1,第五章電子的輸運(yùn)性質(zhì),絕緣體(10-8一10-20-1cm-1)、材料半導(dǎo)體(105一l0-7-1cm-1)導(dǎo)體(106一108-1cm-1)金屬鍵結(jié)合的導(dǎo)體，其電導(dǎo)率隨溫度的升高而減小。離子鍵、共價(jià)鍵組成的混合鍵結(jié)合的材料，其電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。一些離子晶體導(dǎo)電率和液體電介質(zhì)相當(dāng)，被稱作快離子導(dǎo)體。,2,5.1能帶理論,“自由電子”理論：金屬原子半徑較大，價(jià)電子較少部分電子脫落，成“自由電子”自由電子與陽(yáng)離子互相吸引所有金屬原子、陽(yáng)離子膠合為“晶體”。“自由電子”理論解釋了金屬的物理性質(zhì)，如光澤、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延伸性，都與“自由電子”有關(guān)；但不能解釋導(dǎo)電的差異性以及導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別等。,3,單一原子中1.電子的能量是分立的能級(jí);,2.電子的運(yùn)動(dòng)有隧道效應(yīng)。,原子的外層電子(高能級(jí))，勢(shì)壘穿透概率較大，電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng),稱為共有化電子。,原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊,一般不是共有化電子。,4,晶體的能帶,晶體具有大量分子、原子或離子有規(guī)則排列的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。,。,晶體中的勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的能態(tài)有影響，電子受到周期性勢(shì)場(chǎng)的作用。晶體中電子的能態(tài)不是分立的能級(jí)，而是連續(xù)的能帶,5,一、原子、分子、晶體的能譜,原子之間作用越強(qiáng)，能級(jí)分裂越大，能級(jí)越高，能級(jí)分裂越大,6,二.能帶中電子的排布,晶體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中的某一能級(jí)上。,排布原則：,1.服從泡里不相容原理（費(fèi)米子）,2.服從能量最小原理,設(shè)孤立原子的一個(gè)能級(jí)Enl，它最多能容納2(2+1)個(gè)電子。,這一能級(jí)分裂成由N條能級(jí)組成的能帶后，能帶最多能容納2N(2l+1)個(gè)電子。,7,電子排布時(shí)，應(yīng)從最低的能級(jí)排起。,有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個(gè)名詞：,1滿帶（排滿電子）,2價(jià)帶（能帶中一部分能級(jí)排滿電子）亦稱導(dǎo)帶,3空帶（未排電子）亦稱導(dǎo)帶,4禁帶（不能排電子）,2、3能帶，最多容納6N個(gè)電子。,例如，1、2能帶，最多容納2N個(gè)電子。,2N(2l+1),8,在允許取的E值（暫且稱為能級(jí)）之間，有一些不允許取的E值（暫且稱為能隙）。,9,孤立原子的最外層電子能級(jí)可能填滿了電子也可能未填滿了電子。在形成固體時(shí)，其相應(yīng)的能帶也填滿了電子或未填滿電子。,若孤立原子中較高的電子能級(jí)上沒(méi)有電子，在形成固體時(shí)，其相應(yīng)的能帶上也沒(méi)有電子。,孤立原子的內(nèi)層電子能級(jí)一般都是填滿的，在形成固體時(shí)，其相應(yīng)的能帶也填滿了電子。,10,5.2導(dǎo)體和絕緣體,它們的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。,晶體按導(dǎo)電性能的高低可以分為,11,導(dǎo)體,導(dǎo)體,導(dǎo)體,半導(dǎo)體,絕緣體,Eg,Eg,Eg,12,在外電場(chǎng)的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。,從能帶圖上來(lái)看，是因?yàn)槠涔灿谢娮雍芤讖牡湍芗?jí)躍遷到高能級(jí)上去。,E,導(dǎo)體,13,從能級(jí)圖上來(lái)看，是因?yàn)闈M帶與空帶之間有一個(gè)較寬的禁帶（Eg約36eV），共有化電子很難從低能級(jí)（滿帶）躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。,在外電場(chǎng)的作用下，共有化電子很難接受外電場(chǎng)的能量，所以形不成電流。,能帶結(jié)構(gòu)，滿帶與空帶之間也有禁帶，但是禁帶很窄（Eg約0.12eV)。,絕緣體,半導(dǎo)體,14,絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿,當(dāng)外電場(chǎng)非常強(qiáng)時(shí)，它們的共有化電子還是能越過(guò)禁帶躍遷到上面的空帶中。,絕緣體,半導(dǎo)體,導(dǎo)體,15,5.3半導(dǎo)體,半導(dǎo)體中能量最高的滿帶又叫做價(jià)帶，能量最低的空帶又叫做導(dǎo)帶，按材料成分不同，半導(dǎo)體材料可以分成單元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。,16,1.單質(zhì)半導(dǎo)體,單質(zhì)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)都是金剛石型結(jié)構(gòu)。隨原子序數(shù)的增加，金剛石SiGeSn，共價(jià)鍵成分逐漸減弱，禁帶寬度下降，同時(shí)金屬鍵的成分增加，Si、Ge、Sn是帶有不同程度金屬鍵成分的共價(jià)鍵晶體。,17,IIIAvA族，GaAs、InSb、GaP、InAs、GaSb；B一A族，CdS、ZnS等。這些化合物為閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，GaAs組成fcc點(diǎn)陣基元由一個(gè)Ga原子和一個(gè)As原子組成，每個(gè)原子被4個(gè)異種原子包圍，其鍵合特征仍以共價(jià)鍵為主。化合物半導(dǎo)體電子沿鍵軸分布不對(duì)稱，構(gòu)成極性鍵，使GaAs既有共價(jià)鍵的成分，又有離子鍵的成分。,2.化合物半導(dǎo)體,18,純?cè)匕雽?dǎo)體的電學(xué)性能由元素本身的電子結(jié)構(gòu)所決定，叫做本征半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電學(xué)性能是結(jié)構(gòu)敏感的性能，材料中極微量雜質(zhì)就會(huì)引起電學(xué)性能的改變。在純?cè)匕雽?dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)元素，取代晶格中的部分原子，就可改變晶體的能帶結(jié)構(gòu)，從而在本征半導(dǎo)體的禁帶中出現(xiàn)與雜質(zhì)元素有關(guān)的能級(jí)，形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。按摻雜元素的價(jià)電子數(shù)，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分成N型和P型兩類。,19,20,21,3.非晶半導(dǎo)體,非晶半導(dǎo)體短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序。原子相對(duì)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生兩種情形：鍵長(zhǎng)和鍵角相對(duì)于晶態(tài)有適當(dāng)偏離，非晶態(tài)材料中少量共價(jià)鍵被破壞，成為懸鍵。光照使非晶硅結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，懸鍵數(shù)目增加。雜質(zhì)對(duì)非晶半導(dǎo)體的電導(dǎo)率影響不明顯。,22,5.4磁阻效應(yīng),1.材料的磁性材料的磁性來(lái)源于電子與磁場(chǎng)的相互作用及電子間的相互作用。,材料的抗磁性：外加磁場(chǎng)的作用下，材料內(nèi)部電子發(fā)生重新取向，保持內(nèi)磁場(chǎng)不變。抗磁性材料的磁化率為負(fù)。,23,磁性原子：具有奇數(shù)電子的原子有合成磁矩。,磁原子聚集體中各原子磁矩排列方式的不同分：順磁性：所受磁力的方向順著磁場(chǎng)增強(qiáng)的方向。如：Na、Al、Mg,24,鐵磁性：晶格中所有元磁體的自旋自發(fā)地平行排列。Fe、Co、Ni反鐵磁性：相鄰磁矩反向平行，在無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，無(wú)凈磁矩。MnO、FeS亞鐵磁性：相鄰磁矩反向平行，在無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，存在凈磁矩。Fe3O4,25,2、磁性材料,磁性材料要求其磁性能夠保持在一定范圍內(nèi)，磁性過(guò)低磁記錄信號(hào)易受外界干擾，記錄密度也難以提高；磁性過(guò)高時(shí)，記錄介質(zhì)將難以為磁頭所磁化或難以將記錄信號(hào)抹掉。按磁性遞增的順序，磁性材料可以分為軟磁材料、磁記憶材料、半硬磁材料、磁記錄介質(zhì)和硬磁材料。,26,B的變化落后于H，從而具有剩磁，即磁滯效應(yīng),每個(gè)對(duì)應(yīng)不同的與磁化的過(guò)程有關(guān)。,起始磁化曲線；,剩磁,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,矯頑力,磁滯回線-不可逆過(guò)程,在交變電流的勵(lì)磁下反復(fù)磁化使其溫度升高的磁滯損耗與磁滯回線所包圍的面積成正比。,鐵磁體在交變場(chǎng)的作用下，它的形狀會(huì)隨之變化，稱為磁致伸縮（10-5數(shù)量級(jí)）它可用做換能器，在超聲及檢測(cè)技術(shù)中大有作為。,27,(1)軟磁材料,軟磁材料用于制造包括變壓器和繼電器磁芯、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和定子等磁導(dǎo)體元件的磁性材料。主要特性是有較高磁導(dǎo)率、較高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、較小矯頑力(約1Am)和較低磁滯損耗；在外加磁場(chǎng)作用下易磁化，外加磁場(chǎng)消失后又容易退磁。常見(jiàn)軟效磁材料：工業(yè)純鐵、鐵一硅合金、鐵一鎳合金、立方鐵氧體等。,28,(2)硬磁材料,制造永久磁鐵的磁性材料，又稱永磁材料。主要特性是有較大的矯頑力(105一106Am)和較大剩磁，難以被磁化，一旦被磁化后又難以退磁。硬磁材料主要應(yīng)用于各類電表和電話、錄音機(jī)、電視機(jī)以及磁性分料器和選礦器等。大多數(shù)永久磁鐵都是鐵磁體，含有鎢和鉻的鋼廣泛作硬磁材料。鐵鎳鋁鈷合金和用粉末冶金方法制成的單疇磁體也是常見(jiàn)的硬磁材料。,29,(3)磁頭材料和磁記錄介質(zhì)材料,磁記錄具有記錄密度大、存儲(chǔ)容量大、工藝成熟、成本低、可重復(fù)使用103一l05次、可多通道記錄等優(yōu)點(diǎn)，磁記錄技術(shù)中涉及的材料主要包括磁頭材料和磁記錄介質(zhì)材料。,30,（1）磁頭材料,磁頭材料屬于軟磁性材料，除有軟磁材料的一般特性外，還應(yīng)有高耐磨性和低應(yīng)力敏感性。,31,（2）磁記錄介質(zhì)材料,剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度要高，矯頑力適當(dāng)高。磁性粒于尺寸均勻、易分散，磁層均勻、厚度適當(dāng)，記錄密度越高，磁層越薄。基本磁特性溫度系數(shù)小，不產(chǎn)生明顯的加熱退磁效應(yīng)。,32,2.磁場(chǎng)對(duì)電阻的影響,具有磁性的金屬、半導(dǎo)體材料的電阻率在磁場(chǎng)中發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)，簡(jiǎn)稱磁阻效應(yīng)。電阻率隨磁場(chǎng)的加大而增加時(shí)，稱為正磁阻效應(yīng)；電阻串隨磁場(chǎng)的加大而減小時(shí)，為負(fù)磁阻效應(yīng)。磁場(chǎng)引起的電阻率的變化與未加磁場(chǎng)時(shí)電阻率之比(/0)稱為磁電阻率。,33,3.巨磁阻效應(yīng),磁電阻率達(dá)百分之幾十以至百分之百以上的磁阻效應(yīng)叫做巨磁阻效應(yīng)。低溫下FeCr多層膜的電阻隨外磁場(chǎng)而加大，變化達(dá)50，具有巨磁阻效應(yīng)。,34,（1）巨磁性多層膜,采用人工的方法，厚度為d1的A種薄膜和厚度為d2的B種薄膜，交替排列，構(gòu)成了以Ad1Bd2為周期的人工超晶格材料。如果有n個(gè)Ad1Bd2周期，記作（Ad1Bd2)n。,35,反鐵磁耦合：相鄰鐵磁層的磁矩相互反平行。,鐵磁耦合：相鄰鐵磁層的磁矩相互平行。,鐵磁耦合隨隔離層的厚度呈周期性震蕩。,36,電阻：傳導(dǎo)電子受到散射引起。,電子有兩種自旋方向。,37,5.5快離子導(dǎo)體,離子晶體是絕緣體，其離子導(dǎo)電主要由肖特基(schonky)缺陷或弗蘭克爾(Frankel)缺陷的遷移產(chǎn)生。室溫下這些缺陷的濃度不高，隨溫度的升高缺陷的濃度增大，因此，通常電荷載流于數(shù)目不大，而且與溫度有關(guān)。,38,某些離子晶體卻有數(shù)目相當(dāng)大的載流子，載流子濃度與溫度無(wú)明顯關(guān)系，其平均自由程大，離子導(dǎo)電激活能低，(0.4ev)。它們的離子電導(dǎo)率與液體電解質(zhì)差不多，甚至更高。這類離子化合物叫做快離子導(dǎo)體。,39,某些離子晶體中陽(yáng)離子與點(diǎn)陣的結(jié)合很弱，陽(yáng)離子的熱振動(dòng)振幅的大小可以與它們可能占據(jù)的晶體學(xué)位置間的距離相當(dāng)，因此，這些陽(yáng)離子很容易從一個(gè)位置遷移到另一個(gè)位置。,40,AgI屬立方晶系，空間解為Im3m，AgI單胞中含有兩個(gè)AgI分子，I-離子占據(jù)立方晶格的頂角和體心位置，形成體心立方點(diǎn)降，兩個(gè)Ag離子無(wú)序地分布在42個(gè)間隙位置上，即6個(gè)碘離子八面體的(b)位置、12個(gè)碘離子四面體的(d)位置和24個(gè)碘離子三方雙錐體的(h)位置。,1.AgI離子晶體,41,2.鋰離子導(dǎo)體,用A1取代石英中一半的Si，并加入Li+進(jìn)行電荷補(bǔ)償，可以得到類石英結(jié)構(gòu)的理霞石，它的分子式為L(zhǎng)iAlSiO4。在垂直于c軸的方向上，Al和Si原子交替地作層狀有序排列，因而LiAlSiO4的單位晶胞和石英相比在c軸方向上是雙倍的。,42,5.6超導(dǎo)電性,43,44,邁斯納效應(yīng),邁斯納(Meissner)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)材料具有完全排斥磁力線的能力，因此，把超導(dǎo)體完全排斥磁力線的現(xiàn)象叫做邁斯納效應(yīng)。將一個(gè)超導(dǎo)體球放在適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)中，隨后降低超導(dǎo)體的溫度，當(dāng)TTc時(shí)，由于磁力線不能穿透超導(dǎo)體，而使超導(dǎo)體懸浮在磁場(chǎng)中。當(dāng)溫度升高到了Tc后，材料轉(zhuǎn)變成非超導(dǎo)體時(shí)，磁力線又會(huì)進(jìn)入球體中，球體不能懸浮在磁場(chǎng)中。,45,46,在磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的外磁場(chǎng)中，材料的磁化強(qiáng)度M與磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間滿足下面的關(guān)系式：,超導(dǎo)狀態(tài)下，B=0M=-H=-1,47,48,邁斯納效應(yīng)和零電阻毫無(wú)關(guān)系？,在電磁學(xué)里，我們知道，電和磁之間關(guān)系服從法拉第電磁感應(yīng)定律，然而，在超導(dǎo)電性中，零電阻無(wú)法解釋邁斯納效應(yīng)，同樣，邁斯納效應(yīng)無(wú)法解釋零電阻現(xiàn)象。最關(guān)鍵的問(wèn)題是，在電磁感應(yīng)定律中，變化的磁場(chǎng)感應(yīng)電流，然而，在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，穩(wěn)定磁場(chǎng)卻感應(yīng)出超導(dǎo)渦漩電流。邁斯納效應(yīng)和零電阻竟然毫無(wú)關(guān)系！,49,50,BCS理論,電子在晶格中移動(dòng)時(shí)會(huì)吸引鄰近格點(diǎn)上的正電荷，導(dǎo)致格點(diǎn)的局部畸變，形成一個(gè)局域的高正電荷區(qū)。這個(gè)局域的高正電荷區(qū)會(huì)吸引自旋相反的電子，和原來(lái)的電子以一定的結(jié)合能相結(jié)合配對(duì)。在很低的溫度下，這個(gè)結(jié)合能可能高于晶格原子振動(dòng)的能量，這樣，電子對(duì)將不會(huì)和晶格發(fā)生能量交換，也就沒(méi)有電阻，形成所謂“超導(dǎo)”。,51,目前研究熱點(diǎn),建立明確的微觀機(jī)制是高溫超導(dǎo)研究的最高目標(biāo)。因?yàn)橹挥姓J(rèn)清了高溫超導(dǎo)發(fā)生的真正原因，才能找到有效提高臨界溫度Tc以及臨界電流密度Jc等參數(shù)的有效途徑，為制備室溫超導(dǎo)體和投入廣泛應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。只要高溫超導(dǎo)的應(yīng)用未達(dá)到人類的理想境界，理論研究將一直是最熱門(mén)的話題之一。,52,-w型超導(dǎo)體,Nb3Sn是-w型結(jié)構(gòu)、具有實(shí)用價(jià)值的超導(dǎo)材料。-w型化合物A3B中，B原子占體心立方位置，單胞每個(gè)面上有2個(gè)A原子，A原子距最近頂點(diǎn)的B原子的距離為(32)，只有當(dāng)原子半徑比滿足0.97rBrA1.065時(shí)結(jié)構(gòu)才穩(wěn)定。-w型化合物原子的平均電子數(shù)為4.7，6.5時(shí)，Tc最高。,53,高溫超導(dǎo)體,Tc77K，屬第二類超導(dǎo)體，在氧化物超導(dǎo)材料中有的在240K出現(xiàn)超導(dǎo)跡象。由鑭、鍶、銅和氧組成的陶瓷材料在287K的溫度下存在超導(dǎo)現(xiàn)象，這為超導(dǎo)材料的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。,54,高溫超導(dǎo)體主要指銅酸鹽類，它們的結(jié)構(gòu)具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的基本特征，可用ABO3表示，A為半徑較大的金屬離子，B為半徑較小的過(guò)渡金屬離子，A、B離子價(jià)數(shù)之和為6。鈣鐵礦型結(jié)構(gòu)存在氧缺位，造成結(jié)構(gòu)畸變，形成一維、二維的CuO4，AO氯化鈉型結(jié)構(gòu)與ABO3這兩種結(jié)構(gòu)交替堆積便構(gòu)成了銅酸鹽結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)體。,55,高溫超導(dǎo)屬層狀結(jié)構(gòu)的二維導(dǎo)體，具有明顯的各向異性，CuO2層被CuO鏈或其他金屬或金屬氧化物MO分開(kāi)。CuO2層是導(dǎo)電層，相鄰層起作載流子庫(kù)的作用，為CuO2層提供載流子。,56,四、超導(dǎo)材料的應(yīng)用,1.超導(dǎo)磁體可在大的空間內(nèi)獲得較強(qiáng)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的均勻性好。磁場(chǎng)的穩(wěn)定性好。節(jié)約能源。重量輕，體積小。2.磁懸浮在列車快速、安全、舒適（振動(dòng)小，噪音低）3.核磁共振靈敏度高。4.輸電電纜,57,第6章材料的介電性能,將大部分非金屬材料插入兩個(gè)導(dǎo)體之間，會(huì)起分隔作用，既材料中不會(huì)產(chǎn)生電荷的長(zhǎng)程遷移，但存在電荷的短程位移與運(yùn)動(dòng)。這類能產(chǎn)生電荷的短程位移與運(yùn)動(dòng)材料稱為電介質(zhì)材料。材料的介電性能主要描述與電荷的短程位移與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的物理性能。,6.1電介質(zhì)基本概念,58,一、極化,電介質(zhì)在外加電場(chǎng)Ev/m作用下，正負(fù)電荷中心將發(fā)生偏移，即產(chǎn)生電偶極矩pcm。,單位體積中電偶極矩的總和稱為極化強(qiáng)度PC/m2。即電介質(zhì)中的電荷短程位移將抵消部分外電場(chǎng)。,總電荷中的自由電荷部分將構(gòu)成一個(gè)與外電場(chǎng)同相的電場(chǎng)，而被極化抵消的另一部分