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1、材料物理第四章材料的電學(xué)張小偉xiaoweizhang@swust.com.cn西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料物理人生一世，會遇到無數(shù)的事件，會有無數(shù)的決定需要作出。成功的人總是在重要關(guān)頭把命運掌握在自已的手中作決定；而那些猶柔寡斷沒有膽量抉擇的人，往往都是失敗者。-------選自《改變一生的9個步驟》第四章材料的電學(xué)概述600BC：古希臘哲學(xué)家發(fā)現(xiàn)梳子磨擦產(chǎn)生靜電古希臘單詞elektron——梳子近代：Coulomb,Galvani,Volta,Oersted,Ampere,Faraday…現(xiàn)代：經(jīng)典、量子的解釋。第四章材料的電學(xué)概述導(dǎo)電材料、電阻材料、電熱材料、半導(dǎo)體材
2、料、超導(dǎo)材料和絕緣材料等都是以材料的導(dǎo)電性能為基礎(chǔ)的。在許多情況下，材料的導(dǎo)電性能比力學(xué)性能還重要。導(dǎo)電材料、電阻材料、電熱材料、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料和絕緣材料等都是以材料的導(dǎo)電性能為基礎(chǔ)的。第四章材料的電學(xué)概述在許多情況下，材料的導(dǎo)電性能比力學(xué)性能還重要。舉例：長距離傳輸電力的金屬導(dǎo)線應(yīng)該具有很高的導(dǎo)電性，以減少由于電線發(fā)熱造成的電力損失。陶瓷和高分子的絕緣材料必須具有不導(dǎo)電性，以防止產(chǎn)生短路或電弧。作為太陽能電池的半導(dǎo)體對其導(dǎo)電性能的要求更高，以追求盡可能高的太陽能利用效率。第四章材料的電學(xué)概述能夠攜帶電荷的粒子稱為載流子。在金屬、半導(dǎo)體和絕緣體中攜帶電荷的載流子是電子在離子
3、化合物中，攜帶電荷的載流子則是離子。第四章材料的電學(xué)概述控制材料的導(dǎo)電性能實際上就是控制材料中的載流子的數(shù)量和這些載流子的移動速率。對于金屬材料來說，載流子的移動速率特別重要。對于半導(dǎo)體材料來說，載流子的數(shù)量更為重要。載流子的移動速率取決于原子之間的結(jié)合鍵、晶體點陣的完整性、微結(jié)構(gòu)以及離子化合物中的擴散速率。第四章材料的電學(xué)概述材料電子結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率 （Ω-1·cm-1）堿金屬Na1s22s22p63s12.13×105堿土金屬Mg1s22s22p63s22.25×105ⅢA族金屬Al1s22s22p63s23p13.77×105過渡族金屬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部分材料的電導(dǎo)率第四章材料的電學(xué)概述第四章材料的電學(xué)概述經(jīng)典自由電子論量子自由電子論能帶理論分析理論第四章材料的電學(xué)概述經(jīng)典自由電子理論簡介(1895,LA.Lorentz,PDrude)1.金屬結(jié)構(gòu)模型—離子實(原子核與內(nèi)層電子)＋自由電子(價電子，公有化)2.經(jīng)典理論—服從分子運動論(電子氣體，等同于理想氣體)3.重要結(jié)論—導(dǎo)出歐姆定律、焦耳熱，金屬良好導(dǎo)電性等；4.主要缺陷—電子運動狀態(tài)的結(jié)論中，電子的平均動能隨著溫度線性變化，0K下將“冷凝”；金屬中自由電
5、子的熱容理論與實驗結(jié)果不符5.成功的要點—金屬價電子的公有化，即存在自由電子6.缺陷原因—自由電子的行為根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)理論處理第四章材料的電學(xué)概述成功：困難：可以推導(dǎo)出歐姆定律、焦?fàn)?楞次定律等一價金屬和二價金屬的導(dǎo)電問題電子比熱問題根源在于它是立足于牛頓力學(xué)第四章材料的電學(xué)概述一價金屬和二價金屬的導(dǎo)電問題按照自由電子的概念，二價金屬的價電子比一價金屬多，似乎二價金屬的導(dǎo)電性比一價金屬好很多。但是實際情況并不是這樣。材料電子結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率 （Ω-1·cm-1）堿金屬Na1s22s22p63s12.13×105堿土金屬Mg1s22s22p63s22.25×105第四章材料的電學(xué)概述電子
6、比熱問題按照經(jīng)典自由電子論，金屬中價電子如同氣體分子一樣，在溫度T下每1個電子的平均能量為3kBT/2(kB為玻耳茲曼常數(shù))。對于一價金屬來說，每1mol電子氣的能量Ee=NA3kBT/2=3RT/2，式中NA為阿佛加德羅常數(shù)，NA=6.022×1023mol-1,R為氣體常數(shù)。1mol電子氣的熱容Cev=dEe/dT=3R/2≈3cal/mol。這一結(jié)果比試驗測得的熱容約大100倍。第四章材料的電學(xué)概述量子自由電子論金屬離子所形成的勢場各處都是均勻的，價電子是共有化的，它們不束縛于某個原子上，可以在整個金屬內(nèi)自由地運動，電子之間沒有相互作用。電子運動服從量子力學(xué)原理。第四章材料
7、的電學(xué)概述量子自由電子理論(1930s,索末菲A.Sommerfeld）基本要點繼承金屬結(jié)構(gòu)模型—離子實＋自由電子利用量子力學(xué)理論處理自由電子的運動狀態(tài)將金屬中自由電子(考察對象)與離子實和其他自由電子之間的靜電交互作用，等效為均勻勢場獨立單電子假設(shè)—取出一個自由電子作為代表，假設(shè)電子之間無互相關(guān)聯(lián)性，計算該電子的可能狀態(tài)，而按照能量最低原理將體系中所有自由電子排布于這樣得到的單個電子的允許狀態(tài)(能級)上，確定自由電子體系的狀態(tài)第四章材料的電學(xué)概述由于在量子自由電子中，電子的能級
