《材料的电学》PPT课件

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1、材料物理第四章材料的电学张小伟xiaoweizhang@swust.com.cn西南科技大学材料科学与工程学院材料物理人生一世，会遇到无数的事件，会有无数的决定需要作出。成功的人总是在重要关头把命运掌握在自已的手中作决定；而那些犹柔寡断没有胆量抉择的人，往往都是失败者。-------选自《改变一生的9个步骤》第四章材料的电学概述600BC：古希腊哲学家发现梳子磨擦产生静电古希腊单词elektron——梳子近代：Coulomb,Galvani,Volta,Oersted,Ampere,Faraday…现代：经典、量子的解释。第四章材料的电学概述导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材

2、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。在许多情况下，材料的导电性能比力学性能还重要。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。第四章材料的电学概述在许多情况下，材料的导电性能比力学性能还重要。举例：长距离传输电力的金属导线应该具有很高的导电性，以减少由于电线发热造成的电力损失。陶瓷和高分子的绝缘材料必须具有不导电性，以防止产生短路或电弧。作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要求更高，以追求尽可能高的太阳能利用效率。第四章材料的电学概述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在离子

3、化合物中，携带电荷的载流子则是离子。第四章材料的电学概述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。对于金属材料来说，载流子的移动速率特别重要。对于半导体材料来说，载流子的数量更为重要。载流子的移动速率取决于原子之间的结合键、晶体点阵的完整性、微结构以及离子化合物中的扩散速率。第四章材料的电学概述材料电子结构电导率（Ω-1·cm-1）碱金属Na1s22s22p63s12.13×105碱土金属Mg1s22s22p63s22.25×105ⅢA族金属Al1s22s22p63s23p13.77×105过渡族金属Fe......3d64s21.00×105

4、Ⅳ族元素材料Si............3s23p25×10-6高分子材料聚乙烯10-15陶瓷材料Al2O310-14部分材料的电导率第四章材料的电学概述第四章材料的电学概述经典自由电子论量子自由电子论能带理论分析理论第四章材料的电学概述经典自由电子理论简介(1895,LA.Lorentz,PDrude)1.金属结构模型—离子实(原子核与内层电子)＋自由电子(价电子，公有化)2.经典理论—服从分子运动论(电子气体，等同于理想气体)3.重要结论—导出欧姆定律、焦耳热，金属良好导电性等；4.主要缺陷—电子运动状态的结论中，电子的平均动能随着温度线性变化，0K下将“冷凝”；金属中自由电

5、子的热容理论与实验结果不符5.成功的要点—金属价电子的公有化，即存在自由电子6.缺陷原因—自由电子的行为根据经典物理学理论处理第四章材料的电学概述成功：困难：可以推导出欧姆定律、焦尔-楞次定律等一价金属和二价金属的导电问题电子比热问题根源在于它是立足于牛顿力学第四章材料的电学概述一价金属和二价金属的导电问题按照自由电子的概念，二价金属的价电子比一价金属多，似乎二价金属的导电性比一价金属好很多。但是实际情况并不是这样。材料电子结构电导率（Ω-1·cm-1）碱金属Na1s22s22p63s12.13×105碱土金属Mg1s22s22p63s22.25×105第四章材料的电学概述电子

6、比热问题按照经典自由电子论，金属中价电子如同气体分子一样，在温度T下每1个电子的平均能量为3kBT/2(kB为玻耳兹曼常数)。对于一价金属来说，每1mol电子气的能量Ee=NA3kBT/2=3RT/2，式中NA为阿佛加德罗常数，NA=6.022×1023mol-1,R为气体常数。1mol电子气的热容Cev=dEe/dT=3R/2≈3cal/mol。这一结果比试验测得的热容约大100倍。第四章材料的电学概述量子自由电子论金属离子所形成的势场各处都是均匀的，价电子是共有化的，它们不束缚于某个原子上，可以在整个金属内自由地运动，电子之间没有相互作用。电子运动服从量子力学原理。第四章材料

7、的电学概述量子自由电子理论(1930s,索末菲A.Sommerfeld）基本要点继承金属结构模型—离子实＋自由电子利用量子力学理论处理自由电子的运动状态将金属中自由电子(考察对象)与离子实和其他自由电子之间的静电交互作用，等效为均匀势场独立单电子假设—取出一个自由电子作为代表，假设电子之间无互相关联性，计算该电子的可能状态，而按照能量最低原理将体系中所有自由电子排布于这样得到的单个电子的允许状态(能级)上，确定自由电子体系的状态第四章材料的电学概述由于在量子自由电子中，电子的能级