功能材料课件

功能材料FunctionalMaterials功能材料FunctionalMaterials李建忱材料馆610室第一节概述定义：以特殊的电、磁、声、光、热、力、化学及生物学等性能作为主要性能指标的一类材料。是用于非结构目的高技术材料。1965年由美国贝尔实验室的J.A.Morton博士首先提出功能材料概念。内容1-1功能材料在电力技术、电子信息技术、微电子技术、激光技术、空间技术、海洋技术等领域得到广泛应用。例：计算机的发展历史－CPU1.电子管2.晶体管3.集成电路4.大规模集成电路现代微型计算机的功能与第一台大型电子管计算机相当，但运算速度快几十倍、体积仅1/300,000、重量仅1/60,000。IBM研制的超级计算机的运算能力可达39,000次/s。（发热）材料：锗Ge半导体材料硅Si半导体材料硬化镓GaAs半导体材料功能材料的分类功能材料种类繁多，涉及面广，有多种分类方法。目前主要是根据材料的化学组成、应用领域、使用性能进行分类。研究背景2-1按化学组成金属功能材料陶瓷功能材料高分子功能材料复合功能材料按应用领域电工材料能源材料信息材料光学材料仪器仪表材料航空航天材料生物医学材料传感器用敏感材料按使用性能电功能材料磁功能材料光功能材料热功能材料化学功能材料生物功能材料声功能材料隐形功能材料功能材料的现状近几年来，功能材料迅速发展，已有几十大类，10万多品种，且每年都有大量新品种问世。现已开发的以物理功能材料最多，主要有：1）单功能材料，如：导电材料、介电材料、铁电材料、磁性材料、磁信息材料、发热材料、热控材料、光学材料、激光材料、红外材料等。2）功能转换材料，如：压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、声光材料、电流变材料、磁敏材料、磁致伸缩材料、电色材料等。3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防热、防激光和防核）、电磁材料等。4）复合和综合功能材料，如：形状记忆材料、隐身材料、传感材料、智能材料、显示材料、分离功能材料、环境材料、电磁屏蔽材料等。5）新形态和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、纳米材料、非平衡材料等。目前，化学和生物功能材料的种类虽较少，但其发展速度很快，其功能也更多样化。功能材料的展望展望21世纪，功能材料的发展趋势为：1）开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域（航空航天、分子电子学、新能源、海洋技术和生命科学等）所需和在极端条件下（超高温、超高压、超低温、强腐蚀、高真空、强辐射等）工作的高性能功能材料；2）功能材料的功能从单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低级功能向高级功能发展；3）功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密积化和超分子化；4）功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构化，结构材料功能化；5）进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺；6）完善和发展功能材料检测和评价的方法；7）加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域，加强推广成熟的研究成果，以形成生产力。主要内容电功能材料磁功能材料热功能材料光功能材料其它功能材料简介第二节导电功能材料以特殊的电学性能或各种电效应作为主要性能指标的一类材料。半导体材料超导材料电接点（触头）材料导电材料电阻材料第一节固体导电性一、自由电子论(P.Drude,A.Lorentz)＝１／＝ne2L/2mv价电子参与导电无法解释低价金属导电性好？量子自由电子论（A.Sommerfeld)只有费米面的电子导电n为有效电子数无法解释电导率与温度的关系，导电性各向异性二、能带理论能带：指晶体中电子能量的本征值即不像孤立原子明显分立的电子能级，也不像无限空间中自由电子所具有连续能级。满带：所有能级全部被电子添满。空带：所有能级全部都是空的。导带：部分电子的未满带价带：导带以下的第一个满带。导体：除了满带和空带外，还存在未满带绝缘体：没有未满带，更高能级全部为空带。半导体：能带添充同绝缘体，但能隙小。３、近代电导理论晶格振动产生能量（热）——声子。晶格振动形成的声子与电子发生相互作用引起电子散射，产生电阻。另外：晶体中的杂质和缺陷也引起电子散射，产生电阻。(T)=0+T(TD)(T)=0+T(TD)D德拜温度：当高于一特定温度后，摩尔热容接近一个常数（25J/molK).低于此温度摩尔热容与T3成正比。导电材料的分类按导电机理可分为：电子导电材料和离子导电材料两大类。电子导电材料包括导体、超导体和半导体：10-710-610-510-410-310-210-1100101102103104105106电导率σS/m绝缘体半导体导体超导体：σ→∞离子导电材料的导电机理源于离子的运动，由于离子的运动速度远小于电子的运动速度，因此其电导率较小，目前最高不超过102S/m，一般在100S/m以下。导体电阻率公式iT电阻率公式：ρi取决于晶格缺陷的多少，缺陷越多，ρi越大，一般与温度无关；ρT取决于晶格的热振动。电阻率随着温度升高而升高，这是导体的一个特征。导体材料的种类导体材料按照化学成分主要有以下三种：（1）金属材料。电导率在107~108S/m之间；银（6.63×107S/m）、铜（5.85×107S/m）和铝（3.45×107S/m）（2）合金材料。电导率在105~107S/m之间；黄铜（1.60×107S/m），镍铬合金（9.30×105S/m）（3）无机非金属材料。电导率在105~108S/m之间。石墨在基晶方向为2.5×106S/m。金属导电材料1、导电引线材料Au,Ag,Cu,Al,Fe合金:AlMg,AlMgSiFe,AlMgCuFe２、导体布线材料薄膜导体材料：贵金属薄膜，复合薄膜材料电阻材料１、精密电阻合金MnCu,康铜，性能（１）低的电阻温度系数。（２）良好的耐磨性和抗氧化性（３）良好的加工性能和力学性能（４）可焊性好２、电热电阻材料CuNi，NiCrFe,NiCr，NiCrAl,FeCrAl3、热敏电阻材料较大电阻温度系数NiCr,NiCrFe4、膜电阻材料厚膜电阻：厚膜杂化制造加工薄膜电阻：溅射、蒸发等真空镀膜制成。导体材料的应用金属导体材料主要用作：电缆材料、电机材料、导电引线材料、导体布线材料、辐射屏蔽材料、电池材料、开关材料、传感器材料、信息传输材料、释放静电材料和接点材料等，还可以作成各种金属填充材料和金属复合材料。合金导体材料主要用作电阻材料和热电偶材料，如铂铑-铂热电偶等。非金属导体材料主要用作耐腐蚀导体和导电填料。半导体材料半导体材料导电性能介于金属和绝缘体之间；（σ＝10-7～104）具有负的电阻温度系数。（导体具有正的电阻温度系数）基本概念当大量原子结合成晶体时（如，1019个原子大约可形成1mm3的晶体）由于相邻原子电子云相互交叠，对应于孤立原子中的每一能级都将分裂成有一定能量宽度的能带。（1）能带EnergyBand（一）半导体的能带结构(2)带隙BandGap能带之间的区域（3）禁带ForbiddenBand带隙不存在电子的能级（4）价带ValenceBand对应价电子能级的能带(5)空带EmptyGap价带上面的能带（6）导带ConductionBand最靠近价带的空带（7）满带FilledBand价带被电子填满导体的能带中都有末被填满的价带，在外电场的作用下，电子可由价带跃迁到导带，从而形成电流。绝缘体的能带结构是满带与导带之间被一个较宽的禁带所隔开，在常温下几乎很少有电子可以被激发越过禁带，因此其电导率很低。半导体能带结构下面是价带，其价带是充满了电子，因此是一个满价带。上面是导带，而导带是空的。满价带和空导带之间是禁带，其禁带宽度比较窄，一般在1ev左右。价带中的电子受能量激发后，如果激发能大于Eg，电子可以从价带跃迁到导带上，同时在价带中留下一个空的能级位置--空穴。半导体的导电机理半导体价带中的电子受激发后从满价带跃到空导带中，跃迁电子可在导带中自由运动，传导电子的负电荷。同时，在满价带中留下空穴，空穴带正电荷，在价带中空穴可按电子运动相反的方向运动而传导正电荷。因此，半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。（二）典型半导体材料及其应用按组成分类元素半导体化合物半导体固溶体半导体1.元素半导体元素半导体本征半导体杂质半导体高纯度、无缺陷的元素半导体。杂质浓度小于10-9在本征半导体中有意加入少量的杂质元素，以控制电导率，形成杂质半导体。本征半导体广泛研究的元素是Si、Ge和金刚石。金刚石可看作是碳元素半导体，它的性质是1952年由Guster发现的。除了硅、锗、金刚石外，其余的半导体元素一般不单独使用。因为本征半导体单位体积内载流子数目比较少，需要在高温下工作电导率才大，故应用不多。杂质半导体利用将杂质元素掺入纯元素中，把电子从杂质能级（带）激发到导带上或者把电子从价带激发到杂质能级上，从而在价带中产生空穴的激发叫非本征激发或杂质激发。这种半导体叫杂质半导体。杂质半导体本身也存在本征激发，一般杂质半导体中掺杂杂质的浓度很低，如十亿分之一就可达到目的。杂质半导体n型半导体p型半导体掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子，又称施主型半导体掺杂原子的价电子少于纯元素的价电子，又称受主型半导体杂质半导体n型半导体（电子型，施主型）ⅣA族元素（C、Si、Ge、Sn）中掺入以VA族元素（P、As、Sb、Bi）后，造成掺杂元素的价电子多于纯元素的价电子，其导电机理是电子导电占主导，这类半导体是n型半导体。p型半导体（空穴型，受主型）ⅣA族元素（C、Si、Ge、Sn）中掺入以ⅢA族元素（如B）时，掺杂元素的价电子少于纯元素的价电子，它们的原子间生成共价键以后，还缺一个电子，而在价带其中产生空穴。以空穴导电为主，掺杂元素是电子受主，这类半导体是p型半导体。杂质半导体的能带结构N型半导体逾量电子处于施主能级，施主能级与导带底能级之差Ed远小于禁带宽度Eg（相差近三个数量级）。因此，杂质电子比本征激发更容易激发到导带。例如Si掺杂十亿分之一As时，其Eg为1.6×10-19J，Ed为6.4×10-21J。Ge掺杂十亿分之一Sb时，其Eg为1.15×10-19J，Ed为1.6×10-21J。P型半导体逾量空穴处于受主能级。由于受主能级与价带顶端的能隙Ea远小于禁带宽度Eg，价带上的电子很容易激发到受主能级上，在价带形成空穴导电。2.化合物半导体二元化合物GaAs（砷化镓）、CdS镉、SiC、GeS锗、AsSe3硒等。三元化合物AgGeTe2、AgAsSe2、CuCdSnTe4等（碲）GaAs制备发光二极管隧道二极管3.固溶体半导体由两种或多种元素或化合物互溶而成的。二元系固溶体半导体Bi-Sb三元系固溶体半导体（碲镉汞）Hg1-xCdxTe（镓砷磷）GeAs1-xPx最重要的红外探测器材料用于高速响应器件、光通信等半导体材料的应用1、半导体材料在集成电路上的应用：最早用锗单晶制造二极管和三极管；现在发展硅器件，以硅单晶为基材的集成电路在电子器件中占主导地位。化合物半导体砷化镓做微波、超高频晶体管等；2、半导体在光电子器件、微波器件和电声耦合器上的应用：发光管、激光器、光电池、光集成等；3、半导体材料在传感器上的应用：半导体传感器二、超导材料超导材料的定义1911年荷兰Leiden大学KamerlinghOnnes在研究极低温度下金属导电性时发现，当温度降到4.2K时，汞的电阻率突然降低到接近于零。这种现象称为汞的超导现象。从此，超导材料的研究引起了广泛的关注，现已发现了上千种超导材料。定义：超导电现象：材料的电阻随温度降低而减小并最终出现零电阻的现象。超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。（一）超导体的基本特性特性一：完全导电性（零电阻）File和Mills利用精确核磁共振方法测量超导电流产生的磁场，来研究螺线管内超导电流的衰变，得出的结论是超导电流的衰变时间不短于10万年。特性二：完全抗磁性处于超导状态的金属，不管其经历如何，磁感应强度B始终为零。这一现象为迈斯纳（Meissner）1933年