1、1第四篇材料的物理、化学性质第四篇材料的物理、化学性质第十章第十章 材料的电性质材料的电性质l固体材料中的电子能带结构固体材料中的电子能带结构l金属的电阻金属的电阻l半导体半导体l绝缘体绝缘体l超导体超导体主主要要内内容容2跨跨越越27个个数数量量级级固固体体材材料料u导电载流子：导电载流子：电子、空穴、正离子和负离子电子、空穴、正离子和负离子l欧姆定律欧姆定律电阻率（欧姆电阻率（欧姆.米）米）J 为电流密度；为电流密度；E为电场强度为电场强度电导率电导率, , S/m，（西门子，（西门子/米）米）载流子迁移率载流子迁移率：单位时间内沿电场方：单位时间内沿电场方向或相反方向迁移的距离，向或相反
2、方向迁移的距离，m2 / (V.s)，n载流子密度、载流子密度、e 载流子荷电量载流子荷电量10.1 概述概述 常用电导率的倒数常用电导率的倒数-电阻率电阻率来说明它与其它性质的关系。来说明它与其它性质的关系。= 1/，单位为，单位为m (欧欧姆姆米米)。3电导率取决于材料的电子能带结构电导率取决于材料的电子能带结构u退火铜退火铜Cu截面积截面积1mm2、长、长1m、20，电导率为，电导率为5.8107 S/m。uAl和和Ag相对电导率分别为相对电导率分别为61%和和106%。l工程上材料的电导率常以国际退火铜电导率的百分数表示，即工程上材料的电导率常以国际退火铜电导率的百分数表示，即相对电导
3、率相对电导率IACS(Intenational Annealed Copper Standard) 。 IACS= /Cu。典型金属是良导体，电导率为典型金属是良导体，电导率为105S/m，绝缘体的电导率非常低，为绝缘体的电导率非常低，为10-610-18S/m。电导率介于导体和绝缘体之间的材料为半导体，一般为电导率介于导体和绝缘体之间的材料为半导体，一般为10-6100S/m。4l电子受到邻近电电子受到邻近电子和原子核的作子和原子核的作用，使能级分裂用，使能级分裂u孤立原子的电子孤立原子的电子处于分立的能级上。处于分立的能级上。u一个能级分裂后，一个能级分裂后，密集能级的能量范围密集能级的能
4、量范围叫做叫做能带能带。u能级分裂从价电子开始，价电子能能级分裂从价电子开始，价电子能级分裂成的能带称为级分裂成的能带称为价带价带。是满带或。是满带或未被填满。未被填满。u与各原子的激发能级相应的能带在与各原子的激发能级相应的能带在未被激发的时没有电子填入，称为未被激发的时没有电子填入，称为空空带或导带。带或导带。10.2 固体材料中的电子能带结构固体材料中的电子能带结构5 1. 金属的电子能带结构金属的电子能带结构l在在0 K时，价带中被电子所占据的最高能级称为费密能级，费密能级以时，价带中被电子所占据的最高能级称为费密能级，费密能级以上都是空能级。上都是空能级。钠原子钠原子3s能级分裂为能
5、级分裂为N个能级，个能级，3s能带能带3s 能带一半充满能带一半充满，只需很小能量就可激发出自由电子，是，只需很小能量就可激发出自由电子，是良导体良导体。IA和和IB族单价原子（族单价原子（Li ，Na，K，Cu，Ag，Au等）都是良导体等）都是良导体3s能带还与能量较高的能带还与能量较高的3p空能带发生部分交叠空能带发生部分交叠全满全满3s与部分充满与部分充满3p 能带交叠。也是良导体能带交叠。也是良导体6过渡族金属未充满的过渡族金属未充满的d能带并与最外层的能带并与最外层的 s 能带交叠，也具有一定能带交叠，也具有一定的导电性。的导电性。7(a)激发前 (b)激发后l价电子被共价键或离子键
6、束缚在价电子被共价键或离子键束缚在键合原子上。键合原子上。l能量较低的价带与能量较高的导能量较低的价带与能量较高的导带在原子平衡间距处没有交叠带在原子平衡间距处没有交叠Eg = Ec -EvEg = Ec -EfEc，导带最低能量，导带最低能量Ev，价带最高能量，价带最高能量Ef为费密能量为费密能量l须有足够的能量（须有足够的能量（E Eg）激发它激发它绝缘体的禁带宽度为绝缘体的禁带宽度为 5 10 eV半导体的禁带宽度比较窄，为半导体的禁带宽度比较窄，为0.23 eV，单位体积内自由电子，单位体积内自由电子数为数为 10161019个个/m3。 2.绝缘体和半导体的电子能带结构绝缘体和半导体
7、的电子能带结构810.3 金属的电阻金属的电阻产生电流产生电流电子失去部分动能电子失去部分动能并改变运动方向并改变运动方向电子电子l晶体缺陷（热振动、杂质原子、晶体缺陷（热振动、杂质原子、空位、间隙原子和位错等）对电空位、间隙原子和位错等）对电子运动的散射，即子运动的散射，即电阻电阻。l散射作用与电场的加速作用相散射作用与电场的加速作用相抗衡，使电流迅速达到平衡值抗衡，使电流迅速达到平衡值11en e|e| =1.610-19Cl电子迁移率电子迁移率e ：描述散射作用的参数：描述散射作用的参数l电子散射几率越高，则迁移率越低，电阻率就越高。电子散射几率越高，则迁移率越低，电阻率就越高。9的影响
8、因素的影响因素-Matthiessen定律定律金属晶体缺陷的浓度与原子热振动（温度）、杂质和塑性形变量有金属晶体缺陷的浓度与原子热振动（温度）、杂质和塑性形变量有关。关。tid总（1）温度越高，）温度越高，就越高。就越高。纯铜和铜镍合金的纯铜和铜镍合金的-T关系曲线关系曲线各个因素对金属电阻率的影响规律：各个因素对金属电阻率的影响规律：201t 电阻率温度系数电阻率温度系数 T=(t-20)。20（2）杂质原子杂质原子改变了金属正常晶体结构，改变了金属正常晶体结构，引起对电子迁移的额外散射，引起对电子迁移的额外散射，使电阻率提使电阻率提高。高。（3）随）随塑性形变量塑性形变量的增加，位错增多，
9、的增加，位错增多，从而从而电阻率增高电阻率增高n电材料应用电材料应用:高压线：强度高且导电性好高压线：强度高且导电性好.钢丝增强铝。钢丝增强铝。炉内加热元件：高电阻率且耐高温氧化。炉内加热元件：高电阻率且耐高温氧化。铁铬铝合金铁铬铝合金1010.4 半导体半导体u元素本征半导体：元素本征半导体：Si和和Ge (IVA) ，禁带宽为，禁带宽为1.1 和和 0.7eV u化合物本征半导体：化合物本征半导体：IIIA和和VA族化合物，如族化合物，如GaAs和锑化铟和锑化铟（InSb）；）；II B和和VI A族化合物，如族化合物，如CdS和碲化锌（和碲化锌（ZnTe）ebn eeu本征半导体的电子与
10、空穴同时参与导电，电导率为本征半导体的电子与空穴同时参与导电，电导率为uebn，p分别为单位体积内的电子与空穴数；分别为单位体积内的电子与空穴数；由于由于n=p，ebben ep e1、 本征半导体本征半导体112、非本征半导体、非本征半导体l杂质在本征半导体中的固溶体，杂质浓度杂质在本征半导体中的固溶体，杂质浓度 (1001000)10-6。l n 型非本征半型非本征半导体导体:五价原子掺五价原子掺杂杂(如如 P,As,Sb等等)电子是多数载流子电子是多数载流子(简称简称多子多子),空穴是少空穴是少数载流子数载流子(简称简称少子少子);.n p施主施主l电子能带模型电子能带模型SiEg=1.
11、1evEg0.1 eV, 易被激发易被激发Sb P As0.04靠近导带靠近导带EcEdEaEv0.045B Al Ga0.0440.049 0.057 0.065施主施主能级能级12lp型非本征型非本征半导体半导体:在硅或在硅或锗中加入三价杂锗中加入三价杂质原子质原子(如如Al, B, Ga等等)l杂质原子称杂质原子称为为受主受主l空穴空穴为多数为多数载流子载流子l空穴可与邻近电子空穴可与邻近电子换位而移出来参与换位而移出来参与导电导电p型非本征半导体的电导率型非本征半导体的电导率:l掺杂方法：掺杂方法： 扩散掺杂法扩散掺杂法 离子注入法离子注入法13l每个三价杂质原子在本征半导体的禁带中引
12、进一个靠近其每个三价杂质原子在本征半导体的禁带中引进一个靠近其价带的能级，很容易接受从价带激发出来的电子，从而在价带的能级，很容易接受从价带激发出来的电子，从而在价带中留下一个空穴。价带中留下一个空穴。l电子能带模型电子能带模型SiEg=1.1evSb P As0.04EcEdEaEv0.045B Al Ga0.0440.049 0.057 0.065受主受主能级能级靠近价带靠近价带14u在在0K，本征半导体的价带是全部充满的，导带是完全空的。，本征半导体的价带是全部充满的，导带是完全空的。0K以上，价带中有一些电子被热激发到导带中去以上，价带中有一些电子被热激发到导带中去, 而产生导电而产生
13、导电的电子与空穴对：的电子与空穴对：本征半导体的电导率随温度的上升而提高本征半导体的电导率随温度的上升而提高。这与金属电导率对温度的依赖性正好相反。这与金属电导率对温度的依赖性正好相反。 3.半导体的电导率与温度的关系半导体的电导率与温度的关系本征半导体的电导率本征半导体的电导率与温度与温度T(K)之间的关系之间的关系:lEg禁带能量宽度愈大，禁带能量宽度愈大，电导率对温度变化愈敏感电导率对温度变化愈敏感图图10.14本征硅的电导本征硅的电导率与温度的关系率与温度的关系15 非本征半导体的电导率与温度的关系非本征半导体的电导率与温度的关系u在温度较低的非本征在温度较低的非本征区域，区域，ln随
14、随1/T线性地线性地减小，但斜率比减小，但斜率比-Eg/2k小得多小得多.l非本征半导体的电导率非本征半导体的电导率取决于单位体积内被激活取决于单位体积内被激活(离子化离子化)的杂质原子数。的杂质原子数。温度愈高，被激活的杂质温度愈高，被激活的杂质原子数愈多，从而参与导原子数愈多，从而参与导电的电子或空穴数就愈多，电的电子或空穴数就愈多，因而其电导率随温度的上因而其电导率随温度的上升而增加。升而增加。164. 半导体器件加工工艺半导体器件加工工艺 自自20世纪世纪60年代以来，半导体器件加工主要采用年代以来，半导体器件加工主要采用平面外延技术平面外延技术。(a)生产硅单晶棒生产硅单晶棒;(b)
15、切割晶棒为晶片切割晶棒为晶片;(c)加工器件用衬底晶片加工器件用衬底晶片;(d)晶片表面电路制作晶片表面电路制作;(e)完成电路制作的集成完成电路制作的集成电路晶片电路晶片;(f)电性能检测和晶片切电性能检测和晶片切割与分开割与分开;(g)芯片芯片;(h)装配装配;(i)封装芯片封装芯片;(J)产品准备出厂。产品准备出厂。工艺过程工艺过程:175.热电性热电性(Thermoelectricity) (1)热电势系数热电势系数(Thermoeleceric power)金属或半导体棒两端有温度差金属或半导体棒两端有温度差,电子电子离开热端而运动到冷端时离开热端而运动到冷端时,两端形成两端形成电场
16、电场, 电场作用下电子又向冷端运动电场作用下电子又向冷端运动;达到平衡时两端建立起电位差。达到平衡时两端建立起电位差。l材料形成温差电动势的能力通材料形成温差电动势的能力通常用热电动势系数常用热电动势系数S表征。表征。S：温差电动势系数：温差电动势系数图10.22热电势系数(a)金属和n型半导体;(b)p型半导体18(2)塞贝克效应塞贝克效应(T.J.Seebeck effect)热电性在工程中表现为三种热电效应热电性在工程中表现为三种热电效应: 塞贝克效应、珀耳帖塞贝克效应、珀耳帖( I.C.A Peltier)效应和汤姆逊效应和汤姆逊(W.Thomson)效应。效应。塞贝克效应塞贝克效应:
17、当两种不同材料当两种不同材料(导体或半导体导体或半导体)组成回路，且两接触组成回路，且两接触处温度不同时，则回路中存在电动势。其电动势大小与材料和温处温度不同时，则回路中存在电动势。其电动势大小与材料和温度有关。度有关。l在温差较小时在温差较小时,电动势与温差关系电动势与温差关系:S12称为材料称为材料1和材料和材料2间的相对塞贝克系数。间的相对塞贝克系数。l电动势有方向性，电动势有方向性，S12也有方向性。也有方向性。l在冷端在冷端(温度相对低的一端温度相对低的一端)电流由电流由1流向流向2时，时，S12为正为正, E12也为正。也为正。l相对塞贝克系数具有代数相加性，因此绝对塞贝克系级定义
18、为相对塞贝克系数具有代数相加性，因此绝对塞贝克系级定义为19绝对塞贝克系数就是材料的热电势系数绝对塞贝克系数就是材料的热电势系数(也称也称温差电动势系数温差电动势系数)。表表10.3主要半导体材料的温差电动势系数主要半导体材料的温差电动势系数20具有显著热电性的材料称为具有显著热电性的材料称为热电转换材料热电转换材料(简称热电材料简称热电材料)。l用热电偶测温是热电材料最早的应用。用热电偶测温是热电材料最早的应用。l金属材料研究中常利用材料的热电性测试分析组织结构的转变金属材料研究中常利用材料的热电性测试分析组织结构的转变;l利用塞贝克效应实现温差发电利用塞贝克效应实现温差发电;l利用泊耳帖效
19、应实现电致冷。利用泊耳帖效应实现电致冷。l美国在南极考察和月球探测工作中曾使用热电材料建立的热发电装置。美国在南极考察和月球探测工作中曾使用热电材料建立的热发电装置。 (3)热电转换材料及其应用热电转换材料及其应用l 评价热电材料的主要参数是它的热电灵敏值评价热电材料的主要参数是它的热电灵敏值Z-热电性优值热电性优值(a figure meriit):S为塞贝克系数为塞贝克系数.为电阻率，为电阻率，为热导率。为热导率。l为提高热电材料性能，必须提高塞贝克系数，降低电阻率和热导率为提高热电材料性能，必须提高塞贝克系数，降低电阻率和热导率。212210.5 绝缘体绝缘体 绝缘体作为材料使用可以分为
20、绝缘材料和介电材料两类。绝缘体作为材料使用可以分为绝缘材料和介电材料两类。主要性能指标有主要性能指标有体积电阻率、表面电阻率、介电常数、介电损耗和介体积电阻率、表面电阻率、介电常数、介电损耗和介电强度等。电强度等。1.体积电阻率和表面电阻率体积电阻率和表面电阻率 图图10.24 绝缘体材料电阻率测定装置示意图绝缘体材料电阻率测定装置示意图(a)体积电阻率测定装置体积电阻率测定装置;(b)用平行电极测定表面电阻率的装置用平行电极测定表面电阻率的装置; (c)用环电极测定表面电阻率的装置用环电极测定表面电阻率的装置l在直流电压在直流电压V的作用下，测定流过试样体积内的电流的作用下，测定流过试样体积
21、内的电流Iv，得到体积，得到体积电阻电阻Rv，即，即l体积电阻率体积电阻率v为为:电绝缘性的主要指标电绝缘性的主要指标23l试样的表面电阻试样的表面电阻Rs:u环电极试样的表面电阻率环电极试样的表面电阻率s为为D2为环电极的内径，D1为芯电极的外径。l表面电阻率表面电阻率s:l电绝缘材料电绝缘材料: 较宽的禁带，难以被激发进入导带，较宽的禁带，难以被激发进入导带，很低。如很低。如高压绝缘电瓶所用的氧化铝陶瓷高压绝缘电瓶所用的氧化铝陶瓷l 绝大多数陶瓷材料和高聚物材料都属于绝缘体。绝大多数陶瓷材料和高聚物材料都属于绝缘体。24l在实际高聚物的合成与加工中总不免会残留或引进一些小分子杂质在实际高聚
22、物的合成与加工中总不免会残留或引进一些小分子杂质在电场作用下电离在电场作用下电离增加了高聚物材料中的载流子，而降低了高聚物的增加了高聚物材料中的载流子，而降低了高聚物的电阻率。电阻率。l水对高聚物和陶瓷材料的绝缘性影响很大，特别是当材料呈多孔状或水对高聚物和陶瓷材料的绝缘性影响很大，特别是当材料呈多孔状或有极性时，在潮湿空气中会因吸水而使它的电阻率，特别是表面电阻率有极性时，在潮湿空气中会因吸水而使它的电阻率，特别是表面电阻率大幅度下降。大幅度下降。252.介电性介电性l绝缘体在有限电场作用下几乎没有自由电荷迁移绝缘体在有限电场作用下几乎没有自由电荷迁移-介电性，绝缘体介电性，绝缘体也称电介质
23、。也称电介质。l介电性的一个重要标志是材料能够产生极化现象。介电性的一个重要标志是材料能够产生极化现象。l属于介电性的有电致伸缩性、压电性和铁电性。属于介电性的有电致伸缩性、压电性和铁电性。u外电场作用下，分子中电荷分布发生的变化称为极化，包括电子极化、外电场作用下，分子中电荷分布发生的变化称为极化，包括电子极化、原子原子(离子离子)极化和取向极化。极化和取向极化。电子极化：外电场作用下每个原子中价电子云相对于原子核的位移电子极化：外电场作用下每个原子中价电子云相对于原子核的位移.原子极化：外电场引起的原子核之间的相对位移。原子极化：外电场引起的原子核之间的相对位移。 (1)分子的极化分子的极
24、化26电子极化、原子极化又称为变形极化或诱导极化，引起的偶极矩称电子极化、原子极化又称为变形极化或诱导极化，引起的偶极矩称诱导偶极矩诱导偶极矩。l诱导偶极矩诱导偶极矩的大小与电场强度的大小与电场强度E成正比成正比:d称为称为变形极化率变形极化率，等于电子极化率，等于电子极化率e和原子极化率和原子极化率a之和之和:l当具有永久偶极矩的分子被置于外电场中时，除诱导极化外还能当具有永久偶极矩的分子被置于外电场中时，除诱导极化外还能发生取向极化，即偶极子沿电场方向择优排列。发生取向极化，即偶极子沿电场方向择优排列。l偶极子的取向与温度有关。偶极子的取向与温度有关。27l不很高的静电场不很高的静电场中取
25、向极化产生的中取向极化产生的偶极矩偶极矩0称为取向极化率称为取向极化率k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数l极性分子产生的偶极矩是诱导偶极矩和取向偶极矩之和：极性分子产生的偶极矩是诱导偶极矩和取向偶极矩之和：陶瓷类电介质，极化机制还有空间电荷极化机制陶瓷类电介质，极化机制还有空间电荷极化机制.l分子的极化过程是弛豫过程。分子的极化过程是弛豫过程。l电子极化、原子极化和取向极化的弛豫时间电子极化、原子极化和取向极化的弛豫时间te，ta和和t0分别为分别为10-9S.极性分子的极化率极性分子的极化率28(2)介电常数介电常数电场作用下发生极化电场作用下发生极化产生反向电场产生反向电场只有电介质表面只有电
26、介质表面保留有束缚电荷保留有束缚电荷真空电容器极板极板间距间距l介质电容器表面电荷密度表面电荷密度真空介电系数，真空介电系数，8.8510-12F/m(b) 介质电容器介质电容器(a) 真空电容器真空电容器电介质的介电系数电介质的介电系数极化极化强度强度相对介电常数相对介电常数:极化宏观量度极化宏观量度29f f10101010Hz Hz 介电常数仅是介电常数仅是电子极化和原子极化的电子极化和原子极化的贡献。贡献。f f10108 8HzHz，介电常数，介电常数= =静静电场中的介电常数，基电场中的介电常数，基本不随频率变化。本不随频率变化。当当f f10108 8HzHz，取向极化逐渐跟不上
27、电场变化，取向极化逐渐跟不上电场变化，介电常数随频率提高发生明显跌落。介电常数随频率提高发生明显跌落。反常色散区反常色散区l介电常数和介电损耗随交变电场频率的变化介电常数和介电损耗随交变电场频率的变化介电系数与电场频率和温度的关系介电系数与电场频率和温度的关系30取向极化取向极化的松弛时的松弛时间缩短间缩短分子沿电分子沿电场方向取场方向取向极化趋向极化趋势减小势减小l交变电场作用下交变电场作用下 介电常数随温度的变化介电常数随温度的变化在温度较低时，介电常数随温度的在温度较低时，介电常数随温度的提高而增大提高而增大; ;温度较高时，介电常数温度较高时，介电常数又随温度的提高而减小。又随温度的提
28、高而减小。l热对取向极化有两方面的作用：热对取向极化有两方面的作用：（1）分子运动缩短取向极化的松弛）分子运动缩短取向极化的松弛时间，有利于取向极化跟上电场的变化使介电系数增大；较低时间，有利于取向极化跟上电场的变化使介电系数增大；较低温度时起主导作用；温度时起主导作用；（2）热有对抗分子沿电场方向取向极化的趋势，使介电系）热有对抗分子沿电场方向取向极化的趋势，使介电系数减小。较高温度时起主导作用。数减小。较高温度时起主导作用。31(3) (3) 介电损耗介电损耗介质电容器受交变电场作用时，偶极子取向需要克服分子间的摩擦介质电容器受交变电场作用时，偶极子取向需要克服分子间的摩擦力等，每一周期获
29、得的电场能量必定有一部分以热的形式损耗掉，力等，每一周期获得的电场能量必定有一部分以热的形式损耗掉，即发生电能的损耗。即发生电能的损耗。理想电容器理想电容器电能电能充电充电放电放电能量不损耗能量不损耗介质电容器介质电容器 将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介电损耗。将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介电损耗。 u如果以复数形式表示交变电场强度如果以复数形式表示交变电场强度E*=Eoe i t (10.39) E0为交变电场强度振幅;为角频率取向极化落后于电场变化，表面电荷密度变化落后电场变化一个取向极化落后于电场变化，表面电荷密度变化落后电场变化一个相位角相位角D*=Doei(
30、 t- )32介电常数介电常数:*= - i 实部与每一周期储存的最大电能有关 虚部与每一周期热损耗的电能有关l反常色散区，偶极取向需克服较大内摩擦力，跟不上电场的变化，电能损耗最多l介电损耗还与电场频率有关33(4)介电强度及电介质应用介电强度及电介质应用l电场强度足够高时，电介质变成导体，造成局部熔化、烧焦和挥电场强度足够高时，电介质变成导体，造成局部熔化、烧焦和挥发等，称为发等，称为介电击穿介电击穿。此电场强度称为此电场强度称为击穿强度击穿强度，V/mm。l在弱电场作用下，电介质的电阻率在一定的温度下是常数，与电场在弱电场作用下，电介质的电阻率在一定的温度下是常数，与电场强度无关。当电场
31、强度较高时，较多的价带电子被激发进入导带，电强度无关。当电场强度较高时，较多的价带电子被激发进入导带，电介质的电阻率随电场强度增加而减小。介质的电阻率随电场强度增加而减小。l要求介电常数大、介电损耗小和介电强度高，l许多陶瓷材料和高聚物材料都是良好的电容器介质材料。(表10. 6)电介质材料的应用电介质材料的应用l要求材料的介电系数和介电损耗都很小。l由非极性高聚物制成的泡沫和蜂窝材料以及熔融石英陶瓷材料。（2）雷达天线罩的透波材料）雷达天线罩的透波材料（1）电容器介质材料：）电容器介质材料：34l陶瓷电介质有良好的力学性能和尺寸稳定性，可以在较高温度下使用。陶瓷电介质有良好的力学性能和尺寸稳
32、定性，可以在较高温度下使用。l高聚物电介质容易加工成薄膜，小型和超小型薄膜电容器中特别有用。高聚物电介质容易加工成薄膜，小型和超小型薄膜电容器中特别有用。35(5)压电性和铁电性压电性和铁电性l压电材料在压力作用下产生一压电材料在压力作用下产生一定的电位差定的电位差, 即力作用下因发生即力作用下因发生极化而产生电场。极化而产生电场。 图10.31 压电效应示意图 如含钡和铅的钛酸盐和锆酸盐等。广泛用于压电传感器，如扩如含钡和铅的钛酸盐和锆酸盐等。广泛用于压电传感器，如扩音器、超声波发生仪。音器、超声波发生仪。l力的作用方向相反时，产生力的作用方向相反时，产生的电场方向也相反。的电场方向也相反。
33、l压电材料（压电陶瓷），在压电材料（压电陶瓷），在晶体结构上都没有对称中心。晶体结构上都没有对称中心。l具有压电性的材料称为压电体。具有压电性的材料称为压电体。可以是单晶体、多晶体、聚合物（如聚偏氟乙烯）或复合材料。可以是单晶体、多晶体、聚合物（如聚偏氟乙烯）或复合材料。压电性压电性36l有一类陶瓷离子晶体材料，即使在无外电场的作用下也能表有一类陶瓷离子晶体材料，即使在无外电场的作用下也能表现出很强的电偶极矩，这些电偶极矩在反向电场作用下可以重现出很强的电偶极矩，这些电偶极矩在反向电场作用下可以重新取向，从而得到极化强度与电场强度的关系曲线新取向，从而得到极化强度与电场强度的关系曲线(如图如图
34、10.32所示所示) 。这类晶体被称为铁电体。这类晶体被称为铁电体。l材料的铁电性起源于晶胞中的永久偶极矩。材料的铁电性起源于晶胞中的永久偶极矩。 铁电性铁电性 畴的偶极矩是其中各晶畴的偶极矩是其中各晶胞偶极矩的总和。胞偶极矩的总和。居里温度居里温度电畴电畴l铁电材料具有很高的介电常数，铁电材料具有很高的介电常数，用于制造电容器，体积可很小。用于制造电容器，体积可很小。l另外还可以利用铁电性和反铁电另外还可以利用铁电性和反铁电性的相互转变制造高压大功率储能性的相互转变制造高压大功率储能元件。元件。3710.6 超导体超导体图10.34 普通金属材料和超导材料的电阻-温度曲线示意图l超导体电阻变
35、为零超导体电阻变为零(R10-26)的温度称为临界温度的温度称为临界温度Tc。l1911年荷兰年荷兰Onnes首先发现汞的首先发现汞的超导性，超导性，1913年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。1. 超导材料的发展超导材料的发展平均每年增长平均每年增长0.5 K我国赵忠贤等我国赵忠贤等瑞士瑞士Bednorz和和Muller38l高高TC超导体四个研究方面：超导体四个研究方面：(1)更高的更高的TC体系的探索体系的探索; (2)高高TC超导机制研究超导机制研究; (3)高高TC超导体物理性超导体物理性能的测定和研究能的测定和研究; (4)高高TC超导体材料的制备与成材加工工艺研究。超导体材料的制
36、备与成材加工工艺研究。2. 超导体的宏观性质超导体的宏观性质(1) 零电阻及其临界转变温度零电阻及其临界转变温度TC超导体环路内感生一电流，电流的降低程度可表示为超导体环路内感生一电流，电流的降低程度可表示为R为环路电阻值，为环路电阻值，L为环路自感为环路自感, I0为观察时间内感生的电流。为观察时间内感生的电流。l若若R10-26/m，则视为，则视为零电阻零电阻。l物质由正常导电态转变为超导态的温度为物质由正常导电态转变为超导态的温度为临界转变温度临界转变温度。(2)完全抗磁性和临界磁场强度完全抗磁性和临界磁场强度完全抗磁性完全抗磁性：超导体处于外界磁场中时，能够排斥外磁场，使磁力线无：超导
37、体处于外界磁场中时，能够排斥外磁场，使磁力线无法穿透，超导体内的磁通为零法穿透，超导体内的磁通为零-迈斯纳效应迈斯纳效应(Meissner effect)，即，即超导体超导体的完全抗磁性。的完全抗磁性。39n1933年迈斯纳发现，进入超导状年迈斯纳发现，进入超导状态，超导体内的磁通量将全部被排态，超导体内的磁通量将全部被排出体外，表面形成屏蔽电流，磁感出体外，表面形成屏蔽电流，磁感应强度恒为零。应强度恒为零。n若磁场强度增加，屏蔽电流密度若磁场强度增加，屏蔽电流密度也会增加。也会增加。nT锡的锡的Tc,磁铁的磁力磁铁的磁力线不能穿过超导体线不能穿过超导体, 在在锡盘表面产生感应电流锡盘表面产生
38、感应电流, 其磁场与磁铁形成排斥其磁场与磁铁形成排斥力力, 小磁铁会离开锡盘小磁铁会离开锡盘飘然升起。飘然升起。40超导态的临界参数超导态的临界参数JC 电流密度超导区域HC磁场强度TC 温度（1）临界温度（）临界温度（TC）-超导体必须冷却至超导体必须冷却至TC以下。以下。（2）临界电流密度（）临界电流密度（JC）-通过超导体的电流密度必须小于通过超导体的电流密度必须小于JC。（3）临界磁场（）临界磁场（HC）-施加给超导体的磁场必须小于施加给超导体的磁场必须小于HC 。41超导体的应用超导体的应用l液氮冷却的超导体液氮冷却的超导体Nb - Ti系和系和Nb3Sn已开发到中等工业规模。已开发
39、到中等工业规模。医用核磁共振成像系统；医用核磁共振成像系统；实验物理用粒子加速器；实验物理用粒子加速器；电站发电机；电站发电机；磁悬浮列车；磁悬浮列车；lNb3Al 超导线圈超导线圈,其磁场其磁场强度为强度为22. 5 特斯拉。过去特斯拉。过去Nb3Sn 的的21. 7 特斯拉特斯拉l铁路的底部线圈里产生感应电流，与列车上的超导磁体极性总铁路的底部线圈里产生感应电流，与列车上的超导磁体极性总是保持相同，产生排斥力，使列车悬浮起来。是保持相同，产生排斥力，使列车悬浮起来。42SUMMARYl金属电阻率的影响因素金属电阻率的影响因素-Matthiessen定律定律l导体，半导体，绝缘体和超导体特性和应用导体，半导体，绝缘体和超导体特性和应用l电场作用下的分子极化现象电场作用下的分子极化现象l电子能带结构模型（解释电子能带结构模型（解释Na, Mg, Al是良导体）是良导体）l材料电性能的基本概念和参数材料电性能的基本概念和参数
