第五章無機材料的電導
5.2 電導的物理現象
根據材料的電導率可把材料分為：
超導體： ≥1015ω-1.m-1 導體：
在108～104ω-1.m-1 半導體： 在106～10-6ω-1.
m-1絕緣體： 在10-8～10-20ω-1.m-1
歐姆定律的微分形式： e：v/cm
測試方法:1管狀試樣的體積電阻
2圓片試樣的體積電阻和體積電阻率
3、表面電阻和表面電阻率
板狀式樣：
圓片試樣：
4、直流四端電極法 :適用於中高電導率的材料，能消除電極非歐姆接觸對測量結果的影響。
5在室溫下測量電導率常採用四探針法(該公式在試樣尺寸比探針間距近似無限大的情況下成立。
若測量薄膜等試樣，其結果必須進行修正。)
電流是電荷的定向移動，有電流就必須有電荷的運輸過程。電荷的載體即為載流子。
材料的導電現象，其微觀本質就是載流子在電場作用下的定向遷移！
霍爾效應:
現象：置於磁場中的靜止載流導體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上平行於電流和磁場方向上的兩個面之間產生電動勢差，這種現象稱霍爾效應。
原因：源於電子在磁場作用下產生橫向移動。
意義：證實了電子的粒子性，是電子電導的特徵，利用其檢驗材料是否存在電子電導。
電解效應 :
離子電導的特徵是具有電解效應。
離子的遷移伴隨著一定的質量變化，離子在電極附近發生電子得失，產生新物質，這就是電解現象。
法拉第電解定律：電解物質與通過的電量成正比。
g=cq=q/f , g為電解物質的量，q為通過的電量，c為電化當量，f為法拉第常數。
利用電解效應可以檢驗
材料是否存在離子導電
可以判定載流子是正離子還是負離子
遷移率和電導率的一般表示式: （載流子在單位電場中的遷移速度）
該式反映了電導率的微觀本質，即巨集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係。
5.3 離子電導
離子電導是帶電荷的離子載流體在電場作用下的定向運動。
晶體的離子電導主要有兩類：
１．固有離子電導（本徵電導）：源於晶體點陣的基本離子的運動，即離子自身隨著熱振動離開晶格形成熱缺陷。（高溫下顯著）
２．雜質電導：由固定較弱的離子運動造成的，主要是雜質離子。（較低溫度下，雜質電導顯著）
一、載流子濃度
1、本徵電導：載流子——弗侖克爾缺陷和肖特基缺陷。
（1）、弗侖克爾缺陷
弗侖克爾缺陷濃度：
ef：形成乙個弗侖克爾缺陷（即同時生成乙個填隙離子和乙個空位）所需要的能量。
（2）、肖特基缺陷
肖特基缺陷濃度：
es：離解乙個陰離子和乙個陽離子並到達表面能量所需要的能量。
熱缺陷的濃度取決於溫度t和離解能e。
在高溫下，熱缺陷濃度較為顯著，本徵電導才顯著。
e與結構有關，一般肖特基缺陷較弗侖克爾缺陷形成能低很多，容易形成。在結構較為疏鬆，離子半徑很小的的情況下，才能形成弗侖克爾缺陷。
2、雜質電導
雜質離子的存在，增加了電流載體數，而且使點陣發生畸變，雜質離子離解活化能變小。
雜質載流子的濃度決定於雜質的數量和種類。
低溫下，離子晶體的電導主要由雜質載流子濃度決定。
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巨集觀的離子「遷移」。
三、離子電導率
1、離子電導的一般表示式
其中ws稱為電導活化能，它包括缺陷形成能和遷移能。在溫度不高時，可以認為as為常數，因而電導率由指數
項決定。
本徵離子電導
雜質離子電導：
雜質電導率比本徵電導率大得多，因而離子晶體中，主要以雜質電導為主。
若物質存在多種載流子，其總電導率為：
2、擴散與離子電導
（1）、離子擴散機構
空位擴散：較為容易。
間隙擴散：較難進行。
亞晶格擴散：比較容易產生。
（2）、能斯脫-愛因斯坦方程
擴散係數與離子遷移率的關係
d——擴散係數
b——離子絕對遷移率
四、離子電導率的影響因素
1、溫度呈指數關係，隨溫度公升高，電導率迅速增大。 低溫下，雜質電導佔主要地位(曲線1)；高溫下，固有電導起主要作用。
注意：剛玉瓷在低溫下，發生雜質離子電導，在高溫下主要為電子電導，這種情況下也會出現轉折點。
2、晶體結構
活化能大小取決於晶體間各粒子的結合力。而晶粒結合力受如下因素影響：
1離子半徑：離子半徑小，結合力大 2離子電荷：電價高，結合力大3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
3、晶格缺陷
離子晶體具有離子電導的必要條件：
電子載流子的濃度小；
缺陷濃度大，並且參與導電。
影響晶格缺陷生成和濃度的主要原因：
熱激勵形成晶格缺陷；
不等價摻雜形成晶格缺陷；
正負離子計量比隨著氣氛的變化而發生偏離。
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
固體電解質的電導以離子電導為主，但或多或少地具有電子電導，因此：
σ = σi + σe
離子遷移數：ti = σi/σ =σi/(σi + σe)
電子遷移數：te = σe/σ=σe/(σi+σe)
遷移數表徵各種載流子對總電導貢獻的比例！
固體電解質一般有如下特徵資料：
1離子電導率應在10-2—102s/m範圍；
2傳導離子在晶格中的活化能很低，約在0.01—0.1ev之間
小結1、本徵電導即離子、空位等的產生，這尤其是在高溫下十分顯著；雜質電導雜質離子是弱聯絡離子，故在較低溫度下其電導也表現得很顯著。
2、a、固有電導(本徵電導)中晶體的熱缺陷主要有兩類：弗侖克爾缺陷和肖特基缺陷，固有電導在高溫下才會顯著地增大；b、雜質離子載流子的濃度決定於雜質的數量和種類。低溫下，離子晶體的電導主要由雜質載流子濃度決定。
3、離子遷移率：正離子順電場方向 「遷移」容易，反電場方向「遷移」困難。
4、離子晶體的電導主要為雜質電導
5、離子擴散機構主要有：1、空位擴散；2、間隙擴散；3、亞晶格間隙擴散
6、影響離子電導率的因素：a、溫度，在低溫下，雜質電導佔主要地位(曲線1)，高溫下，固有電導起主要作用。 b、晶體結構，關鍵點：活化能大小――決定於晶體間各粒子結合力，c、晶體缺陷
5.4 電子電導
概述 電子電導的載流子是電子或空穴；
電子電導主要發生在導體和半導體中；
能帶理論指出：在具有嚴格週期性電場的理想晶體中的電子和空穴 ，在絕對零度下的電子運動時不受阻力，遷移率為無限大。當週期性受到破壞時，才產生阻礙電子的運動的條件；
電場週期破壞的**是：晶格熱振動、雜質的引入、位錯和裂紋等；
電子與點陣的非彈性碰撞引起電子波的散射是電子運動受阻的原因之一。
一、金屬和半導體的導電機理
1、經典自由電子理論
(1) 每個金屬原子的價電子是完全自由的，可以在整個金屬中自由運動，就像氣體分子能在乙個容器內自由運動一樣（故把價電子稱作「電子氣」）；
(2) 完全自由的價電子遵守經典力學，特別是氣體分子的運動規律，遵循玻爾茲曼(boltzmann)統計分布；
(3)無外加電場時，自由電子沿各方向運動的機率相同，不產生電流；有外加電場時，自由電子沿電場方向作巨集觀定向移動，形成電流；
(4)電阻**於自由電子與晶格點陣的碰撞。
經典自由電子理論成功地匯出了歐姆定律，並推導出金屬的電導率的計算公式：
l ： 平均自由程
： 電子運動的平均速度
n ： 單位體積的自由電子數
m ： 自由電子質量
e ： 自由電子電荷
： 電子兩次碰撞之間的平均時間
無法解釋一價金屬導電性優於
二、三價金屬，電阻率與溫度的關係與實驗不符，亦不能解釋超導現象。
2、量子自由電子理論
（1）金屬中的價電子是完全自由的，但這些電子按泡利(pauli)不相容原理的要求遵循費公尺-狄拉克(fermi-dirac)統計分布，非boltzmann統計分布，即電子服從量子力學原理。
（2）所有價電子都受到電場的加速，但只有那些在費公尺球(fermi sphere)表面附近的電子才能夠導電，而不是所有價電子都對導電有貢獻。即只有處於較高能態的自由電子參與導電。
（3）價電子有波粒二象性，能量呈量子化分布規律。
（4）金屬內部的缺陷和雜質是形成電阻的原因。
電導率計算公式為：
nef ：單位體積內參與導電的有效自由電子數
t ：兩次散射之間的平均時間
p ：單位時間內散射的次數，散射機率
量子自由電子論的缺陷：無法解釋直流電導率對溫度的依賴關係；無法解釋某些金屬的電導率可能是各向異性的；無法說明為什麼固體都包含大量的電子但其導電性卻相差如此之大，以至於可分為導體、半導體和絕緣體這樣最基本的問題 ，假定不合理 —— 晶體中的電子並不自由，受離子勢場的作用；電子的能量是不連續的等。
3、能帶理論
a能級的分布可以看成是準連續的，金屬中的價電子是公有化，能量是量子化
b金屬中離子造成的勢場是不均勻的，而是呈週期變化的
c電子在週期勢場中運動時，隨著位置的變化，它的能量也呈週期性的變化（接近正離子時勢能降低，離開時勢能增高）
d價電子在金屬中的運動不能看成完全自由的，而是受到週期勢場的作用
e由於週期勢場的影響，使得價電子在金屬中以不同能量狀態分布的能帶發生**，即有某些能態電子是不能取值的，存在能隙
晶體中原子排列具有週期性，那麼晶體中的勢場也具有週期性，稱為週期性勢場。
(1) 能級——在孤立原子中，原子核外的電子按照一定的殼層排列，每一殼層容納一定數量的電子。每個殼層上的電子具有分立的能量值，也就是電子按能級分布。為簡明起見，在表示能量高低的圖上，用一條條高低不同的水平線表示電子的能級，此圖稱為電子能級圖。
(2) 能帶——當原子相互接近形成晶體時，不同原子的內外各電子殼層之間就有了一定程度的交疊。由於電子殼層的交疊，電子不再完全侷限在某乙個原子上，電子受到週期性勢場的微擾作用可以在整個晶體中運動,這種運動成為電子的共有化運動。
電子的這種共有化的運動,使本來處於同一能量狀態的電子產生微小的能量差異，與此相對應的能級擴充套件為能帶。**的每乙個能帶都稱為允帶，允帶之間有禁帶。
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。原子的內層電子與原子核結合較緊,一般不是共有化電子。
新型無機材料
無機非金屬材料是人類最先應用的材料。以矽酸鹽為主要成分的傳統無機材料體系 如陶瓷 玻璃 水泥 耐火材料等 在國民經濟和人民生活中起著極為重要的作用，至今仍然是國民經濟重要的支柱產業，仍在繼續發展。同時，新材料 新工藝 新裝備和新技術也不斷湧現。隨著現代科學技術的發展，在無機材料領域中展現了乙個新的領...
無機材料效能學
1 折射率定義，影響因素 介質對光的折射性質用材料的 折射率 n表示。光從真空進入介質材料時，速度降低。光在真空和材料中的速度之比即為材料的絕對折射率。介質材料的折射率一般為大於1的正數。折射率的影響因素 1 構成材料元素的離子半徑 2 材料的結構 晶型 3 材料的內應力 4 同質異構體 2 色散定...
無機封孔材料
無機封孔材料是針對密封煤層瓦斯抽採鑽孔研發的最新無機合材料。該材料完全替換之前礦井使用聚氨酯材料，杜絕聚氨酯材料反映發熱高的不安全因素，使得材料的粘結性及柔韌性顯著增加，膨脹速度放緩，向鑽孔周邊裂隙滲透效果好，密封效能大大提高。可以有效地提高瓦斯抽放濃度，延長瓦斯有效抽放期，保證瓦斯抽放工程起到應有...