材料物理性能-lec3

材料的电性能ElectronicPropertiesofMaterials杜宇雷材料科学与工程学院AndreGeimKonstantinNovoselovNobelPrizeinPhysics2010wasawardedjointlytoAndreGeimandKonstantinNovoselovforgroundbreakingexperimentsregardingthetwo-dimensionalmaterialgraphene经典自由电子论量子自由电子论能带论关于电导率的解释在完整晶体中，电子是在周期性势场中运动。电子的稳定状态是布洛赫波描述的状态，这时不存在产生阻力的微观结构。对于不完整晶体，晶体中的杂质、缺陷、晶面等结构上的不完整性以及晶体原子因热振动而偏离平衡位置都会导致电子偏离周期性势场。这种偏离使电子波受到散射，这就是经典理论中阻力的来源。晶格振动，晶体中的杂质、缺陷。电阻产生机制及影响因素关于电阻、平均自由程、电子散射机制的讨论碰撞散射理想晶体点阵的完整性遭到破坏，电子波才受到散射。金属电阻率服从马西森定律：ρ=ρL+ρ0式中ρL表示晶格振动对电子散射引起的电阻率，与温度相关。马西森定律：ρ0表示杂质与缺陷对电子散射引起的电阻率，与温度无关，它是温度趋近于绝对零度时的电阻值，称为剩余电阻。杂质、缺陷可以改变金属电阻的阻值，但不改变电阻的温度系数dρ／dT。在室温以及较高温度区域，大多数金属的ρL与温度的一次方成正比，温度升高，晶格振动加大，对电子的散射增强，导致电阻升高，电阻的温度系数为正值。低温下热振动产生的电阻按T5规律变化，温度越低，电阻越小。金属及合金的电阻及其影响因素1温度对电阻率的影响2压力对电阻率的影响3冷加工和缺陷对电阻率的影响4固溶体的电阻率5化合物、多相合金的电阻率半导体纯硅和纯锗属于本征半导体。这里，“本征”是具有“原本特征”的意思。这些半导体的禁带Eg比较小，具有足够热能的电子能够越过禁带，从价带被激发到导带。被激发的电子原来占据的价带的能级上则留下一个空穴。如果一个电子过来填充这个空穴，那么它原来的能级上又会出现一个空穴。所以空穴可以携带一个正电荷，空穴的移动也会产生电流。如果在半导体材料上加上电压，导带上的电子朝正极移动，价带上的空穴则向负极移动本征半导体中，通过控制温度来控制载流子的数量及其导电性。在绝对零度时，所有的电子都处于价带，导带中的所有能级都是空的。当温度升高时，电子占据导带能级的可能性也增加，半导体的导电性也随之增加。半导体中的导电性与温度的这种关系刚好与金属相反。在金属中，导电性是随着温度升高而降低的。掺杂：在高纯度的半导体中添加少量杂质。如果在硅或锗中添加的施主是像砷或磷一样的5价元素，那么砷或磷中的4个价电子会参加共价键结合。富余的那个价电子有可能进入导带，参加导电。向本征半导体提供电子作为载流子的杂质元素称为施主。掺入了施主杂质的非本征半导体以负电荷（电子）作为载流子，所以称为n（negative，表示负电荷的意思）型半导体。施主的富余价电子所处的杂质原子的电子能级低于半导体的导带。这个富余价电子并没有被施主原子束缚得很紧，只要有一个很小的能量Ed就可以使这个电子进入导带。施主的这个价电子进入导带后，不会在价带中产生空穴。随着温度的升高，越来越多的施主电子越过禁带Ed进入导带，最后所有的施主的电子都进入导带，此时称为施主耗尽。如果温度继续升高，电导率将维持一个常量。在更高的温度下，才会出现本征半导体产生的导电性。如果在硅或锗中添加的杂质是像镓（Ga）一样的3价元素，没有足够的电子参与共价键的结合。如果价带上的其他电子过来填充这个空穴，在价带上就会产生一个新的空穴，参加导电。向本征半导体提供空穴作为载流子的杂质元素称为受主。掺入了受主杂质的非本征半导体以正电荷（空穴）作为载流子，所以称为p（positive，表示正电荷的意思）型半导体。价带上的电子只有获得能量Ea，才能跃迁上去填充受主的空穴而在价带上产生空穴。价带上的空穴可以移动，传导电流。•本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的数量相等，而非本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的数量是不相等的。•非本征半导体中的由于杂质原子而形成的载流子称为多数载流子，虽然掺入的杂质原子的数量与半导体原子数量相比只是少数。而本征半导体中由于热激发等产生的载流子称为少数载流子。本征半导体和非本征半导体的主要区别ResistanceTemperature4K超导的发现昂纳斯(H.K.Onnes)1913年获诺贝尔物理奖1908年,昂内斯成功地液化了氦,从而得到了一个新的低温(4.2K以下).超导体零电阻现象电流持续时间可长达10000000000000…000（10100）年如果将这种导线做成闭合电路，电流就可以永无休止地流动下去。确实也有人做了：将一个铅环冷却到7.25K以下，用磁铁在铅环中感应出几百安培的电流，从1954年3月16日直到1956年9月5日，铅环中的电流不停流动，数值也没有变化。超导电缆将超导电缆放在绝缘、绝热的冷却管里，管里盛放冷却介质，如液氦等。冷却介质经过冷却泵站进行循环使用，保证整条输电线路都在超导状态下运行。这样的超导输电电缆比普通的地下电缆容量大25倍，可以传输几万安培的电流，电能消耗仅为所输送电能的万分之几。我国目前约有15％的电能损耗在输电线路上。MeissnerEffect(1933)1933年迈斯纳和奥克森费尔特发现：超导态下，超导体内的磁场强度H总为零，即具有完全抗磁性，这种现象就是迈斯纳效应。这是因为外磁场的磁化使超导体表面产生感应电流，感应电流在超导体内产生的磁场正好和外磁场相抵消，导致超导体内部磁场为零。完全抗磁性（迈斯纳效应）RegularmaterialNorthSouthSuperconductorNorthSouth磁悬浮利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。超导磁悬浮列车1999年４月，日本研制的超导磁悬浮列车时速已达552公里，创世界铁路时速最高纪录。上海磁悬浮列车超导体的两个基本特性零电阻现象完全抗磁性在常温下，金属原子失去外层电子，自由电子无序地充满在正离子周围。在电压作用下，自由电子的定向运动就成为电流。自由电子在运动中受到的阻碍称为电阻。常导体中电子的运动超导材料的超导电性是如何产生的呢？•在超导体内部，由于电子和点阵之间的相互作用，在电子与电子之间产生了吸引力，这种吸引力使传导电子两两结成电子对，组成每个电子对的两个电子动量相等、自旋方向相反，这种电子对称为库珀电子对或超导电子。库珀电子对的能量低于两个正常电子的能量之和，因而超导态的能量低于正常态。在绝对零度时，全部电子都结成库珀电子对，按照量子力学的物质波概念，由于库珀对的动量很小，所以它的波长很长，不会受到晶格缺陷和杂质的散射，从而可以无阻碍地流动。都是超导电子，随着温度的升高，晶格振动能量不断增大，库珀电子对就不断地被拆散并转变为正常电子，在温度达到临界温度以上时，库珀电子就全部被拆散，所有电子都是正常电子。BCS理论Bardeen,Cooper,Schrieffer当超导临界温度以下时，自由电子将不再完全无序地“单独行动”，会形成“电子对”（即“库珀电子对”）。温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固，不同电子对之间相互的作用力愈弱。在电压的作用下，这种有秩序的电子对按一定方向畅通无阻地流动起来。库珀电子对超导体的临界条件3临界磁场（HC）--施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。以上三个参数彼此关联，其相互关系如右图所示。1临界温度（TC）--超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。2临界电流密度（JC）--通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。•第Ⅰ类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的熔点较低、质地较软，亦被称作软超导体”。第Ⅰ类超导体的特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。第Ⅰ类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。第一类超导体•除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。•第Ⅱ类超导体和第Ⅰ类超导体的区别主要在于：■第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态（混合态）；第二类超导体■第Ⅱ类超导体的混合态中有磁通线存在，而第Ⅰ类超导体没有；■第Ⅱ类超导体比第Ⅰ类超导体有更高的临界磁场、更大的临界电流密度和更高的临界温度。隧道效应：电子具有穿过比其自身能量还要高的势垒的本领。当然，穿透几率随势垒的高度和宽度的增加而迅速减小。约瑟夫森效应隧道效应UE＜UE＜U•经典•量子如果在两块Al夹入一层很薄的势垒（10-10m），当在两块Al之间加上电势差后，就有电流流过绝缘层，这就是正常金属的隧道效应。如果其中的Al进入超导态，就称为约瑟夫森结。1962年，剑桥大学的博士后约瑟夫森的计算表明，当绝缘层小于1.5～2×10-9m时，除了前面所述的正常电子的隧道电流外，还会约瑟夫森效应出现一种与库珀电子对相联系的隧道电流，而且库珀电子对穿越势垒后，仍保持其配对的形式。这种不同于单电子隧道效应的新现象，称为约瑟夫逊效应。Müller&BednorzHighTemperatureSuperconductors(1985)高温超导的发展0K:Allmotionceases100oC=373K0oC=273K-145oC=138K“High”TemperatureSuperconductors77KAir(Nitrogen)liquifies4KHeliumliquifiesKelvinTemperatureScale超导材料的发展C60：有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使C60超导体更有望实用化。C60被誉为21世纪新材料的”明星”，这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型C240、C540合成如能实现，还可能成为室温超导体新型超导体MgB2：二硼化镁（MgB2），其超导转变温度达39K。二硼化镁的发现为研究新一类具有简单组成和结构的高温超导体找到新途径。易合成和加工，容易制成薄膜或线材。可应用于电力传输、超级电子计算机器件以及CT扫描成像仪等方面。二硼化镁的发现使世界凝聚态物理学界为之兴奋。新型超导体日本和中国科学家相继报告发现了一类新的高温超导材料——铁基超导材料。美国《科学》杂志网站报道说，这是高温超导研究领域的一个重大进展。2月，日本科学家首先报告说，氟掺杂镧氧铁砷化合物在临界温度26开尔文(零下247.15摄氏度)时，即具有超导特性。3月25日，中国科学技术大学陈仙辉领导的科研小组又报告，氟掺杂钐氧铁砷化合物在临界温度43开尔文(零下230.15摄氏度)时也变成超导体。4月13日，中国科学院物理研究所赵忠贤领导的科研小组又有新发现：氟掺杂钐氧铁砷化合物假如在压力环境下产生作用，其超导临界温度可提升至55开尔文(零下218.15摄氏度)。此外，中科院物理所闻海虎领导的科研小组还报告，锶掺杂镧氧铁砷化合物的超导临界温度为25开尔文(零下248.15摄氏度)。新的铁基超导材料将激发物理学界新一轮的高温超导研究热。铁基超导材料新型超导体本征导电------晶格点阵上的离子定向运动（热缺陷的运动）。弗仑克尔缺陷为填隙离子---空位对。肖特基缺陷为阳离子空位---阴离子空位对。杂质导电------杂质离子的定向运动。填隙杂质或置换杂质（溶质）。离子类载流子导电离子导电的种类：热缺陷的运动产生和复合一方面，由于格点上的原子的热振动脱离格点，产生热缺陷；另一方面，由于相互作用，热缺陷消失。如：填隙原子运动到空位附近，最后落入到空