第二章-离子类载流子导电.ppt

2.3 2.3 离子离子类载类载流子流子导电导电关关键词键词：载载流子迁移流子迁移2.3.1 离子离子电导电导理理论论（2）杂质导电杂质导电：杂质杂质离子离子（较较低温）低温）1、载载流子流子载载流子：材料中最易移流子：材料中最易移动动的离子的离子（1）本征）本征导电导电：热热缺陷、离子、空位（高温）缺陷、离子、空位（高温）例如：硅化物玻璃中的例如：硅化物玻璃中的SiO2基体中的一价阳离子基体中的一价阳离子多晶陶瓷中晶界碱金属离子多晶陶瓷中晶界碱金属离子 离子离子电导电导是是带电带电荷的离子荷的离子载载流子在流子在电场电场作作用下的定向运用下的定向运动动，导电导电机制与机制与电电子子导电导电不同不同1.2、导电导电机制（迁移）机制（迁移）离子离子导电导电性可以性可以认为认为是离子是离子类载类载流子在流子在电场电场的作用下，的作用下，通通过过材料的材料的长长距离迁移，即距离迁移，即原子核原子核发发生了迁移生了迁移离子离子处处于于势势阱底部，阱底部，获获得能量，得能量，跨越位跨越位垒垒，进进入相入相邻势邻势阱，完成迁移。其他阱，完成迁移。其他结结构作构作为为间间架架存在存在电场电场不存在不存在电场电场 一一维维情况，离子越情况，离子越过过位位垒垒V（能量台能量台阶阶）的几率（量）的几率（量纲纲S）加上加上电场电场E，沿，沿电场电场方方向位向位垒垒降低降低Fb/2，向右，向右的跨越几率的跨越几率为为bV2.沿沿电场电场反方向位反方向位垒垒增高增高Fb/2，向左的跨越几率，向左的跨越几率为为结结果，向右的迁移多于向左的的迁移，果，向右的迁移多于向左的的迁移，载载流子流子向右的平均向右的平均飘飘移速度移速度由于由于离子离子带电带电量量为为z3.在在电场电场强强度不是很大的情况下度不是很大的情况下一般情况下，一般情况下，电场电场不会很大不会很大若若电场电场很大，第一很大，第一项为项为主主电电流密度流密度n为为离子密度，离子密度，电电量量qze令令为为直流条件下自由能的直流条件下自由能的变变化化（可（可测测）4.又又，则则因此，因此，电电阻率阻率 这这是理是理论值论值，与玻璃的，与玻璃的经验电经验电阻公式吻合，阻公式吻合，表明表明该该理理论论比比较较正确的描述了离子正确的描述了离子电导电导5.由由热热力学第二定律（力学第二定律（把一些不可以直接把一些不可以直接测测量的物量的物理量，通理量，通过过数学描述表示数学描述表示为为可以直接可以直接测测量的物理量，量的物理量，由此由此检验检验理理论论的正确性的正确性）得到得到若存在多种若存在多种载载流子（流子（类类似似马马西森定律西森定律）材料的材料的电导电导率将是多种率将是多种载载流子迁移的流子迁移的总总体表体表现现6.2.3.2 离子离子电导扩电导扩散散 离子跨越位离子跨越位垒垒迁移，从另一个角度可以看作离迁移，从另一个角度可以看作离子在子在电场电场作用下的作用下的扩扩散散现现象。表征象。表征这这一一现现象的就是象的就是能斯特能斯特爱爱因斯坦（因斯坦（Nernst Einstein）方程）方程离子离子电导电导率和离子率和离子扩扩散系数两个物理量之散系数两个物理量之间间必然必然存在某种物理存在某种物理联联系，用数学形式描述如下系，用数学形式描述如下由于由于离子离子浓浓度梯度度梯度形成的形成的电电流密度流密度负负号表示二者方向相反号表示二者方向相反存在存在电场时电场时，其，其产产生的生的电电流密度流密度7.在在两者相反两者相反的的时时候，候，总电总电流密度流密度由波由波尔尔兹兹曼分布曼分布因此因此热热平衡的平衡的时时候，两个候，两个电电流密度方向相反，达到平衡流密度方向相反，达到平衡离子离子电导电导率和离子率和离子扩扩散之散之间间的数学的数学联联系系为为8.由由电导电导率率为为离子迁移率离子迁移率说说明离子的明离子的扩扩散系数随温度上升而增大散系数随温度上升而增大2.3.3 离子离子导电导电的影响因素的影响因素1、温度、温度高温区高温区为为本征本征导电导电，低温区，低温区为杂质导电为杂质导电，出，出现现拐点拐点2、离子性、离子性质质、晶体、晶体结结构构（1）熔点高，熔点高，结结合力大，合力大，导电导电激活能高，激活能高，则电则电 导较导较低（如低（如NaF、NaCl、NaI，激活能逐，激活能逐渐渐降降低低9.（3）晶体晶体结结构构间间隙大，隙大，则则激活能低，激活能低，电导电导高高（2）低价离子尺寸小，激活能低价离子尺寸小，激活能较较低，低，电导电导高高3、点缺陷、点缺陷肖特基缺陷：空位肖特基缺陷：空位弗弗伦伦克克尔尔缺陷：空位和缺陷：空位和间间隙原子隙原子 有的缺陷是个空位，可以吸引离子来填充，可有的缺陷是个空位，可以吸引离子来填充，可以增大离子迁移率，而有的缺陷是个陷阱，离子填以增大离子迁移率，而有的缺陷是个陷阱，离子填充之后很充之后很难难再迁移，降低离子迁移率。再迁移，降低离子迁移率。10.2.3.4 快离子快离子导导体体1、快离子、快离子导导体的一般特征体的一般特征具有离子具有离子导电导电的固体物的固体物质质称称为为固体固体电电解解质质电导电导率率较较正常的离子化合物高出几个数量正常的离子化合物高出几个数量级级，成成为为快离子快离子导导体（体（Fast-ionconductor）（1）银银和和铜铜的的卤卤族和硫族化合物族和硫族化合物（2）具有）具有 氧化氧化铝结铝结构构（3）具有氟化）具有氟化钙结钙结构的高构的高浓浓度缺陷（利于离子度缺陷（利于离子扩扩散）散）超超导导薄膜薄膜燃料燃料电电池池电电极极单质单质材料的性能必然比材料的性能必然比较单较单一，今后的材料一，今后的材料领领域域的研究方向大多都是多元复合材料的研究方向大多都是多元复合材料11.氧化氧化锆锆晶体晶体结结构和存在温度：构和存在温度：单单斜：斜：1170 C四方：四方：1170 C2370 C立方：立方：2370 C2680 C2、较较成熟的材料：立方成熟的材料：立方稳稳定氧化定氧化锆锆应应用：用：检测检测气体中或熔融金属中的氧含量气体中或熔融金属中的氧含量P1P2UA应应用离子用离子电导测电导测量空气中氧含量量空气中氧含量简图简图参考参考代代测测应应用条件：用条件：稳稳定到室温：加入定到室温：加入Ca2+较较高高电导电导：加入：加入Ir12.离子离子导导体两体两边边加上固定加上固定电压电压，氧离子在离子，氧离子在离子导导体中迁移，左体中迁移，左边边代代测测气体中的氧含量越高，气体中的氧含量越高，则则迁移的迁移的载载流子流子浓浓度越高，度越高，电电流也越大。因此，代流也越大。因此，代测测气体的氧含量和气体的氧含量和电电流建立起流建立起联联系，系，电电流的大小流的大小对应对应氧含量。氧含量。离子离子导导体把氧气体把氧气浓浓度的度的变变化化转换为电转换为电信号，信号，这这也是一种重要的也是一种重要的传传感器感器 由此制成的工具氧敏元件，用于由此制成的工具氧敏元件，用于监监控汽控汽车车的的排气成分，以保持燃料和空气的最佳排气成分，以保持燃料和空气的最佳值值，有利于，有利于防止防止污污染和提高染和提高发动发动机效率机效率其他其他应应用：制造用：制造纯纯氧、氧、锂锂离子离子电电池固体池固体电电池池另一种另一种应应用，固体用，固体电电池的形式，池的形式，由于离子由于离子扩扩散散产产生的生的电动势电动势13.