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。
材料导电性质、基本规律与性能影响
§3.1 基本概念及基本规律
一、基本概念
电流：定向移动的电荷 电荷一般由载流子携带
电流强度：单位时间内流过某一截面的电荷量
I
dq dt
eI
电流密度：单位时间内流过材料单位横截面的电量 电阻：物体对电流的阻碍特性
j dI ds
实验上其值由加在材料两端的电压与通过这段材料
电流的比值确定，即 R V
半导体
E(k)
空带 禁带
半导体的能较小 的带隙，当有光照或升高温度时，价带 中的电子将被激发到空带中，使导带底 附近有少量电子，这些电子将参与导电； 同时价带中出现的空穴也将参与导电。
k
h
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。
kFl
利用kF3 3 2n
以及kFl kF a 1
可估计出三维情况 下最小金属电导为
a是一与晶格常数 相近的微观尺度
2 0 0 c m绝 缘 体
2 0 0 cm金 属
3D min
1
32
e2
1
a
利用 以及a
e2 4.1k ~ 0.1nm
max~200cm
大电量阻的 率实大验于数80据-10分0析表c明m时，，对材料的导d电性/质d、T基本规0律和不出性能再的影保经响 持验，判这断和在上量面级根上据是阻相温一系致数的给
离子导电指输运电荷中的载流子是离子 具有离子电导解电质性溶的液固(如态K物C质l溶常液被)的称导为电固就体是电离解子质导电 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。
电路中的电线材料与导电性能
电路中的电线材料与导电性能电线材料是电路中重要的组成部分，其导电性能直接影响着电路的质量和性能。
选择合适的电线材料对于确保电路的稳定性和安全性至关重要。
本文将探讨电路中常用的电线材料以及它们的导电性能。
一、铜导线铜导线是电路中最常见的材料之一，其导电性能优异，被广泛应用于各类电子设备和电力系统中。
铜的低电阻率使得电流能够更快速地通过，提高了电路的传输效率。
此外，铜导线具有优良的导热性能，能够有效地散热，防止电线过热引起的故障。
二、铝导线与铜导线相比，铝导线的电导率较低，但是铝导线的价格更为经济实惠。
因此，在一些低压低频的电路中，铝导线也被广泛使用。
然而，铝导线的劣势在于其较高的电阻率，容易发生热量集聚，导致过热问题。
为了克服这个问题，铝导线通常会采用更大的截面积，以减少电阻对其性能的影响。
三、银导线银导线具有优异的导电性能，是一种非常好的导线材料。
银的电阻率最低，使其成为高频电路和高精度测量仪器中的理想选材。
然而，银导线价格较高，不适用于一般的电路应用。
四、铜包铝导线铜包铝导线是将铝线包覆在铜层之中，结合了铝和铜的特点。
这种导线既保持了铝的经济性，又克服了铝导线电阻率较高的问题。
铜包铝导线在应用中具有较好的导电性能，被广泛用于电力传输领域。
五、铜包钢导线铜包钢导线是将钢丝包覆在铜层之中，结合了钢的强度和铜的导电性能。
这种导线具有较好的机械性能和导电性能，被广泛应用于电力系统中。
六、绝缘材料电线在导电过程中需要具备良好的绝缘性能，以避免导线之间短路或漏电的问题。
常见的绝缘材料包括聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（PTFE）等。
这些材料具有良好的绝缘性能和机械性能，能够有效地保护导线。
总结：电路中的电线材料对于电路的运行和性能起着至关重要的作用。
根据不同的应用场景和需求，选择合适的电线材料十分重要。
铜导线具有优良的导电性能和导热性能，被广泛应用于各类电子设备和电力系统中。
铝导线在一些低压低频的电路中也能发挥其经济性的优势。
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
材料性能学第十章 材料的导电性能
材料性能第十章材料的导电性能
第十章材料的导电性能
第十章材料的导电性能
和禁带。
材料性能第十章材料的导电性能。
当外电场ε加上之后，各电第十章材料的导电性能
材料性能第十章材料的导电性能
1
第十章材料的导电性能
第十章材料的导电性能
第十章材料的导电性能
第十章材料的导电性能
第十章材料的导电性能
的加强使有效电子数减少，也会造成电阻率的增长。
材料性能第十章材料的导电性能
Cu
3Au合金
l一无序(淬火态)；2一有序(退火态)
第十章材料的导电性能
(a)连续固溶体；(b)多相合金；(c)正常价化合物；(d)间隙相
电阻率与状态图关系示意图
材料性能第十章材料的导电性能
4
2213
211R I R I R I R I R R N X －－=分别为标准电阻与待
，
测量原理如图所示。
各样品内侧两电极间的电压为，电极间距离为l，样品截面为Ｓ
过的电流为Ｉ。
则其电导率为
σ=
在室温下测量电导率通常采用简单的四探针法
线排列，并以一定的载荷压附于样品表面。
若流经１，４探针间的电流为
电阻法测定Mg—Mn合金的溶解极限
材料性能第十章材料的导电性能
第十章
第十章材料的导电性能
第十章材料的导电性能。
材料的导电性能与测试方法
材料的导电性能与测试方法材料的导电性能对于许多领域的应用具有重要意义，从电子学到能源领域都需要高效的导电材料。
本文将探讨材料的导电性能以及一些常用的测试方法。
一、导电性能的影响因素材料的导电性能受到多种因素的影响，以下是其中一些主要因素：1. 材料结构：材料的晶体结构以及晶格缺陷都会影响导电性能。
晶格缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
2. 杂质：杂质可以影响材料的导电性能。
有些杂质可以增加导电性，而另一些杂质可能导致导电性能下降。
3. 温度：温度对于材料的导电性能也有很大的影响。
一般情况下，随着温度的升高，材料的导电性能会增强。
4. 应力：外加应力也可以改变材料的导电性能。
在某些情况下，应力可以使材料的导电性能增加，而在其他情况下则会减弱。
二、导电性能测试方法下面介绍几种常用的材料导电性能测试方法：1. 电阻率测试：电阻率是用来描述材料导电性能的一个重要参数。
可以通过四探针法或者两探针法来测量材料的电阻率。
四探针法可以消除接触电阻的影响，得到更准确的电阻率测试结果。
2. 导电性能测试：导电性能测试通常是通过测量材料的电导率来进行的。
电导率是电阻率的倒数。
可以使用四探针法或者两探针法来进行测量。
3. Hall效应测试：Hall效应测试是一种测量材料导电性能的方法，通过测量材料中的Hall电压和磁场之间的关系来确定电导率、载流子浓度和载流子类型。
4. 微观结构分析：对于复杂的材料，如多组分合金或复合材料，可以通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等技术来分析材料的微观结构和晶体结构，从而进一步理解材料的导电性能。
5. 有限元模拟：有限元模拟是一种通过数值计算方法来模拟材料的导电性能的技术。
通过建立材料的几何模型和物理模型，可以模拟材料在不同条件下的导电性能，为实验提供指导和验证。
总结：本文讨论了材料的导电性能与测试方法。
导电性能的影响因素包括结构、杂质、温度和应力等。
材料的导电性和导热性
材料的导电性和导热性材料的导电性和导热性是研究材料特性和应用领域的重要方面。
导电性指的是材料在外加电场作用下，电荷的自由移动能力。
而导热性则是材料对热的传导能力。
这两种特性的理解和研究对于电子器件以及工程中的热管理都具有重要意义。
从微观结构的角度来看，材料的导电性和导热性主要与其晶体结构和电子结构有关。
在导电性方面，金属由于其特殊的价电子排布形式而具有良好的导电性能。
金属中的电子形成了形如“电子海”的结构，电子能够自由跃迁，使得金属能够在外加电场下形成电流。
相反，绝缘体中的电子排布方式导致电子无法在外加电场下自由移动，因此绝缘体具有较差的导电性能。
导热性与导电性类似，也与材料的晶体结构和电子结构有关。
晶体中原子的排布方式决定了材料的热传导路径。
对于金属材料而言，其晶体结构通常是紧密堆积的，原子之间形成了较密实的结构。
因此金属的导热性能高，原子之间的振动能够有效传递热能。
绝缘体的晶体结构则相对疏松，导热性能较差。
然而，并非所有的金属都具有相同的导电性和导热性能。
同一种金属材料的导电性和导热性还与其他因素有关，例如晶体缺陷、杂质等。
晶体缺陷会影响电子的传输路径和碰撞频率，从而影响导电性和导热性。
杂质的存在可能会改变材料的电子能级分布，从而导致导电性和导热性发生变化。
除了金属和绝缘体，还存在一类介于两者之间的材料，即半导体。
半导体的导电性在一定程度上介于金属和绝缘体之间。
半导体材料中的电子能级结构存在“禁带”，需要外界能量激发才能使电子跃迁到传导带。
在一些特定条件下，半导体通过掺杂等手段可以实现改变其导电性能，从而被广泛应用于电子器件中。
在工程应用方面，材料的导电性和导热性是重要的考虑因素。
例如，在电子器件的设计中，导电性决定了电子的传输效率，因此需要选择具有良好导电性能的材料。
而在热管理的领域，导热性是一个关键问题。
高功率电子器件的散热是一个重要的挑战，有效地提高热传导能力，可以提高电子器件的效率和寿命。
电子材料的导电性能分析
电子材料的导电性能分析电子材料是现代电子技术中不可或缺的基础材料，其导电性能对于电子设备的性能和功能起着至关重要的作用。
本文将从导电性能的定义、常见测量方法、影响因素以及提升导电性能的途径等方面进行分析和讨论。
一、导电性能的定义导电性能是指材料导电的能力，通常通过电导率来表征。
电导率是描述材料导电性能的物理量，单位是西门子/米（S/m）。
电导率越高，材料的导电性能就越好。
二、导电性能的测量方法1. 四探针法：四探针法是一种常用的测量材料导电性能的方法。
它利用四个探针分别接触材料的表面，形成一个电流通路，通过测量电流和电压的关系来计算材料的电阻和导电率。
2. 电阻率计法：电阻率计也是一种常见的测量导电性能的工具。
它通过在材料上施加一定的电压，测量通过材料的电流大小，从而计算出电阻和电导率。
3. Hall效应测量法：Hall效应是一种描述导电性能的现象，通过测量材料中磁场引起的电压差来计算出载流子的类型、浓度和迁移率等参数，进而得到材料的导电性能。
三、影响导电性能的因素1. 材料的载流子类型和浓度：导电性能与材料内部载流子的类型（电子或正孔）和浓度相关。
一般来说，电子是主要的载流子，浓度越高，导电性能越好。
2. 材料的晶格结构和净化度：晶格结构的完整性和净化度对导电性能起着重要的影响。
杂质、缺陷和晶格畸变等因素都会降低导电性能。
3. 温度：温度对导电性能有显著影响。
一般来说，随着温度的升高，导电性能会增加，但在一定温度范围内，导电性能可能会出现饱和现象。
四、提升导电性能的途径1. 选择合适的导电材料：根据具体的应用需求，选择具有良好导电性能的材料是提升导电性能的重要途径。
例如，金属、导电聚合物等材料具有较高的导电性能。
2. 优化材料的制备工艺：通过优化材料的制备工艺，可以改善材料的结晶性和纯度，从而提升导电性能。
例如，采用先进的沉积技术、控制材料的热处理参数等。
3. 掺杂和合金化：适度的掺杂和合金化可以改变材料的电子结构和晶格结构，从而提高导电性能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
28
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
9
5.2.1 能带结构
2. 能量最小原理 原子系统处在正常状态时,每个电子总是尽可能 占有最低的能级。 电子在各壳层、分壳层的填充由左向右： n= 1 K 1s2 2 L 2s22p6 3 M 4 N …… ……
3s23p63d10 4s24p64d104f14 …...
10
5.2.1 能带结构
25
材料导电与能带特征的具体实例
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。
1916年柯塞尔(W.Kossel)对多电子的原子系统提 出了壳层结构学说： 主量子数n相同的电子分布在同一壳层上。 主量子数n相同而角量子数l不同的电子分布在不 同的分壳层或支壳层上。
l=0, 1, 2, 3, 4 ...…
如：n=3, l=0, 1, 2…分别称为3s态, 3p态, 3d态…
主量子数n愈小其相应的能级愈低。在同一壳层 中,角量子数l愈小,其相应的能级愈低。
材料导电与能带特征
E 导带(不空) E E 空 带
禁 带
满 带
空 带
满 带
导带(不空)
满 带
导体的能带特点：都具有一个未被电子填满的 能带。 在外电场作用下,这些能带中的电子很容易从一个 能级跃入另一个能级,从而形成电流,所以导体显示出 很强的导电能力。
19
材料导电与能带特征的具体实例
导带
8
5.2.1 能带结构
对给定的一个l(角)的分壳层, ml=0,±1,±2,…,±l，共(2l+1)个值(磁)；
1 ms , 共2个值; 2
量子态数为 2(2l+1) 所以各分壳层能容纳的最多电子数为 l= 0, 1, 2, 3, 4 …… s p d f g …… 最多电子数： 2 6 10 14 18 ……
15
电子在能带中的填充和运动
由于满带中所有能级都被电子 占满，因此一个电子在外力作用下 向其它能级转移时，必然伴随着相 反方向的转移来抵消，所以满带是 不导电的。
图 5.3
导带中的能级未被占满，一个 电子在外力作用下向其它能级转移 时，不一定有相反方向的转移来抵 消，所以导带具有导电作用。
0.36
3.2 3.2 2.5 3.2 5.0
29
Si Ge
Sn（灰锡） 0.08
GaAs 1.35
5.2.3 导电材料与电阻材料
电阻率（电导率）
对一截均匀导电体，存在如下 关系： 欧姆定律
i
Area Length
30
5.2.3 导电材料与电阻材料
表面电阻、体积电阻
施加电场时，通过材料的电流为表面电流和体积电流之和。 I=Is＋Iv 相应地电阻也可以分为体积电阻Rv和表面电阻Rs 体积电阻率ρ v 或 式中： h为试样的厚度； S为试样的面积 表面电阻率ρ s 式中：ι 为电极的长度；b为电极间的距离。
4
5.2.1 能带结构
电子的运动状态的表征：
粒子性与波动性 经典物理：状态用物理量描述。 量子力学：状态用波函数描述。 薛定谔方程 Schrodinger在1926年建立了非相对论粒子的波函 数随时间演化的方程。
量子数（n主，l角，m磁，ms 自旋）
5
5.2.1 能带结构
原子的壳层结构：
31
5.2.3 导电材料与电阻材料
表面电阻、体积电阻
32
5.2.3 导电材料与电阻材料
1. 对板状样品
33
5.2.3 导电材料与电阻材料
2. 对管状样品
34
5.2.3 导电材料与电阻材料
3. 对圆片状样品
35
5.2.3 导电材料与电阻材料
电阻率测试方法
ρ v和ρ s都是用一个三电极装置测定，该装置由主电极、环 形电极和下电极组成。测定ρ v时样品被测面积就是主电极 的面积；测定ρ s时电极长度为主电极的周长。
16
图 5.4
材料导电与能带特征
E E 空 带 禁 带 E=0.10.2eV 满 带 空 带 禁 带 E=36eV 满 带
(a)半导体的能带
(b)绝缘体的能带
从能带上看，半导体和绝缘体的能带没有本质区 别：都具有填满电子的满带和隔离满带与空带的禁带。 不同的是，半导体的禁带较窄，而绝缘体的禁带较宽。
第5章 导电物理
5.1概述 5.2材料的导电性能 5.3金属电导 5.4半导体物理 5.5 超导物理
2个ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ时
2个学时
4个学时 10个学时 4个学时
1
5.2材料的导电性能
5.2.1 能带结构 5.2.3 导电材料与电阻材料 5.2.4 其他材料的导电性能
2
5.2.1 能带结构
材料的性能决定于： 组成 结构
11
2.能带的形成 设有N个原子结合成固体，原来单个原子时处 于1s能级的2N个电子现在属于整个原子系统(固体) 所共有，根据泡利不相容原理，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),因 而就不能再占有一个能级，而是分裂为N个微有 不同的分立能级。由于N是一个很大的数，这些 分立能级相距很近，看起来几乎是连续的，从而 形成一条有一定宽度E的能带。
Compound Resistivity (-cm) Compound Resistivity (-cm)
Ca Ti Mn Zn Cu Ag Pb
3.9 10-6 42 10-6 185 10-6 5.9 10-6 1.7 10-6 1.6 10-6 21 10-6
17
E E 空 带 禁 带 E=0.10.2eV 满 带 (a)半导体的能带 空 带 禁 带 E=36eV 满 带 (b)绝缘体的能带
绝缘体的禁带一般很宽 , 一般的热激发、光照或外 加电场不是特别强时,满带中的电子很少能被激发到空 带中去,所以绝缘体有较大的电阻率，导电性极差。 半导体的禁带宽度较窄,在通常温度下,有较多的 电子受到热激发从满带进入空带, 不但进入空带的电 子具有导电性能,而且满带中留下的空穴也具有导电性 能。所以半导体的导电性虽不及导体但却比绝缘体好 18 得多。
对给定的一个n, l=0,1,2,…,(n-1) , 共n个值； ml=0,±1,±2,…,±l，共(2l+1)个值；
1 ms , 共2个值; 2
n 1
量子态数为
2 (2l+1) =2n2
l 0
所以各壳层能容纳的最多电子数为 n= 1, 2, 3, 4， 5, …… K L M N O …… 最多电子数： 2 8 18 32 50 …...
材料结构的类型
•
聚集态结构
气、液、固；固态中有晶态和非晶态。 物相结构：混合物、晶态、非晶态 显微结构：取向 空间位置分布：多组分、多相材料的均匀性
•
分子与晶体结构
基团结构 分子结构：相对分子量、相对分子质量分布、支化度、交联度 晶体结构 构型与构象
•
电子结构
3
5.2.1 能带结构
能带理论是在量子自由电子论的基础上，考 虑了离子所造成的周期性势场的存在，从而导出 了电子的分布特点，并建立了禁带的概念。 从连续能量分布的价电子在均匀势场中的运 动，到不连续能量分布的价电子在均匀势场中的 运动，再到不连续能量分布的价电子在周期性势 场中的运动，分别是经典自由电子论、量子自由 电子论、能带理论这三种分析材料导电性理论的 主要特征。
21
材料导电与能带特征的具体实例
图 5.6 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
22