绪论材料电子结构与物理性能.pptx

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1、重要提示重要提示一、关于课程一、关于课程1 1、本课程是材料科学与工程专业的专业主干课；、本课程是材料科学与工程专业的专业主干课；2 2、本课程的先修课程是材料科学基础、材料物理；、本课程的先修课程是材料科学基础、材料物理；3 3、本课程理论教学、本课程理论教学5252学时，实验（学时，实验（4 4次）次）8 8学时。学时。二、关于纪律二、关于纪律1 1、旷课、旷课3 3次及以上，取消考试资格；次及以上，取消考试资格；2 2、缺实验、缺实验1 1次及以上，课程成绩以次及以上，课程成绩以0 0分计。分计。三、关于成绩评定三、关于成绩评定1 1、课程成绩由平时成绩和考试成绩组成；、课程成绩由平时成

2、绩和考试成绩组成；2 2、平时成绩（含出勤、实验报告），占、平时成绩（含出勤、实验报告），占20%20%，考试成绩占，考试成绩占80%80%。第1页/共100页绪论绪论IntroductionIntroduction主要内容：主要内容：功能材料的发展概况功能材料的定义功能材料的特点功能材料的分类第2页/共100页一、功能材料一、功能材料的发展概况的发展概况材料材料 材料按照性能特征和用途的分类：材料按照性能特征和用途的分类：具有较高力学性能并主要用来制造机械产品结构件的材料具有特殊物理、化学等性能并主要用来制造具有特定功能的元、器件和产品的材料结构材料结构材料Structural materi

3、als功能材料功能材料Functional materials“力能力能”“功能功能”绪论第3页/共100页2020世纪世纪5050年代，随着微电子学技术的发展年代，随着微电子学技术的发展半导体功能材料半导体功能材料6060年代，出现激光技术年代，出现激光技术光学材料光学材料7070年代，伴随着光电子技术的诞生年代，伴随着光电子技术的诞生光电子材料光电子材料8080年代，人工智能、能源科学受到普遍重视年代，人工智能、能源科学受到普遍重视智能材料、储能材料智能材料、储能材料新型能源材料（包括原子反应堆材料、太阳能材料、高效电池等）快速新型能源材料（包括原子反应堆材料、太阳能材料、高效电池等）快速

4、发展，生物医学材料迅速掘起发展，生物医学材料迅速掘起形成了较为完善的功能材料体系形成了较为完善的功能材料体系 功能材料的发展历史：功能材料的发展历史：绪论第4页/共100页二、功能材料的定义二、功能材料的定义 具有优良的电、磁、声、光、热、力学、化学和生物功能及其相互具有优良的电、磁、声、光、热、力学、化学和生物功能及其相互转换的功能，被用于非结构目的的一类材料。转换的功能，被用于非结构目的的一类材料。三、功能材料的特点三、功能材料的特点结构材料结构材料常以材料形式为最终产品，评价的是材料本身的性能。常以材料形式为最终产品，评价的是材料本身的性能。功能材料功能材料评价的元件形式的物理性能。评价

5、的元件形式的物理性能。材料材料元、器件一体化元、器件一体化绪论第5页/共100页四、功能材料的分类四、功能材料的分类功能材料按功能体系的分类：功能材料按功能体系的分类：功能材料功能材料磁学功能材料磁学功能材料电学功能材料电学功能材料光学功能材料光学功能材料热学功能材料热学功能材料声学和振动相关功能材料声学和振动相关功能材料化学及能量功能材料化学及能量功能材料放射性相关功能材料放射性相关功能材料力学功能材料力学功能材料生物技术和生物医学工程材料生物技术和生物医学工程材料绪论第6页/共100页第一章材料的电子结构与物理性第一章材料的电子结构与物理性能能Chapter 1 Electronic St

6、ructure Chapter 1 Electronic Structure and Physical Properties of and Physical Properties of MaterialsMaterials主要内容：主要内容：原子的电子排列 固体的能带理论与导电性 半导体材料的超导电性材料的介电性材料的磁性材料的光学性质第7页/共100页重要的关系：重要的关系：电子结构电子结构物理性能物理性能举例：举例：举例：举例：电子结构和电子运动状态与固体材料导电性的关系。电子结构和电子运动状态与固体材料导电性的关系。第一章材料的电子结构与物理性能金属材料：金属材料：导带未被电子填满，原子

7、核对导带电子的束缚弱，导带电导带未被电子填满，原子核对导带电子的束缚弱，导带电子容易成为自由电子，因此具有良好的导电性；子容易成为自由电子，因此具有良好的导电性；绝缘体材料：绝缘体材料：导带没有填充电子，价带与导带之间存在很宽的禁带，导带没有填充电子，价带与导带之间存在很宽的禁带，价带电子很难被激发至导带而成为自由电子，因此不具有导电性；价带电子很难被激发至导带而成为自由电子，因此不具有导电性；半导体材料：半导体材料：导带没有填充电子，但价带与导带之间的禁带较窄，价导带没有填充电子，但价带与导带之间的禁带较窄，价带电子一旦被激发至导带则成为自由电子，因此具有一定的导电性。带电子一旦被激发至导带

8、则成为自由电子，因此具有一定的导电性。本章任务：本章任务：本章任务：本章任务：研究电子结构，加深对物理性能的理解，建立研究电子结构，加深对物理性能的理解，建立“电子结构电子结构物理性能物理性能”的关系。的关系。第8页/共100页一、原子的微观结构一、原子的微观结构 1.1.主量子数主量子数 n(n=1、2、3、4)主量子数确定核外电子离原子核的远近和能级的高低。主量子数确定核外电子离原子核的远近和能级的高低。2.2.次量子数次量子数 l(l=0、1、2、3)次量子数反映的是电子轨道的形状。次量子数反映的是电子轨道的形状。在由主量子数n确定的同一主壳层上的电子的能量有差异，可分成若干个能量水平不

9、同的亚壳层，其数目随主量子数而定，习惯上以s、p、d、f 表示。3.3.磁量子数磁量子数m(m=0、1、2、3)磁量子数表示电子云在空间的伸展方向，它确定轨道的空间取向。磁量子数表示电子云在空间的伸展方向，它确定轨道的空间取向。4.4.自旋量子数自旋量子数ms(ms=+1/2、-1/2)自旋量子数表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。自旋量子数表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。第一节原子的电子排列第一节原子的电子排列 第一章材料的电子结构与物理性能1.1 1.1 原子的电子排列原子的电子排列 第9页/共100页各电子壳层及亚壳层的电子状态主量子数主量子数壳层序号壳层序号

10、次量子数次量子数亚壳层状态亚壳层状态量子数规定量子数规定的状态数目的状态数目考虑自旋量子数考虑自旋量子数后的状态数目后的状态数目壳层壳层总电子数总电子数(2n2)11s122（212）22s2p13268（222）33s3p3d135261018（232）44s4p4d4f135726101432（242）第一章材料的电子结构与物理性能1.1 1.1 原子的电子排列原子的电子排列 第10页/共100页二、原子核外电子的分布二、原子核外电子的分布 三个基本原理：三个基本原理：l 泡利不相容原理泡利不相容原理 在一个原子中不可能存在四个量子数完全相同（即运动状态完全相同）在一个原子中不可能存在四个

11、量子数完全相同（即运动状态完全相同）的两个电子。或者，在同一个原子中，最多只能有两个电子处在同样能的两个电子。或者，在同一个原子中，最多只能有两个电子处在同样能量状态的轨道中，而且这两个电子的自旋方向必定相反。量状态的轨道中，而且这两个电子的自旋方向必定相反。l 最低能量原理最低能量原理 电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。l 最多轨道规则（洪特规则）最多轨道规则（洪特规则）相同能量的轨道（也称等价轨道）上分布的电子将尽可能分占不同的相同能量的轨道（也称等价轨道）上分布的电子将尽可能分占不同的轨道，而且自旋方向相同。轨

12、道，而且自旋方向相同。作为洪特规则的特例，对于角量子数相同的轨道，当电子层结构为全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的。即：全充满:p 6或d 10或f 14；半充满:p 3或d 5或f 7；全空:p 0或d 0或f 0。第一章材料的电子结构与物理性能1.1 1.1 原子的电子排列原子的电子排列 第11页/共100页sspspdspdfspdfspdfspd能量主量子数n1234567电子能量水平随主量子数和次量子数的变化情况第一章材料的电子结构与物理性能1.1 1.1 原子的电子排列原子的电子排列 第12页/共100页第二节固体的能带理论与导电性第二节固体的能带理论与导电性 一、能带的形成一

13、、能带的形成 基本原理：基本原理：对于单个原子：对于单个原子：u 单个原子的电子处在不同的分立能级或轨道上。单个原子的电子处在不同的分立能级或轨道上。例如，一个原子有一个2s 能级，3个2p 能级，5个3d 能级。u 不同能级之间的电子能量各不相同。不同能级之间的电子能量各不相同。电子的能量就是其所在能级的能量。u 单个原子的电子只能占据特定的轨道或能级，单个原子的电子只能占据特定的轨道或能级，在每个能级上可容许有两个自旋方向相反的电子。u 各能级之间存在着能隙。各能级之间存在着能隙。能隙是电子能量的“真空”地带。第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性固体的能带理论与

14、导电性第13页/共100页3s2p2s1s2N电子6N电子2N电子2N电子能带的形成1原子2原子N原子第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性固体的能带理论与导电性第14页/共100页 对于晶体（由大量原子组成）：对于晶体（由大量原子组成）：u 各个原子的能级因电子云的重叠产生分裂现象。各个原子的能级因电子云的重叠产生分裂现象。在由N个原子组成的晶体中，每个原子的一个能级将分裂成N个，每个能级上的电子数不变。u 能级分裂后，其最高和最低能级之间的能量差只有几十个能级分裂后，其最高和最低能级之间的能量差只有几十个eV。例如，当实际晶体即使小到体积只有1mm3，所包含的原子

15、数也有N=1019左右，当分裂成的1019个能级只分布在几十个eV的范围内时，每一能级的间隔就非常的小。u 电子的能量或能级几乎就是连续变化的，于是形成了能带。电子的能量或能级几乎就是连续变化的，于是形成了能带。u 能带之间也存在着一些无电子能级的能量区域，称为禁带或能隙。能带之间也存在着一些无电子能级的能量区域，称为禁带或能隙。禁带也是电子能量的“真空”地带。第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性固体的能带理论与导电性第15页/共100页重要概念：重要概念：满带：满带：被电子填满的能带。被电子填满的能带。空带：空带：没有被电子填充的能带。没有被电子填充的能带。价带：

16、价带：被价电子占据的能量最高的能带。被价电子占据的能量最高的能带。导带：导带：价带以上的空带。价带以上的空带。金属导电机理：金属导电机理：价带上的电子跃迁到导带上成为自由电子，自由电子在电场作用价带上的电子跃迁到导带上成为自由电子，自由电子在电场作用下作定向运动形成电流。下作定向运动形成电流。二、金属的能带结构与导电性二、金属的能带结构与导电性金属的能带结构金属的能带结构第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性固体的能带理论与导电性第16页/共100页各种金属的能带结构3p02p63s22s21s2(b)碱土金属Mg3s和3p能带重叠，形成扩展能带4s23d63p63s

17、22p62s21s2(c)过渡金属Fe4s和3d能带重叠，形成扩展能带3s12p62s21s2(a)碱金属Na导带价带第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性固体的能带理论与导电性第17页/共100页l 电荷载流子电荷载流子 定义：定义：载带电荷运动的粒子称为电荷载流子。载带电荷运动的粒子称为电荷载流子。基本类型：基本类型：电子和阴离子电子和阴离子负电荷载流子，也称为负型载流子。阳离子阳离子正电荷载流子，也称为正型载流子。如Pb2+。空穴空穴正电荷载流子。在半导体中尤为重要。电导率和载流子：电导率和载流子：载流子迁移率：载流子迁移率：在外加电场作用下，载流子在原子尺度的

18、结构中移在外加电场作用下，载流子在原子尺度的结构中移动的难易程度，即：动的难易程度，即：电导率：电导率：由载流子浓度由载流子浓度n、每个载流子所带电荷、每个载流子所带电荷q、载流子迁移率、载流子迁移率 决定，即：决定，即：第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性固体的能带理论与导电性第18页/共100页l 金属的电阻率与温度的关系金属的电阻率与温度的关系一般而言，金属的电阻率与温度的关系是线性的，且具有正的温度一般而言，金属的电阻率与温度的关系是线性的，且具有正的温度系数，即随着温度上升，电阻率增加。系数，即随着温度上升，电阻率增加。原理：原理：由于晶体热扰动的强度随温

19、度的上升而成比例地增加，减少了晶体的规则性而使电子的平均自由程减小，从而减小了金属中电子的迁移率，使电阻率增大。电阻温度系数电阻温度系数yT与温度与温度T和电阻率和电阻率 的关系：的关系：第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性固体的能带理论与导电性第19页/共100页三、费米能级三、费米能级 费米分布函数费米分布函数 f（E）f（E）的物理意义：）的物理意义：代表在一定温度下电子占有能量为E的状态的几率。Ef ：费米能 l 费米能的意义费米能的意义（1）Ef 以下基本上是被电子填满的，以下基本上是被电子填满的，Ef 以上的能级基本上是空的。以上的能级基本上是空的。（2

20、）由由于于热热运运动动，电电子子可可具具有有大大于于Ef 的的能能量量而而跃跃迁迁到到导导带带中中，但但只只集集中在导带的底部。同样理由，价带中的空穴也多集中在价带的顶部。中在导带的底部。同样理由，价带中的空穴也多集中在价带的顶部。（3）对于一般金属，）对于一般金属，Ef 处于价带和导带的分界处。对于半导体，处于价带和导带的分界处。对于半导体，Ef 位位于禁带中央。于禁带中央。第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性固体的能带理论与导电性第20页/共100页金刚石（C）、硅（Si）和锗（Ge）的能带结构CSi GeEspr空的导带满的价带四、半导体和绝缘体的能带结构与导

21、电性四、半导体和绝缘体的能带结构与导电性 第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性固体的能带理论与导电性第21页/共100页导体、半导体和绝缘体的能带结构（Ev代表价带的最高能量，Ec代表导带的最低能量，Ef是费米能）价带导带EgEfEcEv价带导带EcEv价带导带Ev半导体导体绝缘体Eg第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性固体的能带理论与导电性第22页/共100页例例：估计金刚石、硅、锗、灰锡四种元估计金刚石、硅、锗、灰锡四种元素的电子在室温（素的电子在室温（2727 C C）下进入导带的）下进入导带的几率。几率。已知：已知：C、Si、Ge

22、、Sn的禁带宽度分别为：的禁带宽度分别为：5.4eV、1.1 eV、0.67 eV、0.08 eV，玻耳兹曼常数：玻耳兹曼常数：k=1.380510-23J/K。第一章材料的电子结构与物理性能1.21.2固体的能带理论与导电性固体的能带理论与导电性第23页/共100页第三节半导体第三节半导体半导体导电特性的两个显著的特点：半导体导电特性的两个显著的特点：l 半导体的电导率对材料的纯度的依赖性极为敏感。半导体的电导率对材料的纯度的依赖性极为敏感。例如，百万分之一的硼含量就能使纯硅的电导率成万倍增加。如果所含杂质的类型不同，导电类型也不同（如电子电导或空穴电导）。l 电阻率受外界条件（如热、光等）

23、的影响很大。电阻率受外界条件（如热、光等）的影响很大。温度升高或受光照射时均可使电阻率迅速下降。一些特殊的半导体在电场或磁场的作用下，电阻率也会发生变化。第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体半导体第24页/共100页价带导带Egh 价带电子受光辐射跃迁到导带，在价带上留下空穴一、本征半导体一、本征半导体本征半导体是不含有任何杂质的半导体，它表示半导体本身本征半导体是不含有任何杂质的半导体，它表示半导体本身固有的特性。固有的特性。本征半导体的特点：本征半导体的特点：l电导是导带中的电子导电和价带中的空穴导电共同作用的结果。电导是导带中的电子导电和价带中的空穴导电共同作用的结果。l

24、导带电子和价带空穴的浓度相等。导带电子和价带空穴的浓度相等。第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体半导体第25页/共100页半导体材料的能隙与电子运动性材料材料能隙能隙/eV电子运动速率电子运动速率孔运动速率孔运动速率/cm2(Vs)-1/cm2(Vs)-1C(金刚石金刚石)SiGeSn5.41.1070.670.081800190038002500140050018502400两个规律：两个规律：沿周期表下移，即依沿周期表下移，即依C(C(金刚石金刚石)、SiSi、GeGe、SnSn的顺序，能隙依次减小；的顺序，能隙依次减小；在给定的半导体中，电子迁移率大于同一半导体中空穴的迁

25、移率。在给定的半导体中，电子迁移率大于同一半导体中空穴的迁移率。第第点在讨论与点在讨论与p p型半导体相对照的型半导体相对照的n n型半导体时尤其重要。型半导体时尤其重要。l 本征半导体的电荷迁移率本征半导体的电荷迁移率第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体半导体第26页/共100页l 本征半导体的电导率与温度的关系本征半导体的电导率与温度的关系 当温度升高，价带中电子热运动加剧，使电子能够获得更高的能量，当温度升高，价带中电子热运动加剧，使电子能够获得更高的能量，从而使跃迁到导带的电子数增加，电荷载流子数随之增加，最终使电导率从而使跃迁到导带的电子数增加，电荷载流子数随之增加，

26、最终使电导率增大。增大。本征半导体的电导率：本征半导体的电导率：结论：结论：本征半导体的电导率受温度影响很大，随温度的升高呈指数增长。通过测定半导体材料的电导率和温度的关系可以求出其禁带宽度Eg。第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体半导体第27页/共100页例：例：有某种半导体，实验测出其在有某种半导体，实验测出其在20 C下的电导率为下的电导率为250-1m-1，100 C时为时为1100 -1m-1，问能隙，问能隙Eg有多大？有多大？已知：已知：玻耳兹曼常数：玻耳兹曼常数：k1.380510-23J/K，电子电荷：电子电荷：q1.602110-19C。第一章材料的电子结构与

27、物理性能1.3 1.3 半导体半导体第28页/共100页二、掺杂半导体二、掺杂半导体 本征半导体的电导率随温度而变，不易控制，难以做成器件使用。本征半导体的电导率随温度而变，不易控制，难以做成器件使用。在本征半导体中掺入一定的杂质元素（如周期表中的在本征半导体中掺入一定的杂质元素（如周期表中的VA、IIIA的元素）的元素），使其变成掺杂半导体，可以改变能带中的电子浓度或空穴浓度。，使其变成掺杂半导体，可以改变能带中的电子浓度或空穴浓度。掺杂半导体的特点：掺杂半导体的特点：l 导带电子或价带空穴可以独立改变，即电子浓度和空穴浓度可以不导带电子或价带空穴可以独立改变，即电子浓度和空穴浓度可以不相等

28、。相等。l 掺杂后将导致导带电子浓度增加或价带空穴浓度增加，前者掺杂形掺杂后将导致导带电子浓度增加或价带空穴浓度增加，前者掺杂形成的半导体称为成的半导体称为n n型半导体，后者掺杂形成的半导体称为型半导体，后者掺杂形成的半导体称为p p型半导体。型半导体。l 随着掺杂半导体中掺杂杂质元素和数量的不同，费米能级不再位于随着掺杂半导体中掺杂杂质元素和数量的不同，费米能级不再位于禁带中央，或者向上方移动（如禁带中央，或者向上方移动（如n n型），或者向下方移动（如型），或者向下方移动（如p p型）。型）。第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体半导体第29页/共100页l n型半导体型半

29、导体 基本定义：基本定义：当在纯净的硅当在纯净的硅(或锗或锗)中掺杂施主杂质时，半导体则主要依靠施主提供中掺杂施主杂质时，半导体则主要依靠施主提供的电子导电，此即的电子导电，此即n型半导体。型半导体。特点：特点：l 施主杂质提供的额外电子不能位于价带中，而只能位于靠近禁带的施主杂质提供的额外电子不能位于价带中，而只能位于靠近禁带的顶部（或靠近导带的底部）。顶部（或靠近导带的底部）。l 额外电子与原子结合不够紧密，能量较高，只需外界施以较小的能额外电子与原子结合不够紧密，能量较高，只需外界施以较小的能量就可以进入导带。量就可以进入导带。l 额外电子进入导带需要克服的能垒为额外电子进入导带需要克服

30、的能垒为E Ed d ，通常称为施主能级。它比，通常称为施主能级。它比较接近导带底的能量。较接近导带底的能量。l 控制控制n n型半导体电导率的是型半导体电导率的是E Ed d 而非是而非是E Eg g 。第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体半导体第30页/共100页价带导带n型半导体中施主能级Ed的位置施主能级Ed禁带第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体半导体第31页/共100页 载流子的浓度：载流子的浓度：式中：第一项为施主杂质的电子浓度，第二项为无杂质纯半导体的电子和空穴浓度，n0d 和n0均大致为常数。施主耗尽：施主耗尽：在在n n型半导体中，当温度升高

31、时，有越来越多的施主杂质电子能克服型半导体中，当温度升高时，有越来越多的施主杂质电子能克服E Ed d进入导带，最后直到所有杂质电子全部进入导带，即出现施主耗尽。进入导带，最后直到所有杂质电子全部进入导带，即出现施主耗尽。施主耗尽出现时，施主耗尽出现时，n n型半导体的电导率将不再发生变化。型半导体的电导率将不再发生变化。n总ne（施主）ne（本征）nh（本征）n总 第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体半导体第32页/共100页电导率温度 约为常数本征本征耗尽耗尽掺杂掺杂n型半导体电导率随温度的变化通常半导体材料选择在施主耗尽即显示平台温度范围内工作。第一章材料的电子结构与物理

32、性能1.3 1.3 半导体半导体第33页/共100页l p型半导体型半导体 基本定义：基本定义：当在纯净的硅当在纯净的硅(或锗或锗)中掺杂受主杂质时，半导体则主要依靠受主提供中掺杂受主杂质时，半导体则主要依靠受主提供的空穴导电，此即的空穴导电，此即p型半导体。型半导体。特点：特点：l 受主杂质提供的空穴不能位于价带中，而只能是靠近禁带底部（或受主杂质提供的空穴不能位于价带中，而只能是靠近禁带底部（或靠近价带的顶部）。靠近价带的顶部）。l 受主杂质接受一个电子并产生空穴所需克服的势垒只稍高于价带，受主杂质接受一个电子并产生空穴所需克服的势垒只稍高于价带，以受主能级以受主能级E Ea a表示。表示

33、。l 控制控制p p型半导体电导率的是型半导体电导率的是E Ea a 而非是而非是E Eg g。载流子的浓度：载流子的浓度：第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体半导体第34页/共100页价带导带p型半导体中受主能级Ea的位置受主能级Ea禁带第一章材料的电子结构与物理性能1.3 1.3 半导体半导体第35页/共100页第36页/共100页第37页/共100页第38页/共100页第39页/共100页第40页/共100页第41页/共100页第四节材料的超导电性第四节材料的超导电性 一、超导现象与超导电性一、超导现象与超导电性在一定的温度下，材料突然失去电阻的现象称为超导电性。在一定的

34、温度下，材料突然失去电阻的现象称为超导电性。正常导体T(K)R（）Tc4.2Hg的电阻与温度的关系第一章材料的电子结构与物理性能1.4 1.4 材料的超导电性材料的超导电性 第42页/共100页二、超导电性的基本特征二、超导电性的基本特征l 零电阻效应（零电阻效应（R0）材料在某一温度下突然失去电阻的现象，称为零电阻效应。材料在某一温度下突然失去电阻的现象，称为零电阻效应。l 迈斯纳效应（迈斯纳效应（B0）处处于于超超导导态态的的物物体体完完全全排排斥斥磁磁场场，即即磁磁力力线线不不能能进进入入超超导导体体内内部部，这这一特征叫完全抗磁性或迈斯纳效应。一特征叫完全抗磁性或迈斯纳效应。迈斯纳效应

35、（超导球排斥磁通）第一章材料的电子结构与物理性能1.4 1.4 材料的超导电性材料的超导电性 第43页/共100页三、超导体的临界参数三、超导体的临界参数l 临界温度临界温度T Tc c 临界温度即超导转变温度。临界温度即超导转变温度。当当T T T Tc c时：超导体呈正常态；时：超导体呈正常态；当当T T T Tc c时，超导体由正常态转变为超导态。时，超导体由正常态转变为超导态。l 临界磁场临界磁场H Hc c 当温度低于当温度低于T Tc c时，强磁场也会破坏超导态，即有磁力线穿入超导体内，时，强磁场也会破坏超导态，即有磁力线穿入超导体内，材料就从超导态转变为正常态。材料就从超导态转变

36、为正常态。将可以破坏超导态的最小磁场，称为临界磁场。将可以破坏超导态的最小磁场，称为临界磁场。l 临界电流临界电流I Ic c（临界电流密度（临界电流密度J Jc c）通通过过超超导导体体的的电电流流也也会会破破坏坏超超导导态态，当当电电流流超超过过某某一一临临界界值值时时，超超导导体就出现电阻。体就出现电阻。将将产产生生临临界界磁磁场场的的电电流流，即即超超导导态态允允许许流流动动的的最最大大电电流流，称称为为临临界界电电流。流。第一章材料的电子结构与物理性能1.4 1.4 材料的超导电性材料的超导电性 第44页/共100页超导部分正常导体部分磁通磁场电流超导态与正常态的混合状态两类超导体：

37、两类超导体：l 第一类超导体：第一类超导体：当当H H H Hc c时，呈超导性；时，呈超导性；当当H H H Hc c时，呈正常态。时，呈正常态。l 第二类超导体：第二类超导体：有两个临界磁场：下临界磁场有两个临界磁场：下临界磁场和上临界磁场（分别用和上临界磁场（分别用H Hc1c1和和H Hc2c2表示）。表示）。T T T Tc c时：时：当当H H H Hc1c1时，与第一类超导体时，与第一类超导体相同，表现出完全抗磁性；相同，表现出完全抗磁性；当当H Hc1c1H H H Hc2c2时，第二类超导时，第二类超导体处于超导态与正常态的混合状体处于超导态与正常态的混合状态；态；当当H H

38、 H Hc2c2时，超导部分消失，时，超导部分消失，导体转为正常态。导体转为正常态。通常，第二类超导体的Hc1较小，Hc2 则比Hc1高一个数量级，并且，大部分第二类超导体的Hc2比第一类超导体的Hc要高得多。第一章材料的电子结构与物理性能1.4 1.4 材料的超导电性材料的超导电性 第45页/共100页l 三个临界参数的关系三个临界参数的关系 超导体的三个临界参数具有超导体的三个临界参数具有相互关联性，要使超导体处于相互关联性，要使超导体处于超导状态，必须使这三个临界超导状态，必须使这三个临界参数都满足规定的条件，任何参数都满足规定的条件，任何一个条件遭到破坏，超导状态一个条件遭到破坏，超导

39、状态随即消失。三者的关系可用右随即消失。三者的关系可用右图所示曲面来表示。在临界面图所示曲面来表示。在临界面以下的状态为超导态，其余均以下的状态为超导态，其余均为正常态。为正常态。从实用性来看，希望三个临从实用性来看，希望三个临界参数越大越好。界参数越大越好。JTHHcJcTcT-H-J临界面超导体三个临界参数之间的关系第一章材料的电子结构与物理性能1.4 1.4 材料的超导电性材料的超导电性 第46页/共100页四、超导电性的微观机制四、超导电性的微观机制l 电子电子-声子相互作用声子相互作用 声子：声子：晶格振动的能量子。晶格振动的能量子。在T0 K时，晶格点阵上的离子在其平衡位置附近振动

40、，并相互耦合在一起。任何局部的扰动或激发，都会通过格波的传递，导致晶格点阵集体振动。这种集体振动，可以看成由若干个互相独立、频率各异的简正振动叠加而成。每一个简正振动的能量量子，称为声子。声声子子的的行行为为：声声子子也也具具有有粒粒子子的的性性质质，会会与与电电子子发发生生相相互互作作用用，这种作用，即电子与晶格点阵的相互作用称为电子这种作用，即电子与晶格点阵的相互作用称为电子-声子相互作用。声子相互作用。当一个电子通过相互作用，把能量、动量转移给晶格点阵，从而激起它的某个简正频率的扰动，叫做产生一个声子。相反，通过相互作用，使振动的晶格点阵获得能量、动量，同时又减弱某个简正频率的扰动，叫做

41、吸收一个声子。电子电子-声子相互作用可以直接改变电子的运动状态。声子相互作用可以直接改变电子的运动状态。第一章材料的电子结构与物理性能1.4 1.4 材料的超导电性材料的超导电性 第47页/共100页l 超导能隙超导能隙 金金属属处处于于超超导导态态时时的的电电子子能能谱谱具有显著的特点：具有显著的特点：在在费费米米能能级级Ef 附附近近，存存在在一一个个能量间隔（能量间隔（2），称作超导能隙。，称作超导能隙。当T0 K时，能量处于能隙下边缘以下的状态全被占据，能隙上边缘以上的状态全部空着。能量在费米能级附近的电子全部配成库柏对，这将使超导态处于能量最低的状态，即超导基态。超导基态相应的系统能

42、量小于系统处于正常态时的能量。2 正常态0K下的正常态和超导态电子能谱超导态空态满态Ef第一章材料的电子结构与物理性能1.4 1.4 材料的超导电性材料的超导电性 第48页/共100页l 库柏电子对库柏电子对 当当两两个个电电子子间间存存在在净净的的吸吸引引作作用用时时，在在费费米米面面附附近近就就存存在在一一个个动动量量大大小小相相等等、方方向向相相反反且且自自旋旋相相反反的的两两电电子子束束缚缚态态，它它的的能能量量比比两两个个独独立立的的电子总能量低，这种束缚态电子对称为库柏对。电子总能量低，这种束缚态电子对称为库柏对。q1q2电子与正离子相互作用形成库柏电子对 库柏电子对的形成过程：库

43、柏电子对的形成过程：处处于于超超导导态态的的超超导导体体内内，若若某某一一个个自自由由电电子子q1在在正正离离子子附附近近运运动动时时，会会吸吸引引正正离离子子而而使使这这个个区区域域的的局局部部正正电电荷荷密密度度增增加加，当当另另一一个个电电子子q2在在这这个个正正电电荷荷密密度度增增加加了了的的场场中中运运动动时时，就就会会受受到到这这个个场场的的吸吸引引作作用用，这这个个作作用用相相当当于于q1对对q2产产生生吸吸引引力力，即即电电子子q1吸吸引引电电子子q2。若若这这个个吸吸引引力力大大于于q1和和q2之之间间的的库库仑仑斥斥力力，这这两两个个电电子子就就可可以结合成为一个电子对。以

44、结合成为一个电子对。第一章材料的电子结构与物理性能1.4 1.4 材料的超导电性材料的超导电性 第49页/共100页l BCSBCS超导微观理论超导微观理论 BCSBCS理论的核心点：理论的核心点：库柏电子对导致能隙的存在；库柏电子对导致能隙的存在；元元素素或或合合金金的的超超导导转转变变温温度度与与费费米米面面附附近近电电子子能能态态密密度度与与电电子子-声声子相互作用能有关。子相互作用能有关。一种金属如果在室温下具有较高的电阻率，冷却时就有更大可能成为超导体。BCSBCS理论对超导电性的解释：理论对超导电性的解释：电电子子同同晶晶格格相相互互作作用用导导致致在在常常温温下下形形成成电电阻阻

45、，但但在在低低温温下下，则则是是产产生库柏电子对的原因。温度越低，所产生的库柏电子对越多。生库柏电子对的原因。温度越低，所产生的库柏电子对越多。库柏对不能互相独立地运动，只能以关联的形式作集体运动。库柏对不能互相独立地运动，只能以关联的形式作集体运动。在在临临界界温温度度下下，库库柏柏对对具具有有与与晶晶格格相相同同的的振振动动频频率率，因因而而导导致致库库柏柏对对集集体体地地同同步步穿穿过过振振动动的的晶晶格格，使使电电子子对对与与晶晶格格之之间间碰碰撞撞的的时时间间间间隔隔以以及与之相关的电导率无限增大，从而呈现电阻消失现象。及与之相关的电导率无限增大，从而呈现电阻消失现象。第一章材料的电

46、子结构与物理性能1.4 1.4 材料的超导电性材料的超导电性 第50页/共100页五、超导隧道效应五、超导隧道效应（约瑟夫森效应）（约瑟夫森效应）两超导体中间的绝缘层能让超导电流通过的现象，称为超导隧道效应。两超导体中间的绝缘层能让超导电流通过的现象，称为超导隧道效应。延伸：延伸：两块超导体中间夹一层金属可形成约瑟夫森结；超导体中间为真空，两者靠得很近可行形成约瑟夫森结；两块超导体构成点接触可行形成约瑟夫森结；两块超导体构成微桥接触可行形成约瑟夫森结。S1S2nm级厚度的介电势垒I约瑟夫森结示意图 构成约瑟夫森结的关键：构成约瑟夫森结的关键：两块超导体间呈弱连接。两块超导体间呈弱连接。第一章材

47、料的电子结构与物理性能1.4 1.4 材料的超导电性材料的超导电性 第51页/共100页隧道结超导膜基片表面氧化的超导膜超导膜基片桥区具有尖端的超导细针超导体a)b)c)几种常见的约瑟夫森结a)a)隧道结隧道结b)b)超导微桥超导微桥c)c)点接触结点接触结第一章材料的电子结构与物理性能1.4 1.4 材料的超导电性材料的超导电性 第52页/共100页第五节材料的介电性第五节材料的介电性 一、电介质的极化一、电介质的极化l 极化现象极化现象 材料按对外电场响应方式的不同的分类：材料按对外电场响应方式的不同的分类：导电材料导电材料电荷以长程迁移即传导的方式对外电场作出响应。电荷以长程迁移即传导的

48、方式对外电场作出响应。电介质电介质(介电材料介电材料)电荷以感应的方式对外电场作出响应，电荷以感应的方式对外电场作出响应，即沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变。即沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变。极化第一章材料的电子结构与物理性能1.5 1.5 材料的介电性材料的介电性 第53页/共100页非极性电介质非极性电介质由非极性分子组成，在无外加电场时分子的正负电荷重心由非极性分子组成，在无外加电场时分子的正负电荷重心互相重合，不具有电偶极矩，只是在外加电场作用下正负电互相重合，不具有电偶极矩，只是在外加电场作用下正负电荷出现相对位移，才出现电偶极矩。荷出现相对位移，才出现电偶极矩。极性电

49、介质极性电介质 由极性分子组成，即使在无外电场时每个分子的正负电荷由极性分子组成，即使在无外电场时每个分子的正负电荷重心也不互相重合，具有固有电偶极矩。重心也不互相重合，具有固有电偶极矩。电解质的分类：电解质的分类：第一章材料的电子结构与物理性能1.5 1.5 材料的介电性材料的介电性 第54页/共100页l 极化机制极化机制 电介质极化的三种主要基本过程：电介质极化的三种主要基本过程：电子极化电子极化由材料中原子核外电子云畸变产生。由材料中原子核外电子云畸变产生。离子极化离子极化由材料的分子中正、负离子相对位移造成。由材料的分子中正、负离子相对位移造成。又称原子极化。又称原子极化。转向极化转

50、向极化由材料分子的固有电矩在外电场作用下转动而导致。又由材料分子的固有电矩在外电场作用下转动而导致。又称分子极化、取向极化。称分子极化、取向极化。第一章材料的电子结构与物理性能1.5 1.5 材料的介电性材料的介电性 第55页/共100页+-电子原子核E=0+-E 0-+-E 0-+-+正离子负离子E=0+-+-+-+-+-+-E=0偶极子+-+-+-+-+-+-E 0c)b)a)固体中的极化机制 a）电子型电子云中心与正电荷中心不重合b）离子型正离子与负离子相对位置发生移动c）分子型永久性的偶极子沿外电场进行取向第56页/共100页l 极化强度极化强度 电介质中一个中性分子的电偶极矩：电介质