1、1,第五章 電子的輸運性質(zhì),絕緣體(10-8一10-20 -1 cm-1)、 材料 半導體(105一l0-7 -1 cm-1) 導體(106一108 -1 cm-1) 金屬鍵結(jié)合的導體，其電導率隨溫度的升高而減小。 離子鍵、共價鍵組成的混合鍵結(jié)合的材料，其電導率隨溫度的升高而增大。 一些離子晶體導電率和液體電介質(zhì)相當，被稱作快離子導體。,2,5.1 能 帶 理 論,“自由電子”理論：金屬原子半徑較大，價電子較少部分電子脫落，成“自由電子”自由電子與陽離子互相吸引所有金屬原子、陽離子膠合為“晶體”。 “自由電子”理論解釋了金屬的物理性質(zhì)，如光澤、導電性、導熱性、延伸性，都與“自由電子”有關；但不

2、能解釋導電的差異性以及導體、半導體與絕緣體的區(qū)別等。,3,單一原子中 1.電子的能量是分立的能級;,2.電子的運動有隧道效應。,原子的外層電子(高能級)， 勢壘穿透概率較大， 電子可以在整個晶體中運動, 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)則排列的點陣結(jié)構(gòu)。,。,晶體中的勢場對電子的能態(tài)有影響，電子受到周期性勢場的作用。晶體中電子的能態(tài)不是分立的能級，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，能級分裂越大， 能級越高，能級分裂越大,6,二 . 能帶中電子的排布,晶體中的一個電子只能處在

3、某個能帶中的 某一能級上。,排布原則：,1. 服從泡里不相容原理（費米子）,2. 服從能量最小原理,設孤立原子的一個能級 Enl ，它最多能容納 2 (2 +1)個電子。,這一能級分裂成由 N條能級組成的能帶后，能帶最多能容納 2N(2l +1)個電子。,7,電子排布時，應從最低的能級排起。,有關能帶被占據(jù)情況的幾個名詞：,1滿帶（排滿電子）,2價帶（能帶中一部分能級排滿電子） 亦稱導帶,3空帶（未排電子） 亦稱導帶,4禁帶（不能排電子）,2、3能帶，最多容納 6N個電子。,例如，1、2能帶，最多容納 2N個電子。,2N(2l+1),8,在允許取的 E值（暫且稱為能級）之間， 有一些不允許取的

4、 E值（暫且稱為能隙）。,9,孤立原子的最外層電子能級可能填滿了電子也可能未填滿了電子。在形成固體時，其相應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上沒有電子， 在形成固體時，其相應的能帶上也沒有電子。,孤立原子的內(nèi)層電子能級一般都是填滿的， 在形成固體時，其相應的能帶也填滿了電子。,10,5.2 導體和絕緣體,它們的導電性能不同， 是因為它們的能帶結(jié)構(gòu)不同。,晶體按導電性能的高低可以分為,11,導體,導體,導體,半導體,絕緣體,Eg,Eg,Eg,12,在外電場的作用下，大量共有化電子很 易獲得能量，集體定向流動形成電流。,從能帶圖上來看，是因為其共有化電子 很易從低能級躍

5、遷到高能級上去。,E,導體,13,從能級圖上來看，是因為滿帶與空帶之間 有一個較寬的禁帶（Eg 約36 eV）， 共有化電子很難從低能級（滿帶）躍遷到 高能級（空帶）上去。,在外電場的作用下，共有化電子很難接 受外電場的能量，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（E g 約0.12 eV )。,絕緣體,半導體,14,絕緣體與半導體的擊穿,當外電場非常強時，它們的共有化電子還是能越過禁帶躍遷到上面的空帶中。,絕緣體,半導體,導體,15, 5.3 半導體,半導體中能量最高的滿帶又叫做價帶，能量最低的空帶又叫做導帶， 按材料成分不同，半導體材料可以分成單元素半導體和化合

6、物半導體兩大類。,16,1.單質(zhì)半導體,單質(zhì)半導體的結(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 Si Ge Sn ，共價鍵成分逐漸減弱，禁帶寬度下降，同時金屬鍵的成分增加，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點陣基元由一個Ga原子和一個As原子組成，每個原子被4個異種原子包圍，其鍵合特征仍以共價鍵為主。 化合物半導體電子沿鍵軸分布不對稱，構(gòu)成極性鍵，使GaAs既有共價鍵的成分，又有離子鍵的成分。,2.化合物半導體,18,

7、純元素半導體的電學性能由元素本身的電子結(jié)構(gòu)所決定，叫做本征半導體。 半導體的電學性能是結(jié)構(gòu)敏感的性能，材料中極微量雜質(zhì)就會引起電學性能的改變。 在純元素半導體中摻入微量雜質(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)，從而在本征半導體的禁帶中出現(xiàn)與雜質(zhì)元素有關的能級，形成雜質(zhì)半導體。 按摻雜元素的價電子數(shù)，雜質(zhì)半導體可分成N型和P型兩類。,19,20,21,3. 非晶半導體,非晶半導體短程有序、長程無序。 原子相對旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生兩種情形： 鍵長和鍵角相對于晶態(tài)有適當偏離， 非晶態(tài)材料中少量共價鍵被破壞，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)對非晶半導體的電導率影響不明顯

8、。,22,5.4 磁阻效應,1.材料的磁性 材料的磁性來源于電子與磁場的相互作用及電子間的相互作用。,材料的抗磁性：外加磁場的作用下，材料內(nèi)部電子發(fā)生重新取向，保持內(nèi)磁場不變。抗磁性材料的磁化率為負。,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增強的方向。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，在無外加磁場時，無凈磁矩。MnO、FeS 亞鐵磁性：相鄰磁矩反向平行，在無外加磁場時，存在凈磁矩。Fe3O4,25,2、磁性材料,磁性材料要求其

9、磁性能夠保持在一定范圍內(nèi)，磁性過低磁記錄信號易受外界干擾，記錄密度也難以提高；磁性過高時，記錄介質(zhì)將難以為磁頭所磁化或難以將記錄信號抹掉。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,每個 對應不同的 與磁化的過程有關。,起始磁化曲線；,剩磁,飽和磁感應強度,矯頑力,磁滯回線-不可逆過程,在交變電流的勵磁下反復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。,鐵磁體在交變場的作用下，它的形狀會隨之變化，稱為磁致伸縮（10-5數(shù)量級）它可用做換能器，在超聲及檢測技術中大有作為。,27,(1)

10、軟磁材料,軟磁材料用于制造包括變壓器和繼電器磁芯、電動機轉(zhuǎn)子和定子等磁導體元件的磁性材料。主要特性是有較高磁導率、較高飽和磁感應強度、較小矯頑力(約1Am)和較低磁滯損耗；在外加磁場作用下易磁化，外加磁場消失后又容易退磁。 常見軟效磁材料：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。硬磁材料主要應用于各類電表和電話、錄音機、電視機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

11、方法制成的單疇磁體也是常見的硬磁材料。,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、存儲容量大、工藝成熟、成本低、可重復使用103一l05次、可多通道記錄等優(yōu)點，磁記錄技術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，還應有高耐磨性和低應力敏感性。,31,（2）磁記錄介質(zhì)材料,剩余磁感應強度要高，矯頑力適當高。 磁性粒于尺寸均勻、易分散，磁層均勻、厚度適當，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。,32,2.磁場對電阻的影響,具有磁性的金屬、半導體材料的電阻率在磁場中發(fā)

12、生變化的現(xiàn)象稱為磁電阻效應，簡稱磁阻效應。 電阻率隨磁場的加大而增加時，稱為正磁阻效應；電阻串隨磁場的加大而減小時，為負磁阻效應。 磁場引起的電阻率的變化與未加磁場時電阻率之比( /0 )稱為磁電阻率。,33,3. 巨磁阻效應,磁電阻率達百分之幾十以至百分之百以上的磁阻效應叫做巨磁阻效應。 低溫下FeCr多層膜的電阻隨外磁場而加大，變化達50，具有巨磁阻效應。,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A d1 B d2為周期的人工超晶格材料。如果有n個A d1 B d2周期，記作（A d1 B d2 )n。,35,反鐵磁耦合：相鄰

13、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：傳導電子受到散射引起。,電子有兩種自旋方向。,37, 5.5 快離子導體,離子晶體是絕緣體，其離子導電主要由肖特基(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。,38,某些離子晶體卻有數(shù)目相當大的載流子，載流子濃度與溫度無明顯關系，其平均自由程大，離子導電激活能低，(0.4ev)。它們的離子電導率與液體電解質(zhì)差不多，甚至更高。這類離子化合物叫做快離子導體。,39

14、,某些離子晶體中陽離子與點陣的結(jié)合很弱，陽離子的熱振動振幅的大小可以與它們可能占據(jù)的晶體學位置間的距離相當，因此，這些陽離子很容易從一個位置遷移到另一個位置。,40,AgI屬立方晶系，空間解為Im3m， AgI單胞中含有兩個AgI分子，I-離子占據(jù)立方晶格的頂角和體心位置，形成體心立方點降，兩個Ag離子無序地分布在42個間隙位置上，即6個碘離子八面體的(b)位置、12個碘離子四面體的(d)位置和24個碘離子三方雙錐體的(h)位置。,1. AgI離子晶體,41,2. 鋰離子導體,用A1取代石英中一半的Si，并加入Li+進行電荷補償，可以得到類石英結(jié)構(gòu)的理霞石，它的分子式為 LiAlSiO4。在垂

15、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 超導電性,43,44,邁斯納效應,邁斯納(Meissner)發(fā)現(xiàn)超導材料具有完全排斥磁力線的能力，因此，把超導體完全排斥磁力線的現(xiàn)象叫做邁斯納效應。將一個超導體球放在適當?shù)拇艌鲋?，隨后降低超導體的溫度，當TTc時，由于磁力線不能穿透超導體，而使超導體懸浮在磁場中。 當溫度升高到了Tc 后，材料轉(zhuǎn)變成非超導體時，磁力線又會進入球體中，球體不能懸浮在磁場中。,45,46,在磁場強度為H的外磁場中，材料的磁化強度M與磁感應強度B之間滿足下面的關系式：,超導狀態(tài)下，B

16、 = 0 M = -H = -1,47,48,邁斯納效應和零電阻毫無關系？,在電磁學里，我們知道，電和磁之間關系服從法拉第電磁感應定律，然而，在超導電性中，零電阻無法解釋邁斯納效應，同樣，邁斯納效應無法解釋零電阻現(xiàn)象。最關鍵的問題是，在電磁感應定律中，變化的磁場感應電流，然而，在超導態(tài)時，穩(wěn)定磁場卻感應出超導渦漩電流。邁斯納效應和零電阻竟然毫無關系！,49,50,BCS理論,電子在晶格中移動時會吸引鄰近格點上的正電荷，導致格點的局部畸變，形成一個局域的高正電荷區(qū)。這個局域的高正電荷區(qū)會吸引自旋相反的電子，和原來的電子以一定的結(jié)合能相結(jié)合配對。在很低的溫度下，這個結(jié)合能可能高于晶格原子振動的能量

17、，這樣，電子對將不會和晶格發(fā)生能量交換，也就沒有電阻，形成所謂“超導”。,51,目前研究熱點,建立明確的微觀機制是高溫超導研究的最高目標。因為只有認清了高溫超導發(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，為制備室溫超導體和投入廣泛應用奠定理論基礎。只要高溫超導的應用未達到人類的理想境界，理論研究將一直是最熱門的話題之一。,52,-w型超導體,Nb3Sn是-w型結(jié)構(gòu)、具有實用價值的超導材料。 -w型化合物A3B中，B原子占體心立方位置，單胞每個面上有2個A原子，A原子距最近頂點的B原子的距離為(32)，只有當原 子半徑比滿足0.97 rBrA1.065時結(jié)構(gòu)

18、 才穩(wěn)定。 -w型化合物原 子的平均電子數(shù) 為4.7，6.5時， Tc最高。,53,高溫超導體,Tc 77K，屬第二類超導體， 在氧化物超導材料中有的在240K出現(xiàn)超導跡象。由鑭、鍶、銅和氧組成的陶瓷材料在287K的溫度下存在超導現(xiàn)象，這為超導材料的應用開辟了廣闊的前景。,54,高溫超導體主要指銅酸鹽類，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為半徑較小的過渡金屬離子，A、B離子價數(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)的高溫超導體。,55,高溫超導

19、屬層狀結(jié)構(gòu)的二維導體，具有明顯的各向異性，CuO 2層被CuO鏈或其他金屬或金屬氧化物MO分開。CuO 2層是導電層，相鄰層起作載流子庫的作用，為CuO 2層提供載流子。,56,四、 超導材料的應用,1.超導磁體 可在大的空間內(nèi)獲得較強磁場。磁場的均勻性好。磁場的穩(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導體之間，會起分隔作用，既材料中不會產(chǎn)生電荷的長程遷移，但存在電荷的短程位移與運動。這類能產(chǎn)生電荷的短程位移與運動材料稱為電介質(zhì)材料。 材料的介電性能主要描述與電荷的短程位移與運動相關的物理性能。, 6.1 電介質(zhì)基本概念,58,一、極化,電 介質(zhì)在外加電場Ev/m作用下，正負電荷中心將發(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度PC/m2。即電介質(zhì)中的電荷短程位移將抵消部分外電場。,總電荷中的自由電荷部分將構(gòu)成一個與外電場同相的電場，而被極化抵消的另一部分電荷構(gòu)成一與外電場