【正文】 體的分類 （ 2） 從材料的應用領(lǐng)域 ： 儲能類 、 傳感器類 （ 3） 按使用溫度 ： 高溫快離子導體 、 低溫快離子導體 重要的快離子導體舉例 ?銀和銅的鹵化物及硫化物 如 AgI， 當溫度高于 146oC時 ， 結(jié)構(gòu)為 α相 ， 低于 146oC時為 β相 。 Ag在 AgI晶胞中的位置 ?具有 βAl2O3結(jié)構(gòu)的氧化物 ? 一價 A離子的半徑過大或過小均會引起電導率的下降。晶胞中陽離子采取立方堆積，鋁離子處在八面體和四面體間隙位置上。這種材料常存在變價的正離子或者固溶體中存在另一種低價的正離子，如 CaOZrOY2O3ZrO CeO2Y2O3等體系。 快離子導體材料 快離子導體材料的應用 作為固體電解質(zhì) 鈉硫電池 高溫燃料電池 低能量電池 固體離子器件 氧傳感器 電化學器件 βAl2O3 5001000 ℃ 手表、心臟起搏器 精密電子儀器 環(huán)境監(jiān)測保護 煉鋼 可變電阻器、濕度計、 壓敏元件、氣敏傳感器等 半導體 本征半導體 本征半導體 是指 純凈的、不含任何雜質(zhì)和缺陷的 半導體。 為方便起見 ， 把價帶中的每個空狀態(tài)看成是一個假想的粒子 ， 稱為空穴 。 ΔE g2eV 導帶（空帶） 滿帶 半導體的能帶結(jié)構(gòu) T=0K時，滿帶和空帶之間存在禁帶，但禁帶較窄； T0K時 ,滿帶上的一個電子躍遷到空帶后 ,滿帶中出現(xiàn)一個空位 。 自由電子 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為 空穴 。 電子空穴對的濃度一定 。 當純凈的半導體摻入適量的雜質(zhì)時，也可以提供載流子，其導電性能有很大的改善 (增大 )，導電機理也有所不同，這種半導體為雜質(zhì)半導體。施主雜質(zhì)未電離時是中性的 ， 電離后成為正電中心 。 量子力學表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在禁帶中緊靠滿帶處， ?ED～ 102eV，極易產(chǎn)生空穴導電。 受主雜質(zhì)未電離時是中性的 ， 電離 后成為負電中心 。 即 導帶里的電子有不同質(zhì)量，其行為和自由電子一樣。 空穴占據(jù)狀態(tài)的幾率以函數(shù) 1－ f(E)給出 。 0 50 300 600 Eg 0 導帶 導帶 價帶 價帶 0 50 300 600 Eg/2 Ea (a) N型半導體 (b) P型半導體 溫度對雜質(zhì)半導體費米能級的影響 中溫 低溫 高溫 EF 即使是百萬分之一量級的摻雜濃度 ， 也可使得載流子濃度提升到 1016/cm3量級的水平 ， 遠大于本征載流子濃度 ， 相應地半導體的導電能力得到大幅提高 。 通常一塊半導體材料中往往同時含有兩種類型的雜質(zhì) ，這時半導體的性質(zhì)主要取決于 摻雜濃度高的雜質(zhì) 。 ?? neEJxx ??電子電導率： )( heii en ??? ??本征半導體電導率： 載流子的 遷移率的物理意義 為：載流子在單位電場中的遷移速度。 在 T=300K時， Si的 μe= 1400 cm2/V/s, μp= 500 cm2/V/s Ge的 μe= 3900 cm2/V/s, μp= 1900 cm2/V/s 遷移率和溫度的關(guān)系 (1)晶格散射 溫度越高 ， 晶格振動越強 ， 對載流子的散射也將增強 。 溫度越高 ， 載流子運動速度越大 ， 因而對于電離雜質(zhì)產(chǎn)生的正負電中心的吸引和排斥作用所受影響相對越小 ， 散射作用越弱 。 硒是最早使用的，而硅和鍺是當前最重要的半導體材料，尤其是硅材料由于具有許多優(yōu)良持性，絕大多數(shù)半導體器件都是用硅材料制作的。 II— VI族半導體主要指由 II族元素 Zn， Cd， Hg和 VI族元素 S， Se， Te所組成 ， 主要用來制作微光電器件 ， 紅外器件和光電池 ， 在國防上有重要用途 。 例如 Ge— Si固溶體 Eg的變化范圍約在~， GaAs— GaP固溶體 Eg變化范圍約在 ~。 從長程看雜亂無章 ， 有時也叫無定形物質(zhì) 。 6）有機半導體 1913年 卡茂林－昂內(nèi)斯在諾貝爾領(lǐng)獎演說中指出：低溫下金屬電阻 的消失 “ 不是逐漸的 ， 而是突然的 ” ， 水銀在 4． 2K進入了一 種新狀態(tài) ， 由于它的特殊導電性能 ， 可以稱為 “ 超導態(tài) ” ； 超導體 超導電現(xiàn)象 －－有些物質(zhì)從特定的溫度開始會轉(zhuǎn)變 為完全沒有電阻的狀態(tài)。 1956年 Cooper提出超導態(tài)中的電子是兩兩束縛在一起的，而不是 普通導體中的自由電子。 1986年 （陶 瓷材料），是超導的，其轉(zhuǎn)變溫度在 30K以上，叫高溫超 導體。 1987年獲諾貝爾 物理學獎 1987年 2月 16日 美國國家科學基金會宣布 ， 朱經(jīng)武與吳茂昆獲得 轉(zhuǎn)變溫度為 98K的超導體 。 很快日本鹿兒島 大學工學部發(fā)現(xiàn)由鑭 、 鍶 、 銅 、 氧組成的陶瓷材 料在 14℃ 溫度下存在超導跡 象 。不同超導體的 Bc不同，并且是溫 度的函數(shù)。 其特征是由正常態(tài)過渡到超導態(tài)時沒有中間態(tài) ， 并且具有完全抗磁性 。 R0 TORTe Tm Ts T?氧化物超導體的轉(zhuǎn)變溫度 電阻從起始轉(zhuǎn)變處下降到一半時對應的溫度定義為轉(zhuǎn)變溫度。 當溫度大于臨界溫度時，熱運動使庫珀對分散為正常電子，超導態(tài)轉(zhuǎn)為正常態(tài)。 利用超導體制成無摩擦軸承 ， 用于發(fā)射火箭 ， 可將發(fā)射速度提高 3倍以上 。 ⑤ 超導技術(shù)在軍事上的應用 超導儲能裝置在定向武器上的應用使定向武器發(fā)生飛躍的發(fā)展；超導發(fā)電機 、 推進器在飛機上的應用可大大提高飛機的生存能力；在航海中的應用 ， 可大大減小甚至沒有噪音 ， 推進速度快 ， 可大大提高艦艇的生存 、 作戰(zhàn)能力；超導計算機應用于指揮系統(tǒng) ， 可使作戰(zhàn)指揮能力迅速改善提高等 。 對惡劣的環(huán)境有良好的承受能力。 有時，材料的基本特征不足以滿足上述特性，必須增加鍍層以改善材料性能。 采用脈沖電解沉積技術(shù)制備出具有高密度納米尺寸生長孿晶的純銅薄膜，通過工藝過程研究調(diào)整樣品的晶粒尺寸、孿晶厚度及其分布、織構(gòu)狀態(tài)等，獲得了具有超高強度和高導電性的純銅樣品，其拉伸強度高達 1068MPa（是普通純銅的 10倍以上，達到高強度鋼或銅晶須的強度水平），而室溫電導率與無氧高導（ OFHC）銅相當（ 97%IACS）。 金及金合金 良好的導電性，極強的抗蝕能力 主要用途：作為金膜或金的合金膜用于集成電路中布線，芯片粘結(jié)，半導體封裝等 銀及銀合金 具有最高的電導率 主要用途：觸點材料 二、電阻材料 精密電阻材料 特點： 恒定的高電阻率，電阻溫度系數(shù)小，電阻隨時間的變化小，機械性能和加工性能好，容易焊接，耐腐蝕，抗氧化，有一定的耐熱性。 Fe － Cr－ Al系精密電阻合金是在電熱合金的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，通過改變 Al和 Cr的組成使電阻溫度系數(shù)從正到負值之間變化。 常用純金屬有 Fe、 Co、 Ni 等 電阻的測量方法很多，一般都是根據(jù)測量的需要利用具體的測試條件來選擇不同的測試方法。 敏感電阻材料 （ 1）應變電阻材料 應變－電阻效應 經(jīng)受外力作用（拉伸或壓縮）的金屬材料將會發(fā)生變形而使其電阻也發(fā)生相應的變化，其電阻值變化量與所受外力引起的變形量是成比例的，這種現(xiàn)象稱為應變－電阻效應 應變電阻材料的特點： (a) 具有高的、穩(wěn)定的電阻率．在工作溫度范圍內(nèi)具有低的、穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)，以及大的應變靈敏度系數(shù) K（ K＝△ L/L)，并在較大范圍內(nèi)不隨溫度變化； 主要用途：電阻應變片或傳感器，用來測量力（或重量）位移，壓力扭距，加速度等 高溫： FeCrAl系和 Pt－ W系絲材 中溫及低溫：康銅和 Ni－ Cr改良型的箔材為主 (b)在拉伸或壓縮時， K值相向或相差很小，不氧化，線膨脹系數(shù)等于或略高于被測件的線膨脹系數(shù)； (c)有良好的機械性能，強度高．蠕變小，容易加工和焊接等 。 電阻－溫度線性比錳銅好，可以在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，其最高使用溫度可達400C，而且耐腐蝕性，耐熱性均比錳銅好。此成果發(fā)表于 Science（ 2022年）周刊上。 ? 常用于導體生產(chǎn)的銅材料： ? ETP銅，或者 Cua1，含氧量在 200到300ppm之間。 便于使用和回收。 精確制導武器的發(fā)射 另外還有電子對抗、雷達等方面的應用研究。 應用超導體制成計算機元件 ， 開關(guān)速度可達到 1012 s，比半導體快 1000倍左右 ， 而功耗僅為微瓦級 ， 體積比半導體元件小 1000倍 。 ① 在電力工程方面的應用 超導輸電在原則上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗 ， 因而可節(jié)省大量能源；超導線圈用于發(fā)電機和電動機可以大大提高工作效率 、 降低損耗 ， 從而導致電工領(lǐng)域的重大變革 。 從正常態(tài)到超導態(tài)的轉(zhuǎn)變非常迅速，因此人們設(shè)想這種變化應該是電子態(tài)的轉(zhuǎn)變，因為電子的質(zhì)量小、反應快； 處在超導態(tài)的電子 ， 不是單獨一個個存在的 ，而是配成庫珀對存在的 ， 配對的電子 ， 其自旋方向相反 ， 動量的大小相等而方向相反 ， 總動量為零 。 超導體的分類 R/R0 T/K 臨界溫度 低溫下汞的電阻溫度關(guān)系 第 II類超導體 除金屬元素釩 、 锝和鈮外 ， 第 II類超導體主要包括金屬化合物及其合金 。臨界電流密度 Jc是保持超導態(tài)的最 大輸入電流密度。 Tc與樣品純度無關(guān)，但是越 均勻純凈的樣品超導轉(zhuǎn)變時的電阻陡降越 尖銳。 1987年 3月 12日 中國北京大學成功地用液氮進行超導磁懸浮實驗。 中國科學院物理研究所由趙忠賢 、 陳立泉領(lǐng)導的研究 組 ， 獲得了 48． 6K的鍶鑭銅氧系超導體 ， 并看到這類 物質(zhì)有在 70K發(fā)生轉(zhuǎn)變的跡象 。 1962年 超導體隧道效應（約瑟夫森 效應）。 （邁斯納）和 ，處在 超導態(tài)的物體完全排斥磁場，即磁力線不能進入超導體內(nèi)部， 這一特征叫 完全抗磁性（邁斯納效應）。 非晶態(tài)半導體材料在開關(guān)元件 、 記憶元件 、 固體顯示 、 熱敏電阻和太陽能電池等的應用方面都有令人鼓舞的前景 。 Sb2Te3— Bi2Te3和 Bi2Se3— Bi2Te3是較好的溫差電材料 。 4）固溶體半導體 元素半導體或化合物半導體相互溶解而成的半導體材料稱為固溶體半導體 。 二元化合物半導體有許多為元素半導體所不具有的性質(zhì) ， 開辟了應用的新領(lǐng)域 。 在高溫或者低雜質(zhì)密度時晶格散射起主要作用；當雜質(zhì)密度高時 ， 雜質(zhì)散射起主要作用 。 遷移率與溫度 T具有 T3/2的關(guān)系 。 將主要依據(jù)此式來討論電導的性能 。電場作用下電子的運動稱為漂移運動。 因此 ， 高溫時 ， 即使是摻雜半導體 ， 由于本征激發(fā)將占主導地位 ， 使總體上將表現(xiàn)出本征半導體的特點 。 載流子濃度與溫度 T 和禁帶寬度 Eg 有關(guān)。 半導體中載流子數(shù)量（濃度）的計算 （ 1） 本征半導體中載流子濃度的計算 Eg k E 0 導帶中－電子狀態(tài)密度： ?? ?? 導帶頂導帶頂導帶底 gEe dEEZEfdNN )()(導帶電子總數(shù)－載流子濃度 N e ? ??????? ??????????? ???kTEETNkTEENFgcFgcex pex p23結(jié)論：導帶中電子的濃度是 溫度 和電子 有效質(zhì)量 的函數(shù)。 施主能級位于離價帶頂很近的禁帶中 雜質(zhì)原子間的相互作用可忽略，某一種雜質(zhì)的受主能級是一些具有相同能量的孤立能級。 Ⅲ 族元素占據(jù)了硅原子的位置： Ⅲ 族元素有 3個價電子，它與周圍