《材料的电性能》PPT课件.ppt

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1、第四节 材料的电性能主講：陳敦君華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/41材料电性能定义 施加电场施加电场响应行为响应行为导电性导电性介电性介电性铁电性铁电性压电性压电性材料的电性能就是材料被材料的电性能就是材料被施加电场施加电场时所产生的时所产生的响应行为响应行为，主要包括，主要包括导电导电性、介电性、铁电性和压电性性、介电性、铁电性和压电性。華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/4一、导电性能1 1、能带（、能带（energy band

2、energy band）的定义和形成）的定义和形成2N6N2N2N3S2P2S1S 1个原子 2个原子 N个原子在金属晶体中，金属原子靠的很近，可以通过原子轨道原子轨道组合成分子轨道分子轨道以使能量降低。金属晶体中通常包含数数目极多的原子目极多的原子，这些原子的轨道可组成极多的分子轨道极多的分子轨道。由于数目巨大，各相邻分子轨道间的能级非常接近，实际上连成一片，构成一个具有能量具有能量的宽带的宽带，称为能带能带。这是能带理论的基础。華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/42 2、能带的分类、能带的分类满带（满带（fu

3、ll band）：已充满电子的能带。已充满电子的能带。空带（导带）（空带（导带）（conduction band）：与满带相比能量较高的能带，：与满带相比能量较高的能带，可以是部分充填电子或全空的能带。空带获得电子后可以参与导电过程，可以是部分充填电子或全空的能带。空带获得电子后可以参与导电过程，故又称为导带。故又称为导带。价带（价带（valence band）：由价电子填充的能带。：由价电子填充的能带。禁带（禁带（forbidden band）：半导体和绝缘体中，存在于满带和空带之：半导体和绝缘体中，存在于满带和空带之间的一段空隙。间的一段空隙。華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CEN

4、TRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/43 3、能带理论的运用、能带理论的运用NaNa：价带填充了一个电子，价带是未满带，能导电：价带填充了一个电子，价带是未满带，能导电未充满的价带未充满的价带MgMg：价带填充了两个电子，价带是满带，但禁带是：价带填充了两个电子，价带是满带，但禁带是零，价带与空带相交叠，满带中的电子能占据空带，零，价带与空带相交叠，满带中的电子能占据空带，也能导电也能导电空带空带充满的价带充满的价带交叠部分交叠部分華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/4半导体：价带

5、为满带，价带与空带间存在禁带，禁带半导体：价带为满带，价带与空带间存在禁带，禁带宽度较小（宽度较小（0.13eV0.13eV），施以一定条件，满带中的电），施以一定条件，满带中的电子有可能越过禁带到达空带，从而是使满带中出现空子有可能越过禁带到达空带，从而是使满带中出现空穴，空带中出现电子，进而使它们都能导电。穴，空带中出现电子，进而使它们都能导电。充满的价带充满的价带较小宽度的禁带较小宽度的禁带空带空带華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/4绝缘体：价带为满带，价带与空带间存在禁带，禁带宽绝缘体：价带为满带，价带与

6、空带间存在禁带，禁带宽度较大（度较大（5eV5eV），常温下满带中的电子几乎不能越过禁），常温下满带中的电子几乎不能越过禁带到达空带，宏观上表现为导电性能差。带到达空带，宏观上表现为导电性能差。空带空带充满的价带充满的价带较大宽度的禁带较大宽度的禁带華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/4未充满的价带未充满的价带空带空带充满的价带充满的价带交叠部分交叠部分充满的价带充满的价带较小宽度的禁带较小宽度的禁带空带空带空带空带充满的价带充满的价带较大宽度的禁带较大宽度的禁带NaMg半导体半导体绝缘体绝缘体華中師範大學化學學院

7、華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/44.4.规律总结规律总结根据能带理论，不同材料的导电性能的差异性主要取决于其价带中的电子是否有足够的空间进行自由流动、跃迁。如果价带未填满、价带中的电子能比较容易跃迁到空带中，则该材料导电性能较好，反之较差。華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/4二、介电性能 如果将某一均匀的电介质作为电容器的介质而置于其两极之间，则由于电介质的极化，将使电容器的电容量比真空为介质时的电容量增加若干倍。物体的这一性质称为介电性 1.1.

8、介电性能（介电性能（dielectricitydielectricity）概念）概念CC華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/4 （1）介电常数（介电常数（dielectric constantdielectric constant）又称电容率或相对电容率，表征电介质或绝缘材料又称电容率或相对电容率，表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据，常用电性能的一个重要数据，常用表示。它是指在同一电容表示。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值，表示电器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值，表示电介质

9、在电场中贮存静电能的相对能力。介质在电场中贮存静电能的相对能力。介电常数愈小绝缘介电常数愈小绝缘性愈好。性愈好。2.2.介电性能的指标介电性能的指标CC華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/4（2 2）介电强度（）介电强度（dielectric strengthdielectric strength）介电强度是一种材料作为绝缘体时的电强度的量度。它介电强度是一种材料作为绝缘体时的电强度的量度。它定义为试样被击穿时定义为试样被击穿时,单位厚度承受的最大电压单位厚度承受的最大电压,表示为伏表示为伏特每单位厚度。特每单位厚

10、度。介电强度越大介电强度越大,绝缘材料的质量越好。绝缘材料的质量越好。（3 3）介电损耗（）介电损耗（dielectric lossdielectric loss）电损耗是指电介质在交变电场中电损耗是指电介质在交变电场中,由于消耗部分电能而使由于消耗部分电能而使电解质本身发热的现象。原因是电介质中含有能导电的载流电解质本身发热的现象。原因是电介质中含有能导电的载流子子,在外加电场作用下在外加电场作用下,产生导电电流产生导电电流,消耗掉一部分电能消耗掉一部分电能,转转为热能。为热能。介电损耗越小，绝缘材料的质量越好。介电损耗越小，绝缘材料的质量越好。3.3.介电性能的指标介电性能的指标華中師範大

11、學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/4三、铁电性与压电性 1 1、相关、相关概念概念 在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体自发极化，晶体的这种性质叫铁电性（ferroelectricity）。当铁电材料受到定向压力或张力的作用时，晶体垂直于力的两侧表面会分别带上等量的相反电荷，这种性质叫压电性（piezoelectricity）。若力的方向反转，则两侧表面上的电荷易号。具有压电效应的材料叫压电体。華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA

12、NORMAL UNIVERSITYF+-2023/2/4对压电体两侧施加电压，可引起压电体尺寸发生变化这种现象称为电致伸缩或逆压电效应（electrostriction）。V華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/4四、铁电性与压电性铁电材料表现铁电性的过程：铁电材料表现铁电性的过程：当对铁电材料施加电场时，永当对铁电材料施加电场时，永久偶极子数量增加，在方向上趋向久偶极子数量增加，在方向上趋向电场方向排列，最终所有偶极子平电场方向排列，最终所有偶极子平行于电场方向，极化强度也达到最行于电场方向，极化强度也达到最大程度

13、大程度P PS S。2 2、铁电性的表现过程、铁电性的表现过程華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/4四、铁电性与压电性铁电材料表现铁电性的过程：铁电材料表现铁电性的过程：当外电场撤掉后，材料仍处于当外电场撤掉后，材料仍处于极化状态，极化强度略有减小，变极化状态，极化强度略有减小，变为为PrPr。该极化强度只有在施加反方向的该极化强度只有在施加反方向的电场并且电场强度达到一定程度才能电场并且电场强度达到一定程度才能使其变为完全消除。使其变为完全消除。華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA

14、NORMAL UNIVERSITY2023/2/4铁电材料表现铁电性的过程：铁电材料表现铁电性的过程：继续增大反方向电场强度，则导继续增大反方向电场强度，则导致偶极子在反方向上平行取向，直至致偶极子在反方向上平行取向，直至极化饱和如果再把电场方向反转并达极化饱和如果再把电场方向反转并达到饱和极化则得到闭合的滞后回线。到饱和极化则得到闭合的滞后回线。四、铁电性与压电性華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/4铁电体在电场中的滞后环铁电体在电场中的滞后环華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA N

15、ORMAL UNIVERSITY2023/2/43 3、居里温度（、居里温度（Curie temperatureCurie temperature）铁电材料存在一临界温度，高于此温度后材料的铁电性消失，变为非铁电性材料。该温度称为居里温度。钛酸钡的居里温度是120摄氏度。PSPS：居里温度时铁电性改变的原因：居里温度时铁电性改变的原因铁电性的改变通常是因为在居里温度以上时材料晶体发生相变。温度在120以下时，钛酸钡的中心Ti4+和周围的O2-发生微观尺度的反方向位移，具有微细的偶极矩，从而使材料呈现铁电性。温度高于120时钛酸钡变为规则立方对称的晶体结构，正负电荷中心完全重合，不具有偶极矩，因此呈现非铁电性。華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/4感谢您的关注感谢您的关注 華中師範大學化學學院華中師範大學化學學院CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY2023/2/4