材料电学性能unit2-浙江大学材料物理性能笔记

2.1.固体电子理论1.经典自由电子学说自由电子在晶体中的行为如同气体，故又称电子气体困难：1）实测的电子对热容的贡献比经典自由电子学说估计值小得多2）实际测量的电子平均自由程比经典理论估计值大许多3）绝缘体、半导体、金属导体导电性为何存在巨大差异2.量子自由电子学说电子的能量是不连续的，而是存在一准连续的能级量子自由电子学说尚无法解释为何绝缘体、半导体、金属的导电性能存在巨大差异量子自由电子学说的局限是忽略了周期势场的影响态密度物理意义：单位能量范围内所能容纳的电子数费米能表示0K时基态系统电子所占有的最高能级的能量,可以认为费米能不随温度变化3.有了能带概念，就可以说明金属和绝缘体的区别，并且由能带理论预言了介于两者之间的半导体的存在单电子近似:假定固体中的原子核不动，并设想每个电子是在固定的原子核的势场中及其它电子的平均势场中运动，这样就把问题简化成单电子问题，这种方法称为单电子近似能带论:用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论紧束缚近似:如果用相反的思维过程，即先考虑电子完全被原子核束缚，然后再考虑近似束缚的电子，也可以得到能带概念，这种方法称为紧束缚近似原子基态价电子能级分裂而成的能带称为价带，相应于价带以上的能带（即第一激发态）称为导带金属:热能（T0K）或电场所产生的能量足以将大量电子激发成为自由电子绝缘体与半导体:半导体与绝缘体的能带结构相同，差别仅在于禁带的宽度价带顶部并无空能级，要产生自由电子和电子空穴必须使电子跨越禁带以进入导带，所需能量较大。一般地，激发能量由热或光提供，而非由电场提供非晶态：扩展态：电子可在整个晶体中运动的电子态定域化定域态的能量被局限在一个范围内迁移率边：扩展态和定域态之间有一个能量的分界2.2.材料电导性能电导率：σ=nze（v/E）n为单位体积电粒子数目μ=v/E迁移率μ（单位电场作用下带电粒子漂移速度）σ=nzeμ散射越弱，τ(松弛时间)越大，迁移率也就越高晶格散射：晶格振动引起的散射。温度↑，晶格振动↑，晶格散射↑对于低掺杂半导体：μ随T升高而大幅度下降电离杂质散射：电离杂质产生的正负电中心对载流子的吸引或排斥作用产生的散射。温度↑，载流子运动速度↑，所受吸引和排斥作用的影响↓，散射作用↓对于高掺杂：μ随T升高变化小本征半导体：载流子只由半导体晶格本身提供，即电性由纯物质本身电子结构决定本征电导：导带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存在的电导现象特征：本征电导的载流子电子和空穴的浓度是相等的，载流子是由热激发产生的，载流子浓度与温度成指数关系n=Nexp[-Eg/(2kT)]N为等效状态密度可见，对于本征半导体，载流子浓度随禁带宽度的增加而快速减小，随温度增大而快速增加“多余”的电子所处杂质能级称为施主能级,掺入施主杂质的半导体称为n型半导体空穴所处杂质能级称为受主能级，掺入受主杂质的半导体称为p型半导体杂质半导体的载流子浓度与温度的关系也符合指数规律本征电导率：σ=σ0exp[-Eg/(2kT)]低温时，本征项起主要作用高温时，杂质项起主要作用离子导电：离子电导的微观机制为离子的扩散影响因素：1）温度2）晶体结构：Tm/结构紧密↑，晶体结合力↑，活化能↑，电导率↓3）晶格缺陷：热激活缺陷不等价固溶缺陷非化学计量比缺陷在含有碱金属离子的玻璃中，基本上表现为离子电导双碱效应：是指当玻璃中碱金属离子总浓度较大时（占玻璃组成25～30%），在碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。当两种碱金属浓度比例适当时，电导率可以降到很低压碱效应：是指含碱玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低。相应的阳离子半径越大，这种效应越强电子波的散射是金属中存在电阻的根本原因导致散射原因：晶格振动，晶体缺陷在一定的低温条件下材料突然失去电阻的现象称为超导电性超导体两特性完全导电性完全抗磁性超导转变温度Tc：低于Tc时，超导体便出现完全导电和迈斯纳效应等基本特三个性能指标临界磁场Bc：磁场高于Bc，磁力线穿入超导体，超导体被破坏，成为正常态临界电流密度Jc：Jc为保持超导状态的最大输入电流，输入电流密度JC所产生的磁场与外磁场之和超过BC，超导态遭到破坏2.3.材料介电性能电介质(或介电质)：电场作用下，能建立极化的一切物质（电绝缘物质）电介质的极化：电介质在电场作用下产生感应电荷的现象C=Sε/dεr大小反映了电介质极化的能力ε为介电常数极化：介质内质点(原子、分子、离子)正负电荷中心的分离，转变成偶极子的现象极化的基本特征是介质内部感应出电偶极矩，介质表面出现宏观束缚电荷电子位移极化极化的种类有离子位移极化固有电偶极子转向极化D=εE=ε0E+PP=ε0χeEχe=εr-1为介电磁化率极化的基本形式可分为两种：位移式极化：是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量，电子位移极化、离子位移极化属这种情况松弛式极化：极化与热运动有关，完成这种极化需要一定的时间，而且是非弹性的，因而要消耗一定的能量，电子松弛极化、离子松弛极化属这种类型1)电子位移极化：在外电场作用下，原子或离子外围的电子云相对于正电荷原子核发生位移形成的极化叫电子位移极化。一切电介质中都存在，T↑εr↓表现为负温度系数2)离子位移极化：由离子构成的电介质，在电场作用下，正负离子发生相对位移，产生感应电偶极矩，即为离子位移极化T↑εr↑，表现为正温度系数3)材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱而无电偶极矩，在电场作用下，质点沿电场方向做不均匀分布而在一定的温度下形成电偶极矩，使介质发生极化。这种极化具有统计性质，叫做热松弛极化离子参加极化的几率远大于参加电导的几率离子松弛极化率比电子位移极化率和离子位移极化率大一个数量级，因而导致较大的介电常数频率很高时，离子松弛极化来不及建立，只存在电子和离子位移极化。因而介电常数随频率升高明显下降外加电场力图使弱束缚电子的转移运动具有方向性，这就形成了极化状态。这种极化与热运动有关，也是一个热松弛过程，所以叫电子松弛极化。电子松弛极化的过程是不可逆的，必然有能量的损耗弱束缚电子和自由电子也不同：不能自由运动，即不能远程迁移4)转向极化主要发生在极性分子介质中，具有恒定偶极矩p0的分子称为极性分子当极性分子受到外电场作用时，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致，介质整体出现宏观偶极矩，这种极化现象称为偶极子转向极化转向极化一般需要较长时间，介电常数具有负温度系数5)在电场作用下，不均匀介质内部的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起介质内各点离子密度变化，即出现电偶极矩，这种极化叫做空间电荷极化空间电荷极化随温度升高而下降。空间电荷的建立需要较长的时间6)自发极化：每个晶胞里存在固有电偶极矩的晶体称为极性晶体电介质损耗：Q越大，损耗越小介质损耗的微观机理:1）电导（漏导）损耗电场频率w很小时，所有极化都能建立，ε最大2）极化损耗w升高时，松弛极化减弱，ε会减弱w很高时，ε趋于平衡3）共振吸收损耗当电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态，这种现象称介电强度的破坏，或叫介质的击穿，相应的临界电场强度称为介电强度，或称为击穿电场强度电击穿：少数电导的电子在被加速，碰撞打出电子，或者说激发了价带中的击穿类型电子到导带上去了。形成雪崩，产生电击穿热击穿局部放电击穿2.4.材料铁电性能机械作用使某些电介质晶体变形而发生极化，并导致介质两端表面出现符号相反的束缚电荷为压电效应温度的变化也可使某些晶体产生极化，在其表面上产生数量相等符号相反的电荷为热释电效应铁电体：在一定温度范围内具有自发极化性质，并且自发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体铁电性：铁电体所具有的自发极化性质铁电晶体一定是极性晶体，但并非所有的极性晶体都具有这种自发极化可随外电场转动的性质铁电晶体可分为：有序－无序型铁电体和位移型铁电体自发极化包括两部分：1）直接由离子位移而产生，约占总极化的39％2）由离子的电子云的形变而产生出现自发极化的必要条件是：晶体结构不具有对称中心不具有对称中心的晶体并非都有自发极化效应。如CaTiO3但在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向都相同，这个小区域称为铁电畴，两畴之间的界壁称为畴壁铁电畴在外电场作用下，总是要趋向于与外电场方向一致，这形象地称作电畴的“转向”人工极化：铁电畴在外电场作用下的“转向”，使得铁电材料具有宏观极化强度的工艺过程剩余极化：当外加电场撤去后，有小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，大部分电畴则停留在新转向的极化方向上，使材料仍具有宏观剩余极化强度PS：饱和极化强度或自发极化强度；Pr：剩余极化强度；EC：矫顽电场强度还有一类物体在转变温度以下，邻近的晶胞彼此沿反平行方向自发极化，这类晶体叫反铁电体当温度高于某一临界温度Tc，自发极化消失，我们称这一过程为铁电相到顺电相的转变，一般伴随结构相变。这一临界温度Tc叫居里点或居里温度这些能使居里温度改变的添加剂叫移峰剂铁电体的极化强度和外加电压的关系是非线性的，即其介电常数不是一个常数，随外电场的增大而增大铁电体的优点：介电常数可以很大