無機材料物理性能2023年2月5日第十講無機材料的電導第六章材料的電學性能主要包括電導：離子電導(非金屬材料)

電子電導（金屬、半導體）超導（金屬、非金屬）介電性：

鐵電性壓電性熱釋電性材料電學性能應用導體材料：各種電纜電阻和電熱材料：取暖器，硅碳棒，硅鉬棒熱電和光電材料：太陽能板半導體材料：大規模集成電路（無機電容，硅片等）電介質材料：絕緣子，電容中的陶瓷片。無機材料的電導本部分的主要內容電導的物理現象

離子電導

電子電導

無機非金屬材料電導

電導的應用無機材料的電導本部分的關鍵：理解并掌握如下公式的含義5.1電導的物理現象歐姆定律示意圖一、電導的宏觀參數1、歐姆定律2、電流密度對于形狀規則的均勻材料，電流是均勻的，電流密度J在各處是一樣的。

定義：單位面積通過的電流，或單位時間通過單位面積的電荷量。表達式：

(A?cm-2)3、電場強度

定義：單位長度上的電勢差。表達式：(V?cm-1)4、電阻率：ρ為電阻率，為反映材料電阻性能的參數5、電導率：反映材料的電阻性能。E：V/cm

6、歐姆定律的微分形式

電導的宏觀參數7、體積電阻和體積電阻率電流:電阻:體積電阻Rv與材料性質及樣品幾何尺寸的關系:電導的宏觀參數h－板狀樣品的厚度(cm)S－板狀樣品的電極面積(cm2)ρv－體積電阻率為描寫材料電阻性能的參數電導的宏觀參數體積電阻和體積電阻率管狀式樣電導的宏觀參數體積電阻和體積電阻率圓片式樣體積電阻率的測量g電導的宏觀參數片狀試樣電導的宏觀參數精確測定結果:電導的宏觀參數8、表面電阻和表面電阻率板狀式樣電導的宏觀參數圓片試樣VIabgr1r2電導的宏觀參數直流四端電極法

適用于中高電導率的材料，能消除電極非歐姆接觸對測量結果的影響。電導的宏觀參數在室溫下測量電導率常采用簡單的四探針法二、電導的物理特性1、載流子：定義：負載電荷并可形成電流的自由粒子。如：金屬中：自由電子；無機材料中：電子，離子，電子空穴，離子空位；電子電導：載流子為電子，電子空穴；離子電導：載流子為離子，離子空位。2、霍爾效應（電子電導特性）現象：沿試樣x軸方向通入電流I（電流密度Jx），Z軸方向加一磁場Hz，那么在y軸方向上將產生一電場Ey，這一現象稱為霍爾效應。所產生電場為：電導的物理特性電導的物理特性霍爾系數霍爾系數RH為霍爾系數。正負號為載流子帶電符號。ni為載流子濃度。實質：運動電荷在磁場中受力所致，但此處的運動電荷只能是電子，因其質量小、運動容易，故此現象只出現于電子電導時，即可用霍爾效應的存在與否檢驗材料是否存在電子電導。電導的物理特性應用：霍爾效應可檢驗材料是否存在電子電導；離子電導不呈現霍爾效應的質量比電子大得多，磁場作用力不足以使它產生橫向位移，因而純離子電導不呈現霍爾效應。3、電解效應（離子電導特性）離子的遷移伴隨質量變化，離子在電極附近發生電子得失，產生新的物質。

電導的物理特性法拉第電解定律：

——電解物質的量——通過的電量

——電化當量——法拉第常數實質：類似電解質溶液中的電解。如NaCl溶液的電解。應用：可檢驗陶瓷材料是否存在離子電導。

4、遷移率和電導率的一般表達式物體的導電現象，其微觀本質是載流子在電場作用下的定向遷移。設單位截面積為，在單位體積內載流子數為，每一載流子的電荷量為，則單位體積內參加導電的自由電荷為。如果介質處在外電場中，則作用于每一個載流子的力等于。在這個力的作用下，每一載流子在方向發生漂移，其平均速度為。容易看出，單位時間（1s）通過單位截面的電荷量為J——電流密度根據歐姆定律該式為歐姆定律最一般的形式。因為、只決定于材料的性質，所以電流密度與幾何因子無關，這就給討論電導的物理本質帶來了方便。由上式可得到電導率為令（載流子的遷移率）。其物理意義為載流子在單位電場中的遷移速度。

電導率的一般表達式為上式反映電導率的微觀本質，即宏觀電導率與微觀載流子的濃度，每一種載流子的電荷量以及每一種載流子的遷移率的關系。5.2離子電導本征電導（固有離子電導）：源于晶體點陣的基本離子的運動。雜質電導：由固定較弱的離子（雜質）的運動造成。離子電導注意：電導的基本公式：只有一種載流子時：有多種載流子時：

離子電導要研究的主要內容：載流子濃度離子遷移率離子電導率影響離子電導率的因素

離子電導一、載流子濃度本征電導：源于晶體點陣的基本離子的運動。固有電導中，載流子由晶體本身的熱缺陷提供。載流子濃度晶體的熱缺陷主要有兩類：弗侖克爾缺陷肖特基缺陷載流子濃度弗侖克爾缺陷：Nf:單位體積內填隙離子數或空位數；N：為單位體積內離子結點數；Ef:為同時生成一個填隙離子和一個空位所需要的能量。載流子濃度肖特基空位濃度Ns：單位體積內正離子或負離子數；N：為單位體積內離子對的數目；Es：為離解一個陰離子和一個陽離子并到達表面所需要的能量。載流子濃度一般肖特基缺陷形成能比弗侖克爾缺陷形成能低許多高溫下:離子晶體的電導主要由熱缺陷濃度決定低溫下:離子晶體的電導主要由雜質載流子濃度決定載流子濃度雜質電導：由固定較弱的離子（雜質）的運動造成。雜質電導中，載流子濃度取決于雜質的數量和種類。二、離子遷移率離子電導的微觀機構為載流子──離子的擴散。間隙離子的擴散過程就構成了宏觀的離子“遷移”。離子擴散機構離子遷移率間隙離子的勢壘離子遷移率間隙離子的勢壘變化離子遷移率離子遷移與勢壘的關系

ν0－間隙原子在半穩定位置上振動頻率離子遷移率當外加電場時定向移動次數為：離子遷移率載流子沿電場方向的遷移速度Vδ－相鄰半穩定位置間的距離當場強不太大時，ΔU<<kT，則離子遷移率又因為載流子遷移速度載流子遷移率離子電導δ－相鄰半穩定位置間的距離（cm）γ0

－間隙離子的振動頻率(s-1)q－電荷數(C)k=0.86×10-4(eV/Ｋ)U0

－無外電場時的間隙離子的勢壘（eＶ）

上式各物理量的意義三、離子電導率離子電導率的一般表達方式如果本征電導主要由肖特基缺陷引起，其本征電導率為：離子電導率本征離子電導率一般表達式為：若有雜質也可依照上式寫出：離子電導率只有一種載流電導率可表示為：寫成對數形式:活化能:離子電導率有兩種載流子時總電導可表示為:有多種載流子時總電導可表示為:影響離子電導率的因素離子電導率呈指數關系，隨溫度升高，電導率迅速增

大。

低溫下，雜質電導占

主要地位(曲線1)；高溫下，固有電導起主要作用。1、溫度雜質離子電導與溫度的關系影響離子電導率的因素離子電導率2、晶體結構活化能大小取決于晶體間各粒子的結合力。而晶體結合力受如下因素影響：離子半徑：離子半徑小，結合力大離子電荷，電價高，結合力大堆積程度，結合愈緊密，可供移動的離子數目就少，且移動也要困難些，可導致較低的電導率影響離子電導率的因素離子電導率3、晶格缺陷離子性晶格缺陷的生成及其濃度大小是決定離子電導的關鍵所在。而影響晶格缺陷生成和濃度的主要有如下因素：熱激勵生成晶格缺陷(肖特基與弗侖克爾缺陷)不等價固溶摻雜離子晶體中正負離子計量比隨氣氛的變化發生偏離固體電解質簡介定義具有離子電導的固體物質稱為固體電解質離子晶體要具有離子電導的