导电物理-材料的导电性能
材料导电性能
材料导电性能
材料的导电性能是指材料在外加电场作用下，电子在材料内部的传输能力。
导
电性能是材料的重要物理性能之一，对于材料的应用具有重要的意义。
在现代科技领域中，导电材料被广泛应用于电子器件、光伏材料、电磁屏蔽材料等领域，因此对材料的导电性能进行研究具有重要意义。
材料的导电性能受多种因素的影响，其中包括材料的结构、成分、晶体结构等
因素。
导电材料通常分为金属导体和半导体两大类。
金属导体的导电性能主要取决于其自由电子的浓度和迁移率，而半导体材料的导电性能则受到杂质、缺陷、温度等因素的影响。
材料的导电性能可以通过电导率来表征。
电导率是描述材料导电性能的物理量，通常用σ表示，单位为（Ω·cm）^-1。
电导率越大，表明材料的导电性能越好。
金属材料通常具有较高的电导率，而半导体材料的电导率则介于金属和绝缘体之间。
在实际应用中，我们常常需要根据具体的要求来选择合适的导电材料。
例如，
在电子器件中，我们通常选择电导率较高的金属材料作为导线，以保证电子的顺畅传输；在光伏材料中，我们则需要选择能够有效转化光能的半导体材料。
除了常规的金属和半导体材料，近年来，碳纳米材料也成为了研究的热点之一。
碳纳米材料具有优异的导电性能和热导性能，因此被广泛应用于柔性电子器件、导电涂料、导电纤维等领域。
总的来说，材料的导电性能是材料科学研究中的重要内容之一。
随着科技的不
断发展，对导电材料的需求也在不断增加，因此对导电性能的研究也将会变得更加深入和广泛。
希望通过对导电性能的研究，能够为材料科学的发展和应用提供更多的可能性。
材料的导电性能
36
5.2.3 导电材料与电阻材料
电阻测试方法
1. 二探针法 R = Rsample + Rcontact R = V/I r = (RA)/L 特征：适用于高导电率材料
37
L A
V
Ohmeter
I
5.2.3 导电材料与电阻材料
电阻测试方法
L 2. 四探针法 I = V1/R1 A
I
V2 R1 V1
6
5.2.1 能带结构
电子的分布规律： 多电子的原子系统中,核外电子在不同的壳层上的 分布遵从下面两条基本原理： 1.泡利不相容原理 一个原子系统内，不能有两个或两个以上电子具 有完全相同的量子态(n ,l ,ml ,ms)。 利用泡利不相容原理可以计算各个壳层中可能占 有的最多电子数。
7
5.2.1 能带结构
虽然锗、硅和锡的能带结构与金刚石相似， 但这些材料的禁带宽度Eg 较小。实际上，锡的禁 带宽度小得使它具有类似导体的导电性。而禁带 宽度Eg稍大一点的锗和硅成了典型的半导体。
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表5.2一些材料的禁带宽度Eg（eV）
材料
C(金刚石)
禁带宽度 Eg 5.48 1.12 0.67
InAs
TiO2(锐钛矿) ZnO In2O3 SrTiO3 ZrO2
材料物理：第二章 材料的导电性
3、热性能 4、耐腐蚀和耐气候性能 5、阻燃性能
6）晶粒度
晶粒尺寸减小到一定程度后， 能级发生改变。导电性能下 降。而升温可以激发电子的 跃迁，反而增加了导电性能。
材料的导电性
目录
1、材料的能带结构 2、金属中的电阻 3、影响导电性的因素
1、材料的能带结构
能带理论可以看成 是多原子分子轨道 理论的极限情况， 由分子轨道的基本 原理可以推知，随 着参与组合的原子 轨道数目的增多， 能级间隔减小， 能 级过渡到能带。
对轨道数量进行统计，得到轨道密度图（态密度图）
反常金属元素
电阻率随压力升高到一定值后下降，即电阻率有极大值， 如碱金属、碱土金属、稀土金属和第Ⅴ族的半金属等。
与压力作用下的相变有关
2）受力情况
应力敏感材料的应用
2）受力情况
斜拉桥上的斜拉绳应变测试
3）冷加工
冷加工使金属的电阻率增大。这是由于冷塑性变形使晶体 点阵畸变和晶体缺陷增加，特别是空位浓度的增加，造成点 阵电场的不均匀而加剧对电磁波散射的结果。此外，冷塑性 变形使原子间距有所改变，也会对电阻率产生一定影响。
硅
铝 用能带结构来理解材料的塑性变形能力
材料的所有性能（力学、电学、光学…） 都取决于原子和电子的空间排布：
•如果外界条件打破了原子排列的平衡状态，就会有位错， 晶界，裂纹
•如果外界条件打破了电子排列的平衡状态，就会导电、 发光、化学键断裂等现象。
……
要除开核物理性能，因为核物理性能，和 中子、质子的排列相关
1、材料的能带结构
对轨道数量进行统计，得到轨道密度图（态密度图）
1、材料的能带结构
－3π/a －2π/a －π/a
0 π/a
2π/a 3π/a
材料物理复习题-导电性能
材料的导电性能填空题1. 导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材料和绝缘材料等都是以材料的导电性能为基础的。
2. 能够携带电荷的粒子称为载流子。
在金属、半导体和绝缘体中携带电荷的载流子是电子，而在离子化合物中，携带电荷的载流子则是离子。
3. 控制材料的导电性能实际上就是控制材料中的载流子的数量和这些载流子的移动速率。
4. 能带理论主要有三种近似理论，它们分别是：近自由电子近似；赝势法；紧束缚近似法。
5. 作为精密电阻材料的以铜镍合金为代表。
6. 作为电热合金的电阻材料则不能使用铜镍合金，对于使用温度为900—1350℃的电热合金，常用镍铬合金。
当使用温度更高时，需要采用陶瓷电热材料。
7. 物体的导电现象，其微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。
8. 反映电导率的微观本质（即宏观电导率）与微观载流子的浓度、每一种载流子的电荷量、以及每一种载流子的迁移率有关。
9. 纯金属的导电性取决于原子的电子结构。
温度升高时，原子的振动幅度变大，对载流子的阻碍作用也增加，电导率下降。
10. 物体的导电现象，其微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。
11. 电子电导的特征是具有霍尔效应。
12. 利用霍尔效应可检验材料是否存在电子电导。
13. 离子电导的特征是存在电解效应。
14. 离子晶体中的电导主要为离子电导。
15. 离子晶体中的电导主要为离子电导，包括本征电导和杂质电导。
16. 对于固有电导，其载流子由晶体本身的热缺陷提供，其包括弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。
17. 热缺陷的浓度决定于温度T和离解散能E。
18. 离子晶体他的杂质电导，载流子的浓度决定于杂质的数量和种类。
19. 离子扩散机构主要有：空位扩散、间隙扩散、亚晶格间隙扩散。
20. 固体电解质的总电导率为离子电导率和电子电导率之和。
21. 电子电导的载流子包括电子或空穴。
22. 电子电导主要发生在导体和半导体中。
23. 平均自由运动时间的长短是由载流子的散射的强弱来决定的。
导电性能
N N
3 4
c V
n n
e
2kT h 2 2kT h 2 m m exp Eg 2kT e h
h
2
2
32
E c E v exp me m h 2 kT
3 2
3 4
ne nh N e
E g
2 kT
二、杂质半导体中的载流子浓度 • 杂质对半导体的导电性能影响极大，例如
掺入受主杂质的半导体称为p 型半导体或空穴型半导体， 因为其中的载流子为空穴。
• p型半导体的载流子主要为空穴，设单位体 积中有NA个受主原子:
n NV N A exp E E / 2kT NV N A exp E
1 2 1 2 h A V
i
2kT
3.2.3电子电导率的表达式
E2 ne E1 G E F e E dE
• G(E)为电子允许状态密度，F(E)为电子存在的几 率。
8 G E 2 h
1
c 2
2
* me 2
32
E Ec
12
F E 1 e
e
e
c
1
E
E f kT
32 Ef kT
二、电导率的一般表达式 • 物体的导电现象，其微观本质是载流子在电场作 用下的定向迁移。设有一介质，设为单位截面积 (1cm2)，在单位体积(1cm3)内载流子数为n(cm-3)， 每一载流子的荷电量为q，则单位体积内参加导 电的自由电荷为nq。 • 如果介质处在外电场中，则作用于每一个载流子 的力等于qE。在这个力的作用下，每一载流子在 E方向发生漂移，其平均速度为v(cm/s) 。容易看 出，单位时间(1s)通过单位截面S的电荷量为
材料的导电性质
金属最大电阻率
max~500cm
可以看到上述三种不同的判断在量级上 是一致的
莫特判据有一个重要的推论,即:绝缘体和金属态之间在特定条 件下可以相互转换
§3.2 导体电阻率
电阻率源于传导电子的散射,固体因缺陷、杂质、晶格振动、库仑作用等，往往存在着多种散 射机制
在多种散射机制存在下,总的散射几率是:
k
利用半导体在温度升高、受光照射等条件下的 导电性能大大增强的特性,可研制出诸如热敏 电阻、光敏电阻等器件。
空带
h
满带
3、按阻温系数分类
(T)
导体
d0 还 是d0?
dT
dT
绝缘体或半导体
Resistivity
金属 绝缘体
0
Temperature
4、按电阻率分类
Mooij判据
固体电阻率变化范围
niqii i
j niqivi
i
i表示第i种载流子
三、材料基本导电类型
电子导电（包括空穴导电、极化子导电）
离子导电（包括空位导电）
离子导电指输运电荷中的载流子是离子 电解质溶液(如KCl溶液)的导电就是离子导电
具有离子导电性的固态物质常被称为固体电解质 这些物质或因其晶体中的点缺陷或因其特殊结构而为离子提供快速迁移的通道,在某些 温度下具有高的电导率(1～106西门子/厘米)，故又称为快离子导体。
max~200cm
大量的实验数据分析表明,对电阻率大于80100cm时，
不再保持,这和上面根据阻温系数给出的经验判断在量级
d/dT 0 上是相一致的
5、莫特判据
n 为载流子的临界密度, a 为局 域c电子中心的特征轨道半径H
nc1/3aH~0.250.38
材料的导电性和导电材料
材料的导电性和导电材料材料的导电性是指物质对电流的导电能力，而导电材料则是能够有效传递电流的物质。
在现代科技发展的背景下，导电性和导电材料在电子技术、能源科学以及材料科学领域具有重要的应用和研究价值。
本文将从材料的导电性机制以及常见的导电材料两个方面展开讨论。
一、材料的导电性机制材料的导电性主要是由材料内部的电荷输运机制决定的。
根据材料内部电荷的输运方式不同，导电性可分为金属导电和半导体导电两种类型。
1. 金属导电金属导电主要是由于金属材料中自由电子的存在。
在金属中，金属原子的电子外层的原子轨道部分被“束缚”关住，形成价带；而电子外层的自由电子则呈现出一种“流动”状态，构成导体的导带。
当电场作用于金属材料时，自由电子在电场力的驱动下开始运动，形成电流。
2. 半导体导电半导体导电则是因为半导体材料的导带结构与金属不同。
在半导体中，导带与价带之间存在能带隙，即能量差。
当外部施加电场或接受能量激发时，电子可以突破能带间的能量差，从价带跃迁到导带，形成载流子，进而导致电流的传递。
二、常见的导电材料1. 金属材料金属材料是最常见的导电材料之一，具有良好的导电性能。
铜、银、铝等金属都属于优良导体，被广泛应用于电线、电路等电子元件的制造。
金属的导电性能好，是由于金属结构中自由电子的存在。
2. 半导体材料半导体材料导电性能介于导体和绝缘体之间。
硅和锗是最常见的半导体材料，具有广泛的应用前景。
半导体材料的导电性可以通过控制材料的掺杂来改变。
P型半导体和N型半导体的结合可以形成PN结，通过施加电场或外界激发，控制电子在导带和价带之间的跃迁，实现对电流的控制。
3. 导电聚合物近年来，导电聚合物也成为研究热点。
导电聚合物是一种特殊的有机材料，具有高导电性和可塑性，可以制备成薄膜、纤维等形式。
常见的导电聚合物有聚对苯二甲酸乙二酯（PEDOT）和聚噻吩（PTh）等。
导电聚合物被广泛应用于柔性电子、聚合物太阳能电池等领域。
除了以上提到的常见导电材料外，还存在着许多特殊的导电材料，如碳纳米管、石墨烯等。
自编教材第四章_材料的导电性能
第四章 材料的导电性能材料的导电性能是材料物理性能的重要组成部分，导体材料在电子及电力工业中得到广泛的应用，同时，表征材料导电性的电阻率是一种对组织结构敏感的参量，所以，可通过电阻分析来研究材料的相变。
本章主要讨论材料的导电机理，影响材料导电因素以及导电性能参数的测量和应用。
还对材料的超导电性能、热电性能以及半导体性能等作简要介绍。
第一节 材料的导电性一、 电阻与导电的基本概念当在材料的两端施加电压V 时，材料中有电流I 流过，这种现象称为导电，电流I 值可用欧姆定律表示，即I = RV (4-1) 式中：R 为材料电阻，其值不仅与材料的性质有关，而且还与其长度L 及截面积S 有关，因此R = ρSL (4-2) 式中：ρ称为电阻率，它在数值上等于单位长度和单位面积上导电体的电阻值，可写为 ρ = R L S(4-3)由于电阻率只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸无关，因此评定材料导电性的基本参数是ρ而不是R 。
电阻率的单位为Ω· m (欧·米)。
在研究材料的导电性能时，还常用电导率σ，电导率σ为电阻率的倒数，即σ =1 (4-4) 电导率的单位为Ω-1· m -1。
式（4-3）和式（4-4）表明，ρ 愈小，σ 愈大，材料导电性能就越好。
根据导电性能的好坏，常把材料分为导体、半导体和绝缘体。
导体的ρ 值小于10-2 Ω· m ；绝缘体的ρ值大于1010Ω· m ；半导体的ρ值介于10-2 ~ 1010Ω· m 之间。
虽然物质都是由原子所构成的，但其导电能力相差很大，这种现象与是物质的结构与导电本质有关。
二、导电的物理特性1、载流子电流是电荷在空间的定向运动。
任何一种物质，只要有电流就意味着有带电粒子的定向运动，这些带电粒子称为载流子。
金属导体中的载流子是自由电子，无机材料中的载流子可以是电子（负电子、空穴）、离子（正、负离子，空位）。
载流子为离子或离子空穴的电导称为离子式电导，载流子为电子或电子空穴的电导称为电子式电导。
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虽然锗、硅和锡的能带结构与金刚石相似，但
这些材料的禁带宽度Eg 较小。实际上，锡的 禁带宽度小得使它具有类似导体的导电性。而
禁带宽度Eg稍大一点的锗和硅成了典型的半导 体。
绝缘体的能带结构与半导体相似，价带上都排
满了电子，而导带上则没有电子。不同之处在
于，许多半导体的禁带宽度为 0.4 ~ 0.5 eV，
7
能带重叠现象
图5.4镁的能带结构
8
从钪到镍的过渡族金属中，未被电子充满的 3d能带和4s能带发生重叠。这种重叠使得 电子能够被激发到高能量的能级。能带之间 的复杂的相互作用使得这些金属的导电性不 够理想。但铜是一个例外。铜中的内层3d 能带已经被电子充满，这些电子被原子紧紧 束缚，不能与4s能带相互作用。由于铜中的 3d能带和4s能带之间基本没有相互作用， 所以铜的导电性非常好。银和金的情况与铜 类似。
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周期表ⅣA族元素，如碳、硅、锗、锡，在 最外层p轨道有2个电子，化合价为4。根据 前面的讨论，因为这些元素的p能带没有被 电子充满，似乎应该具有良好的导电性。但 实际情况却不是这样。这些元素都是以共价 键结合的，最外层的s能带电子和p能带电子 都被原子紧紧束缚。共价键使能带结构发生 比较复杂的变化，即杂化现象。
2
图5.1电子数量增加时能级扩展成能带 3
导带 禁带
图5.2 钠的能带结构
4
由于钠只有1个3s电子，所以在3s价带上， 只有一半的能级被电子所占据。自然，这些 被电子占据的能级应该是能量较低的能级， 而3s价带中能量较高的处于上方的能级很少 有电子占据。当温度为绝对零度时，只有下 面一半的能级被电子占据，上面一半的能级 没有电子占据。能带中有一半的能级被电子 占据的能级称为费密能级。而当温度大于绝 对零度时，有一些电子获得了能量，跳到价 带里的较高能级，而在相对应的较低的能级 上失去了电子，产生了相同数量的空穴。
5
图5.3能带中电子随温度升高而进行能级跃迁 (a)绝对零度时,所有外层电子占据低的能级; (b)温度升高,部分电子被激发到原未被填充的能级6
镁原子的核外电子结构为1s22s22p63s2。像 镁这样的周期表ⅡA族元素的最外层3s轨道 有2个电子，所以按理说它的3s能带就会被 电子全部占满。
但是，由于固体镁的3p能带与3s能带有重叠， 这种重叠使得电子能够激发到3s和3p的重叠 能带里的高能级，所以镁具有导电性。
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5.2.4其他材料的导电性能
离子材料中的导电性往往需要通过离子的 迁移来实现，因为这类材料中的禁带宽度 较大，电子难以跃迁到导带。所以大多数 的离子材料是绝缘体。如果在离子材料中 引入杂质或空位，能够促进离子的扩散， 改善材料的导电性。当然，高温也能促进 离子扩散，进而改善导电性。
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高分子材料中的电子都是共价键结合的，所以 高分子材料的禁带宽度都非常大，电导率也非 常低。因此高分子材料常用作绝缘体。有时， 低电导率也会对材料造成损害。
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电热合金的使用温度非常高。对于使用温度 为900~1350℃的电热合金，常用镍铬合金。 当使用温度更高时，一般的电热合金不是会 发生熔化，就是会发生氧化。此时需要采用 陶瓷电热材料。常见的陶瓷电热材料有碳化 硅（SiC）、二硅化钼（MoSi2）、铬酸镧 （LaCrO3）和二氧化锡（SnO2）等。
根据原子结构理论，每个电子都占有一个 分立的能级。泡利（Pauli）不相容原理指 出，每个能级只能容纳2个电子。
1
当N个原子相互靠近形成一个固体时，泡利 不相容原理仍然成立，即在整个固体中，也 只能有2个电子占据相同的能级。当这两个 原子的距离足够近时，它们的2s轨道的电子 就会相互作用，以致不能再维持在相同的能 级。当固体中有N个原子，这N个原子的2s 轨道的电子都会相互影响。这时就必须出现 N个不同的分立能级来安排所有这些2s轨道 的电子（这些电子共有2N个）。2s轨道的N 个分立的能级组合在一起，成为2s的能带。
而绝缘体的禁带宽度则为 4 ~ 5 eV。不过，并
没有一个严格的禁带宽度数值以截然区别半导
体和绝缘体。
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表5.2 一些材料的禁带宽度Eg（eV）材料 C(金刚石)禁带宽度 Eg 5.48
Si
1.12
Ge
0.67
Sn（灰锡） 0.08
GaAs
1.35
InAs TiO2(锐钛矿) ZnO In2O3 SrTiO3 ZrO2
0.36 3.2 3.2 2.5 3.2 5.0
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5.2.3导电材料与电阻材料
导电材料是以传送电流为主要目的的材料。 对于像电力工业这样的强电应用的导电材 料，主要有铜、铝及其合金。而像电子工 业这样的弱电应用的导电材料则除了铜、 铝之外，还常用金、银等。
15
电阻材料的主要目的是给电路提供一定的 电阻。作为精密电阻材料的以铜镍合金为 代表，如康铜（Cu-40%Ni-1.5%Mn）。铜 镍合金的电阻率随着成分的变化而连续变 化，在含镍为40wt%左右具有最大的电阻 率、最小的温度系数、最大的热电势。
解决这些问题的方法有两种，一是在高分子材 料中引入添加剂，改善材料的导电性，二是开 发本身就具有导电性的高分子材料。
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10
图5.5 金刚石中碳的能带结构 11
在金刚石的价带和导带之间有一个较大的 禁带Eg。很少有电子具有足够的能量，能 够从价带跃迁到导带去。所以金刚石的电 导率很低。
提高温度或者施加高电压，可以使价带的 电子获得能量，跃迁到导带。例如，氮化 硼的室温的电导率为10-13Ω-1·cm-1，温度 升到800℃时则为10-4Ω-1·cm-1。