通第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能三、超導電性常導態(tài)超導態(tài)超導體的超導體的3 3個重要性能指標個重要性能指標（1 1）臨界轉變溫度臨界轉變溫度TcTc 正常狀態(tài)轉變?yōu)槌瑢顟B(tài)的溫度正常狀態(tài)轉變?yōu)槌瑢顟B(tài)的溫度 臨界轉變溫度越高越好，越有利于應用臨界轉變溫度越高越好，越有利于應用（2 2）臨界磁場臨界磁場HcHc 能破壞超導態(tài)的最小磁場能破壞超導態(tài)的最小磁場 HcHc值隨溫度降低而增加值隨溫度降低而增加 (3)(3)臨界電流密度臨界電流密度JcJc 材料保持超導態(tài)狀態(tài)的最大輸入電流密度材料保持超導態(tài)狀態(tài)的最大輸入電流密度 第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能三、超導電性超導理論模型：超導理論模型：庫柏電子對庫柏電子對(BCS)(BCS)電子電子-聲子相互作用所產生電子對，雜聲子相互作用所產生電子對，雜質原子和缺陷對電子對不能進行有效的散質原子和缺陷對電子對不能進行有效的散射。射。物理學家麥克米蘭根據(jù)傳統(tǒng)理論計算物理學家麥克米蘭根據(jù)傳統(tǒng)理論計算推斷，超導體的轉變溫度不能超過推斷，超導體的轉變溫度不能超過40K40K（約（約-233-233），這個溫度也被稱為麥克米），這個溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。蘭極限溫度。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能三、超導電性 19601960年代開始研究氧化物超導體；年代開始研究氧化物超導體；19861986年，年，J JG GBednoreBednore和和K KA AMullerMuller發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了TcTc為為35K35K的的Ba-Ba-La-CuLa-Cu系氧化物超導體，獲得諾貝爾獎。系氧化物超導體，獲得諾貝爾獎。19871987年年2 2月我國科學家趙忠賢等人得到了月我國科學家趙忠賢等人得到了TcTc在液氮以上溫度在液氮以上溫度(63K-78K)(63K-78K)的的Y YBaBaCuCuO O系超導體，屬銅氧化物一個高溫超導系超導體，屬銅氧化物一個高溫超導體家族，即所謂的體家族，即所謂的123123材料，目前已發(fā)現(xiàn)了超導溫度達材料，目前已發(fā)現(xiàn)了超導溫度達133K133K以上以上的此類超導氧化物。但這種材料易脆，屬于金屬陶瓷材料，其加的此類超導氧化物。但這種材料易脆，屬于金屬陶瓷材料，其加工工藝嚴苛，綜合成本相當高，影響了它的廣泛應用；此外，關工工藝嚴苛，綜合成本相當高，影響了它的廣泛應用；此外，關于這一家族的高溫超導電性的機理一直也沒有解決。于這一家族的高溫超導電性的機理一直也沒有解決。20082008年年2 2月月1818日，日本東京工業(yè)大學的細野秀雄教授與合作日，日本東京工業(yè)大學的細野秀雄教授與合作者在美國化學會志上發(fā)表了一篇兩頁的文章，指出氟摻雜鑭者在美國化學會志上發(fā)表了一篇兩頁的文章，指出氟摻雜鑭氧鐵砷氧鐵砷(LaOFeAs)(LaOFeAs)化合物在化合物在26K26K（247.15247.15）時具有超導電性。）時具有超導電性。雖然雖然26K26K距距40K40K也還有一段距離，但它立刻引起了中國科學家的高也還有一段距離，但它立刻引起了中國科學家的高度關注。度關注。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能三、超導電性 20132013年年3 3月月2929日，趙忠賢、任治安通過氟摻雜的鐠氧鐵砷日，趙忠賢、任治安通過氟摻雜的鐠氧鐵砷化合物的超導臨界溫度可達更高的化合物的超導臨界溫度可達更高的52K52K（-221.15-221.15）；）；4 4月月初該研究組又發(fā)現(xiàn)無氟缺氧釤氧鐵砷化合物在壓力環(huán)境下合初該研究組又發(fā)現(xiàn)無氟缺氧釤氧鐵砷化合物在壓力環(huán)境下合成超導臨界溫度可進一步提升至成超導臨界溫度可進一步提升至55K55K（-218.15-218.15），創(chuàng)造了），創(chuàng)造了世界鐵基超導體臨界溫度的最高紀錄。世界鐵基超導體臨界溫度的最高紀錄。趙忠賢研究組利用高壓合成技術高效地制備了一大批不趙忠賢研究組利用高壓合成技術高效地制備了一大批不同元素構成的鐵基超導材料，轉變溫度很多都是同元素構成的鐵基超導材料，轉變溫度很多都是50K50K以上的，以上的，創(chuàng)造了創(chuàng)造了55K55K的鐵基超導體轉變溫度紀錄并制作了相圖，這被的鐵基超導體轉變溫度紀錄并制作了相圖，這被國際物理學界公認為鐵基高溫超導家族基本確立的標志。國際物理學界公認為鐵基高溫超導家族基本確立的標志。因此趙忠賢研究組獲得了因此趙忠賢研究組獲得了20132013年度國家自然科學一等獎。年度國家自然科學一等獎。自自20002000年起，國家自然科學一等獎年起，國家自然科學一等獎1313年里有年里有9 9次空缺，已經次空缺，已經連續(xù)空缺連續(xù)空缺3 3年，最近一次頒獎是在年，最近一次頒獎是在20092009年。年。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能三、超導電性如高溫超導濾波器已被應用于手機和衛(wèi)星通訊，明顯改善了通訊如高溫超導濾波器已被應用于手機和衛(wèi)星通訊，明顯改善了通訊信號和能量損耗；世界上各醫(yī)院使用的磁共振成像儀器中的磁體信號和能量損耗；世界上各醫(yī)院使用的磁共振成像儀器中的磁體基本上都是由超導材料制成的；使用的超導量子干涉器件裝備在基本上都是由超導材料制成的；使用的超導量子干涉器件裝備在醫(yī)療設備上使用，大大加強了對人體心腦探測檢查的精確度和靈醫(yī)療設備上使用，大大加強了對人體心腦探測檢查的精確度和靈敏度；世界上首個示范性超導變電站也已經在我國電網投入使用，敏度；世界上首個示范性超導變電站也已經在我國電網投入使用，它具備體積小、效率高、無污染等優(yōu)點，是未來變電站發(fā)展的趨它具備體積小、效率高、無污染等優(yōu)點，是未來變電站發(fā)展的趨勢；目前可以量產的高溫超導線材的傳輸能力是傳統(tǒng)銅電纜的勢；目前可以量產的高溫超導線材的傳輸能力是傳統(tǒng)銅電纜的1010倍之多，可以自動抑制電網中的脈沖現(xiàn)象，并且具有體積小的特倍之多，可以自動抑制電網中的脈沖現(xiàn)象，并且具有體積小的特點，將成為城市電力的重要組成部分點，將成為城市電力的重要組成部分。專家甚至預測，比高鐵快近一倍的超導磁懸浮列車，比現(xiàn)有專家甚至預測，比高鐵快近一倍的超導磁懸浮列車，比現(xiàn)有計算機快數(shù)十倍的超導計算機，還有基于超導技術的導彈防御和計算機快數(shù)十倍的超導計算機，還有基于超導技術的導彈防御和潛艇探測系統(tǒng)，都將在不遠的未來走進我們的生活、生產和國防。潛艇探測系統(tǒng)，都將在不遠的未來走進我們的生活、生產和國防。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能三、超導電性超導研究史上獲得諾貝爾獎的十位物理學家超導研究史上獲得諾貝爾獎的十位物理學家 影響材料導電性能的因素主要有溫度、影響材料導電性能的因素主要有溫度、化學成分、晶體結構、雜質及缺陷的濃度化學成分、晶體結構、雜質及缺陷的濃度及其遷移率等。但不同種類的材料導電機及其遷移率等。但不同種類的材料導電機理各異，影響因素及其影響程度也不盡相理各異，影響因素及其影響程度也不盡相同。同。由于金屬材料是常用的導電材料，所由于金屬材料是常用的導電材料，所以下面僅對影響金屬材料導電性的主要因以下面僅對影響金屬材料導電性的主要因素進行分析。素進行分析。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能四、影響材料導電性的因素四、影響材料導電性的因素 金屬電阻率隨溫金屬電阻率隨溫 度升高而增大度升高而增大溫度升高會使離子振動溫度升高會使離子振動加劇，熱振動振幅加大，加劇，熱振動振幅加大，原子的無序度增加，使原子的無序度增加，使電子運動的自由程減小，電子運動的自由程減小，散射幾率增加而導致電散射幾率增加而導致電阻率增大。阻率增大。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能四、影響材料導電性的因素1、溫度的影響、溫度的影響 在德拜溫度以上在德拜溫度以上，電子是，電子是完全自由的，完整的晶體中完全自由的，完整的晶體中電子的散射取決于溫度造成電子的散射取決于溫度造成的點陣畸變，金屬的電阻取的點陣畸變，金屬的電阻取決于離子的熱振動。決于離子的熱振動。純金屬的電阻率與溫度關系純金屬的電阻率與溫度關系第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能四、影響材料導電性的因素1、溫度的影響、溫度的影響當當溫度較低溫度較低(低于德拜溫度低于德拜溫度)時時應考慮振動原子與導電電子之應考慮振動原子與導電電子之間的相互作用，電阻率與溫度間的相互作用，電阻率與溫度的關系的關系當溫度接近于當溫度接近于0K0K時時(T(T2K2K），），電子的散射主要是電子與電子電子的散射主要是電子與電子間的相互作用，點陣畸變造成間的相互作用，點陣畸變造成 殘留電阻率。殘留電阻率。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能四、影響材料導電性的因素1、溫度的影響、溫度的影響 大多數(shù)金屬在熔化成液態(tài)時，其電阻大多數(shù)金屬在熔化成液態(tài)時，其電阻率會突然增大約率會突然增大約1-21-2倍。這是由于原子長程倍。這是由于原子長程排列被破壞，從而加強了對電子的散射所排列被破壞，從而加強了對電子的散射所引起的。引起的。但也有些金屬如銻、鉍、鎵等，他們但也有些金屬如銻、鉍、鎵等，他們在熔化時電阻率反而下降。主要是熔化時在熔化時電阻率反而下降。主要是熔化時共價鍵被破壞，轉為以金屬鍵結合為主，共價鍵被破壞，轉為以金屬鍵結合為主，故使電阻率下降。故使電阻率下降。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能四、影響材料導電性的因素1、溫度的影響、溫度的影響 冷塑性變形使金屬的電阻率增大冷塑性變形使金屬的電阻率增大 晶體點陣畸變和晶體缺陷增加，特別是晶體點陣畸變和晶體缺陷增加，特別是 空位濃度的增加，點陣電場不均勻加劇空位濃度的增加，點陣電場不均勻加劇 對電磁波散射。對電磁波散射。*原子間距改變原子間距改變 再結晶退火可使電阻率恢復到冷變形前再結晶退火可使電阻率恢復到冷變形前 的水平。的水平。拉應力造成原子間距增大，點陣畸變增拉應力造成原子間距增大，點陣畸變增 加，電阻率上升，壓應力相反。加，電阻率上升，壓應力相反。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能四、影響材料導電性的因素2、冷塑性變形和應力的影響、冷塑性變形和應力的影響（1 1）固溶體的導電性）固溶體的導電性 一般情況下，形成固溶體時合金的電一般情況下，形成固溶體時合金的電導率降低，電阻率增高導率降低，電阻率增高。主要原因是溶質原子的溶人引起主要原因是溶質原子的溶人引起溶劑點陣溶劑點陣的畸變，增加了電子的散射的畸變，增加了電子的散射，使電阻增大，使電阻增大，同時由于組元間化學相互作用的加強同時由于組元間化學相互作用的加強使有使有效電子數(shù)減少效電子數(shù)減少，也會造成電阻率的增長。，也會造成電阻率的增長。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能四、影響材料導電性的因素3、合金化對導電性的影響、合金化對導電性的影響(2)(2)金屬化合物的導電性金屬化合物的導電性金屬化合物的導電能力都比較差金屬化合物的導電能力都比較差原因：導電電子數(shù)減少原因：導電電子數(shù)減少(3)(3)多相合金的電阻率多相合金的電阻率 與組成相的導電性及相對量、合金的與組成相的導電性及相對量、合金的組織形態(tài)有關組織形態(tài)有關第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能四、影響材料導電性的因素3、合金化對導電性的影響、合金化對導電性的影響(1)(1)雙電橋法雙電橋法 雙電橋法是測量小電阻的常用方法，有較雙電橋法是測量小電阻的常用方法，有較高的精度，電阻值在高的精度，電阻值在0.0001-0.0010.0001-0.001范圍范圍內，精度可達內，精度可達0.2%-0.3%0.2%-0.3%。(2)(2)電位差計法電位差計法 測量小電阻有很高的精度，測量小電阻有很高的精度，第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能五、導電性的測量及應用五、導電性的測量及應用1 1、電阻測量方法、電阻測量方法(3)(3)安培安培-伏特計法伏特計法 毫伏計的阻值越高，試樣的阻值越小，毫伏計的阻值越高，試樣的阻值越小，誤差越小。測量方便、快速，并可以連續(xù)進誤差越小。測量方便、快速，并可以連續(xù)進行測量和自動記錄，它適用于快速測量小電行測量和自動記錄，它適用于快速測量小電阻的連續(xù)變化。阻的連續(xù)變化。(4)(4)直流四端電極法直流四端電極法 中、高電導率的材料，消除電極非歐姆接中、高電導率的材料，消除電極非歐姆接觸對測量結果的影響。觸對測量結果的影響。第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能1 1、電阻測量方法、電阻測量方法五、導電性的測量及應用測量電阻率的變化測量電阻率的變化來研究金屬與合金來研究金屬與合金的組織結構變化的組織結構變化(1)(1)測量固溶體的溶測量固溶體的溶解度曲線解度曲線第一節(jié)第一節(jié) 導電性能導電性能2 2、電阻分析的應用、電阻分析的應用五、導電性的測量及應用(2)(2)測定形狀記憶合金中的相變溫度測定形狀記憶合金中的相變溫度 熱電材料是一種通過固體內部載流熱電材料是一種通過固體內部載流子運動子運動實現(xiàn)電實現(xiàn)電能能與熱與熱能能之間相互轉換之間相互轉換的的功能功能材料材料，也稱為也稱為溫差電材料溫差電材料。此此種種材材料能料能夠夠在足在足夠夠的的溫溫差下差下產生電動勢產生電動勢，達達到到以以熱熱生生電電的的現(xiàn)現(xiàn)象。在另一方面也能象。在另一方面也能夠夠在供在供給電給電流下流下產生產生吸吸熱熱或放或放熱熱的效的效應應，進進而而達到達到以以電電生生熱熱或或制冷制冷的的現(xiàn)現(xiàn)象象。第二節(jié)第二節(jié) 熱電性能熱電性能第二節(jié)第二節(jié) 熱電性能熱電性能一、熱電效應一、熱電效應1、Peltier（帕耳帖）效應（帕耳帖）效應2、Thomson（湯姆遜湯姆遜）效應）效應3、Seebeck（塞貝克）效應（塞貝克）效應 是由電流引起的可逆熱效應和溫差引是由電流引起的可逆熱效應和溫差引起的電效應的總稱，它包括起的電效應的總稱，它包括三個相互關聯(lián)三個相互關聯(lián)的效應的效應：第二節(jié)第二節(jié) 熱電性能熱電性能一、熱電效應1、Peltier效應效應(電制冷現(xiàn)象電制冷現(xiàn)象)：1834年法國年法國J.C.A.Peltier電流流過兩種不同導體的界面時，將從外電流流過兩種不同導體的界面時，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量。這就是界吸收熱量，或向外界放出熱量。這就是帕爾帖效應。帕爾帖效應。QAB：帕耳帖熱；帕耳帖熱；I：回路中的電流；回路中的電流；PAB：帕耳帖系數(shù)：帕耳帖系數(shù)（與金屬（與金屬的本性和溫度有關的本性和溫度有關）QAB=PABIt帕爾帖效應的物理解釋是：帕爾帖效應的物理解釋是：電荷載體在導體中運動形成電流。由于電電荷載體在導體中運動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，便釋放出當它從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。交界面處以熱的形式吸收或放出。第二節(jié)第二節(jié) 熱電性能熱電性能一、熱電效應2、Thomson效應：效應：1854年英國年英國W.Thomson 當一根金屬導線兩端溫度不同時，若通以電當一根金屬導線兩端溫度不同時，若通以電流，則在導線中除產生焦爾熱外，還要產生額流，則在導線中除產生焦爾熱外，還要產生額外的吸放熱現(xiàn)象外的吸放熱現(xiàn)象.這種熱電現(xiàn)象稱為湯姆遜效應。這種熱電現(xiàn)象稱為湯姆遜效應。電流方向與導線中熱流方向一致時產生放熱效電流方向與導線中熱流方向一致時產生放熱效應，反之產生吸熱效應。吸收或放出的熱量稱應，反之產生吸熱效應。吸收或放出的熱量稱為湯姆遜熱為湯姆遜熱QT。S：Thomson系數(shù)系數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 熱電性能熱電性能一、熱電效應3、Seebeck效應效應(熱熱生生電現(xiàn)象電現(xiàn)象)：1821年德國年德國T.J.Seebeck 當當兩兩種種不不同同的的金金屬屬A、B組組成成回回路路，且且兩兩接接觸觸點點的的溫溫度度不同時，在回路中產生電流。不同時，在回路中產生電流。接觸電勢差：接觸電勢差：熱電勢：熱電勢：V：逸出電勢：逸出電勢N：有效電子密度：有效電子密度第二節(jié)第二節(jié) 熱電性能熱電性能二二 影響熱電勢的因素影響熱電勢的因素1 1、金屬本性的影響、金屬本性的影響 不同金屬由于其電子逸出功和自由電子密不同金屬由于其電子逸出功和自由電子密度不同，熱電勢也不相同。純金屬的熱電勢度不同，熱電勢也不相同。純金屬的熱電勢可按以下次序排列，其中任一后者的熱電勢可按以下次序排列，其中任一后者的熱電勢相對于前者為負相對于前者為負:Si、Sb、Fe、Mo、Cd、W、Au、Ag、Zn、Rh、Ir、Tl、Cs、Ta、Sn、Pb、Mg、Al、Hg、Pt、Na、Pd、K、Ni、Co、Bi。第二節(jié)第二節(jié) 熱電性能熱電性能1 1、金屬本性的影響、金屬本性的影響 中間金屬定律中間金屬定律：如在兩根不同的金屬：如在兩根不同的金屬絲之間串聯(lián)進另一種金屬，只要串聯(lián)金屬絲之間串聯(lián)進另一種金屬，只要串聯(lián)金屬兩端的溫度相同，則回路中產生的總熱電兩端的溫度相同，則回路中產生的總熱電勢只與原有的兩種金屬的性質有關，而與勢只與原有的兩種金屬的性質有關，而與申聯(lián)入的中間金屬無關。申聯(lián)入的中間金屬無關。二、影響熱電勢的因素第二節(jié)第二節(jié) 熱電性能熱電性能將兩種不同金屬的一端焊在一起，作為熱端，而將另一將兩種不同金屬的一端焊在一起，作為熱端，而將另一端分開，并保持恒溫，這就構成了一支簡單的熱電偶。端分開，并保持恒溫，這就構成了一支簡單的熱電偶。利利用用Seebeck效效應應將將溫溫差差信信號號轉轉換換成成電電信信號號從從而實現(xiàn)溫度測量的材料。而實現(xiàn)溫度測量的材料。1886年年 查查 德德 利利（Le Chatelier）用用 Pt-w(Rh)%10合合金金與與純純Pt配配對對制制成成第第一一臺臺實實用用的的熱熱電電高溫計。高溫計。DvT0爐子爐子熱電偶熱電偶ABT1T0鎳鉻鎳鉻-鎳鋁鎳鋁鐵鐵-康銅康銅鎳鉻鎳鉻-康銅康銅銅銅-康銅康銅主主要要的的熱熱電電偶偶材材料料二、影響熱電勢的因素 管式熱電偶管式熱電偶 安裝狀態(tài)安裝狀態(tài) 智能溫度控制器智能溫度控制器 第二節(jié)第二節(jié) 熱電性能熱電性能2 2、溫度的影響、溫度的影響 熱電勢與兩接點處的溫差成正比熱電勢與兩接點處的溫差成正比 熱電勢熱電勢E E與溫度經驗公式與溫度經驗公式3 3、合金化的影響、合金化的影響 在形成固溶體時，在形成固溶體時，目前研究不夠明確，目前研究不夠明確，熱電熱電勢與濃度關系呈勢與濃度關系呈懸鏈式懸鏈式變化，但過渡族元素往變化，但過渡族元素往往不符合這種規(guī)律。往不符合這種規(guī)律。當合金的某一成分形成化合物時，其熱電勢當合金的某一成分形成化合物時，其熱電勢會發(fā)生突變會發(fā)生突變(增高或降低增高或降低)；多相合金的熱電勢；多相合金的熱電勢處于組成相的熱電勢之間。如兩相的電導率相處于組成相的熱電勢之間。如兩相的電導率相近，則熱電勢與體積濃度幾乎呈直線關系。近，則熱電勢與體積濃度幾乎呈直線關系。二、影響熱電勢的因素第二節(jié)第二節(jié) 熱電性能熱電性能4、含碳量對鋼熱電勢的影響、含碳量對鋼熱電勢的影響 鋼的含碳量和其組織狀態(tài)對熱電勢鋼的含碳量和其組織狀態(tài)對熱電勢有顯著影響。有顯著影響。純鐵和鋼組成熱電偶時，其熱電勢純鐵和鋼組成熱電偶時，其熱電勢鐵為正鋼為負，且鋼中的含碳量越高熱鐵為正鋼為負，且鋼中的含碳量越高熱電勢越負，鐵與鋼組成的熱電偶的熱電電勢越負，鐵與鋼組成的熱電偶的熱電勢就越大。勢就越大。二、影響熱電勢的因素第二節(jié)第二節(jié) 熱電性能熱電性能 材料的熱電勢除可以利用作為測溫用材料的熱電勢除可以利用作為測溫用的熱電偶外，還可用以進行材料科學研的熱電偶外，還可用以進行材料科學研究。究。熱電勢可以用電位差計測量。由于金熱電勢可以用電位差計測量。由于金屬內部組織變化所引起熱電勢的變化很屬內部組織變化所引起熱電勢的變化很小，所以常采用示差測量法。小，所以常采用示差測量法。三、熱電勢的測量與應用三、熱電勢的測量與應用第二節(jié)第二節(jié) 熱電性能熱電性能 熱電勢的測量可用于研究馬氏體的回熱電勢的測量可用于研究馬氏體的回火轉變?；疝D變。-Fe中的含碳量越高電勢越負。中的含碳量越高電勢越負。淬火態(tài)的馬氏體中的含碳量最高熱電勢值淬火態(tài)的馬氏體中的含碳量最高熱電勢值最負。當對淬火鋼回火時，碳從固溶體中最負。當對淬火鋼回火時，碳從固溶體中析出，使熱電勢上升。熱電勢可直接反映析出，使熱電勢上升。熱電勢可直接反映馬氏體中含碳量的變化，而且十分敏感。馬氏體中含碳量的變化，而且十分敏感。三、熱電勢的測量與應用 從右圖半導體的能帶結從右圖半導體的能帶結構可以看出，下面是已被價電構可以看出，下面是已被價電子占滿的允帶，中間為禁帶，子占滿的允帶，中間為禁帶，上面是空帶。因此在外電場作上面是空帶。因此在外電場作用下不能導電，但是這是絕對用下不能導電，但是這是絕對零度時的情況。零度時的情況。第三節(jié)第三節(jié) 半導體導電性的敏感效應半導體導電性的敏感效應空帶空帶禁帶禁帶滿帶滿帶第三節(jié)第三節(jié) 半導體導電性的敏感效應半導體導電性的敏感效應當外界條件發(fā)生變化（溫度升高和有當外界條件發(fā)生變化（溫度升高和有光照射）時，滿帶中有少量電子有可光照射）時，滿帶中有少量電子有可能被激發(fā)到上面的空帶中去，在外電能被激發(fā)到上面的空帶中去，在外電場作用下，這些電子將參與導電，同場作用下，這些電子將參與導電，同時，滿帶中由于少了一些電子，在滿時，滿帶中由于少了一些電子，在滿帶頂部附近出現(xiàn)了一些空的量子狀態(tài)，帶頂部附近出現(xiàn)了一些空的量子狀態(tài)，滿帶變成了部分占滿的能帶，在外電滿帶變成了部分占滿的能帶，在外電場的作用下，仍留在滿帶中的電子也場的作用下，仍留在滿帶中的電子也能夠起導電作用。能夠起導電作用?？諑Э諑Ы麕Ы麕M帶滿帶第三節(jié)第三節(jié) 半導體導電性的敏感效應半導體導電性的敏感效應 滿帶電子的這種導電作用等效于把這滿帶電子的這種導電作用等效于把這些空的量子狀態(tài)看作帶正電荷的準粒子的些空的量子狀態(tài)看作帶正電荷的準粒子的導電作用，常稱這些空的量子狀態(tài)為導電作用，常稱這些空的量子狀態(tài)為空穴?？昭?。所以所以在半導體中導帶的電子和價帶的空穴在半導體中導帶的電子和價帶的空穴均參與導電，這是與金屬導體的最大差別。均參與導電，這是與金屬導體的最大差別。因為半導體的禁帶寬度比較小，數(shù)量因為半導體的禁帶寬度比較小，數(shù)量級在級在1 eV左右，在通常溫度下已有不少電左右，在通常溫度下已有不少電子被激發(fā)到導帶中去，所以具有一定的導子被激發(fā)到導帶中去，所以具有一定的導電能力。電能力。第三節(jié)第三節(jié) 半導體導電性的敏感效應半導體導電性的敏感效應 半導體的導電，主要是由電子和空穴造半導體的導電，主要是由電子和空穴造成的。溫度增加，使電子動能增大，造成成的。溫度增加，使電子動能增大，造成晶體中自由電子和空穴數(shù)目增加，因而使晶體中自由電子和空穴數(shù)目增加，因而使電導率升高。通常情況下電導率與溫度的電導率升高。通常情況下電導率與溫度的關系為：關系為：B為與材料有關的常數(shù)，表示材料的電為與材料有關的常數(shù)，表示材料的電導活化能。導活化能。一、熱敏效應一、熱敏效應第三節(jié)第三節(jié) 半導體導電性的敏感效應半導體導電性的敏感效應 還有一些半導體材料，在某些特定的溫度還有一些半導體材料，在某些特定的溫度附近電阻率變化顯著。如附近電阻率變化顯著。如“摻雜摻雜”BaTiO3(添加稀土金屬氧化物添加稀土金屬氧化物)在其居里點附近，當在其居里點附近，當發(fā)生相變時電阻率劇增發(fā)生相變時電阻率劇增103 106數(shù)量級數(shù)量級.具有熱敏特性的半導體可以制成各種熱具有熱敏特性的半導體可以制成各種熱敏溫度計、電路溫度補償器、無觸點開關等。敏溫度計、電路溫度補償器、無觸點開關等。一、熱敏效應一、熱敏效應第三節(jié)第三節(jié) 半導體導電性的敏感效應半導體導電性的敏感效應 光的照射使某些半導體材料的電阻明顯光的照射使某些半導體材料的電阻明顯下降，這種用光的照射使電阻率下降的現(xiàn)象下降，這種用光的照射使電阻率下降的現(xiàn)象稱為稱為“光電導光電導”。光電導是由于具有一定能。光電導是由于具有一定能量的光子照射到半導體時把能量傳給它，在量的光子照射到半導體時把能量傳給它，在這種外來能量激發(fā)下，半導體材料產生大量這種外來能量激發(fā)下，半導體材料產生大量的自由電子和空穴，促使電阻率急劇下降。的自由電子和空穴，促使電阻率急劇下降。二、光敏效應二、光敏效應第三節(jié)第三節(jié) 半導體導電性的敏感效應半導體導電性的敏感效應 值得強調的是值得強調的是“光子光子”的能量必須大于的能量必須大于半導體禁帶寬度才能產生光電導。半導體禁帶寬度才能產生光電導。把光敏材把光敏材料制成光敏電阻器，廣泛應用于各種自動控料制成光敏電阻器，廣泛應用于各種自動控制系統(tǒng)，如利用光敏電阻可以實現(xiàn)照明自動制系統(tǒng)，如利用光敏電阻可以實現(xiàn)照明自動化等。化等。二、光敏效應二、光敏效應第三節(jié)第三節(jié) 半導體導電性的敏感效應半導體導電性的敏感效應1、電壓敏感效應、電壓敏感效應 某些半導體材料對電壓的變化十分敏感，某些半導體材料對電壓的變化十分敏感，例如半導體氧化鋅陶瓷，通過它的電流和電例如半導體氧化鋅陶瓷，通過它的電流和電壓之間不成線性關系，即電阻隨電壓而變；壓之間不成線性關系，即電阻隨電壓而變；用具有壓敏特征的材料可以制成壓敏電阻器。用具有壓敏特征的材料可以制成壓敏電阻器。三、壓敏效應三、壓敏效應壓敏效應包括電壓敏感和壓力敏感效應壓敏效應包括電壓敏感和壓力敏感效應第三節(jié)第三節(jié) 半導體導電性的敏感效應半導體導電性的敏感效應 2、壓力敏感效應、壓力敏感效應 對一般材料施加應力時，會產生相應的對一般材料施加應力時，會產生相應的變形，從而使材料的電阻發(fā)生改變，但不改變形，從而使材料的電阻發(fā)生改變，但不改變材料的電阻率。變材料的電阻率。對半導體材料施加應力時，對半導體材料施加應力時，除產生變形外，能帶結構也要相應地發(fā)生變除產生變形外，能帶結構也要相應地發(fā)生變化，因而使材料的電阻率化，因而使材料的電阻率(或電導率或電導率)發(fā)生改發(fā)生改變變。這