材料电学.pptx

许多材料由于其电学性质获得应用许多材料由于其电学性质获得应用材料的电学材料的电学材料电学性质的来源？材料电学性质的来源？金属金属导线导线陶瓷陶瓷绝缘体绝缘体半导体半导体信息、控制等领域的物质基础信息、控制等领域的物质基础超导体超导体逐渐获得工程上的应用逐渐获得工程上的应用第1页/共111页6.1 金属导体的导电性金属导体的导电性(Electrical conductivity of metal conductors)第2页/共111页6.1.1 自由电子近似下的导电性自由电子近似下的导电性(Electrical conductivity under free-electron approximation)第3页/共111页欧姆定律欧姆定律 J=E=E/J：通过导体的电流密度，即单位时间通过传导方通过导体的电流密度，即单位时间通过传导方向上的单位截面积的电量；向上的单位截面积的电量；E：导体所处的电场强导体所处的电场强度；度；：电阻率；：电阻率；：电导率，为电阻率的倒数。电导率，为电阻率的倒数。意义：通过材料的电流密度与其所处的电场强度意义：通过材料的电流密度与其所处的电场强度成正比，比例系数为电导率。成正比，比例系数为电导率。工程中工程中相对电导率相对电导率(IACS%)表征导体材料的表征导体材料的导电性能。导电性能。将国际标准软纯铜的电导率（将国际标准软纯铜的电导率（20 C下的电阻率下的电阻率=1.72410-8 m）定义为）定义为100%，其他导体材料，其他导体材料的电导率与之相比的百分数即为该材料的相对电的电导率与之相比的百分数即为该材料的相对电导率。例如导率。例如Fe的相对电导率仅为的相对电导率仅为17。第4页/共111页经经典典自自由由电电子子理理论论材材料料中中的的自自由由电电子子作作无无规则热运动。规则热运动。设电场强度为设电场强度为E，材料单位体积内的自由电子数，材料单位体积内的自由电子数为为n，电子两次碰撞的平均自由时间（弛豫时间），电子两次碰撞的平均自由时间（弛豫时间）为为，电子的平均漂移速度为，电子的平均漂移速度为v，电子的电量为，电子的电量为e，质量为，质量为m，则价电子受到的力，则价电子受到的力电场存在时，电子受电场力作用作加速运动。电场存在时，电子受电场力作用作加速运动。电电子子与与晶晶格格原原子子碰碰撞撞时时停停止止，即即运运动动受受到到阻阻力力。自由电子与晶格中的原子碰撞是电阻的来源。自由电子与晶格中的原子碰撞是电阻的来源。第5页/共111页所以有所以有 其中其中l=v为电子的平均自由程。为电子的平均自由程。电流密度电流密度 所以电导率所以电导率 成功地推导出了导体的电导率，电子导电为主时，成功地推导出了导体的电导率，电子导电为主时，还可推出导体电导率与热导率的关系。但实际测还可推出导体电导率与热导率的关系。但实际测得的电子平均自由程比理论估计的大得多。得的电子平均自由程比理论估计的大得多。第6页/共111页考考虑虑量量子子效效应应，在在自自由由电电子子近近似似下下，仅仅费费米米面面附附近近的的电电子子运运动动未未被被抵抵消消，对对导导电电性性有有贡贡献献。按按照照量子自由电子理论可以推知电导率量子自由电子理论可以推知电导率与经典自由电子理论下的电导率的形式相同。但与经典自由电子理论下的电导率的形式相同。但其中的其中的 F、lF、vF分别是费米面附近的电子的弛分别是费米面附近的电子的弛豫时间、平均自由程和运动速度。豫时间、平均自由程和运动速度。可以成功地解释一价的碱金属的电导。可以成功地解释一价的碱金属的电导。但对其他金属，如过渡金属，其电子结构复杂，但对其他金属，如过渡金属，其电子结构复杂，电子分布不是简单的费米球，必须用能带理论才电子分布不是简单的费米球，必须用能带理论才能解释其导电性。能解释其导电性。第7页/共111页6.1.2 能带理论下的导电性能带理论下的导电性(Electrical conductivities in energy band theory)第8页/共111页在能带理论下，有电导率在能带理论下，有电导率其中其中n*称为有效电子数，表示单位体积内实际称为有效电子数，表示单位体积内实际参加传导过程的电子数，参加传导过程的电子数，m*称为电子的有效质称为电子的有效质量，是考虑晶体点阵对电场作用的结果。量，是考虑晶体点阵对电场作用的结果。此公式不仅适用于金属，也适用于非金属。此公式不仅适用于金属，也适用于非金属。对碱金属，对碱金属，n*=n，m*=m，即与自由电子的假设，即与自由电子的假设形式相同。形式相同。不同的材料有不同的有效电子密度不同的材料有不同的有效电子密度n*，导致其，导致其导电性的很大差异。导电性的很大差异。第9页/共111页一一价价元元素素（包包括括IA族族碱碱金金属属Li、Na、K、Rb、Cs和和IB族族Cu、Ag、Au）价带价带s电子半充满，成为传导电子，所以这些元电子半充满，成为传导电子，所以这些元素都是良导体。电阻率只有素都是良导体。电阻率只有10-610-2 cm。1第10页/共111页二二价价元元素素（包包括括IIA族族碱碱土土金金属属Be、Mg、Ca、Sr、Ba和和IIB族族Zn、Cd、Hg）价带价带s电子充满。由于满带电子不能成为传导电电子充满。由于满带电子不能成为传导电子，这些元素似乎应为绝缘体。但在三维晶体子，这些元素似乎应为绝缘体。但在三维晶体中，由于原子之间的相互作用，能带交叠中，由于原子之间的相互作用，能带交叠费米能级以上无禁带费米能级以上无禁带导体。导体。二二二二二二二二第11页/共111页IIIA族族元元素素Al、Ga、In、Tl：最最外外层层的的电电子子排排布布是是ns2np3s电电子子是是充充满满的的，但但p电电子子是是半半充充满满的的，可成为传导电子可成为传导电子导体。导体。四价元素：最外层电子排布四价元素：最外层电子排布ns2np4，有未填满的，有未填满的p轨道，但形成固体时，通过原子间的电子共用使轨道，但形成固体时，通过原子间的电子共用使其价带满填。在价带之上是空带，其间有能隙其价带满填。在价带之上是空带，其间有能隙EgGe和和Si的的Eg分别为分别为0.67eV和和1.14eV，室温下价带，室温下价带电子受热激发可进入导带，成为传导电子电子受热激发可进入导带，成为传导电子在在室温下是半导体，在低温下是绝缘体。室温下是半导体，在低温下是绝缘体。第12页/共111页VA族族元元素素As、Sb、Bi的的每每个个原原子子有有5个个价价电电子子，是是不不满满填填的的。但但其其每每个个原原胞胞有有两两个个原原子子五五个个带带填填10个个电电子子，几几乎乎全全满满导导带带电电子子很很少少，传传导导电电子子密密度度比比一一般般金金属属少少4个个数数量量级级有有效效电电子很少，电导率比一般金属导体低子很少，电导率比一般金属导体低半金属。半金属。离子晶体：一般有与四价元素相似的能带结构，离子晶体：一般有与四价元素相似的能带结构，而而Eg很大，有效电子数是很大，有效电子数是0一般是绝缘体。一般是绝缘体。例例：NaCl晶晶体体，Na+离离子子的的3s电电子子移移到到Cl-离离子子的的3p轨轨道道，使使3s成成为为空空带带，3p成成为为满满带带，其其间间是是10eV的禁带，热激发不能使之进入导带。的禁带，热激发不能使之进入导带。某某些些离离子子化化合合物物可可以以在在一一定定的的温温度度区区间间成成为为固固态态的的导导体体，如如-Al2O3在在300 C有有0.35-1cm-1的的电电导率导率不以电子而以离子为载流子。不以电子而以离子为载流子。第13页/共111页6.1.3 导电性与温度的关系导电性与温度的关系(Relationship between electrical conductivity and temperature)第14页/共111页能能带带理理论论认认为为：导导带带中中的的电电子子可可在在晶晶格格中中自自由由运运动动电电子子波波通通过过理理想想晶晶体体点点阵阵(0K)时时不不受受散散射射，电电阻阻为为0破破坏坏晶晶格格周周期期性性的的因因素素对对电电子子的的散散射形成电阻射形成电阻实际晶体总有杂质和缺陷实际晶体总有杂质和缺陷散射电子散射电子晶格振动：只要温度不在绝晶格振动：只要温度不在绝对零度，晶体中的原子总是对零度，晶体中的原子总是以平衡位置为中心不停地振以平衡位置为中心不停地振动，在弹性范围内交替聚拢动，在弹性范围内交替聚拢和分离和分离晶体中任何时候晶体中任何时候都有许多原子处于与理想的都有许多原子处于与理想的平衡位置偏离的位置，对自平衡位置偏离的位置，对自由电子的运动产生散射。由电子的运动产生散射。第15页/共111页温温度度越越高高，晶晶格格振振动动越越剧剧烈烈，对对电电子子散散射射越越显显著著，导体的电阻越大。导体的电阻越大。晶格热振动有波的形式，称为晶格波或点阵波，晶格热振动有波的形式，称为晶格波或点阵波，其能量也是量子化的。将晶格振动波的能量子称其能量也是量子化的。将晶格振动波的能量子称为声子。为声子。由前面的推导知，电阻率由前面的推导知，电阻率理想晶体中无杂质散射电子理想晶体中无杂质散射电子，只有声子散射电只有声子散射电子，所以电子的平均自由程子，所以电子的平均自由程lF由声子数目决定。由声子数目决定。声子数目随温度升高而增多，在不同的温度范声子数目随温度升高而增多，在不同的温度范围有不同的规律。围有不同的规律。第16页/共111页可以推导，在温度可以推导，在温度T2 D/3的高温，有的高温，有 T其中其中 D为德拜温度，即具有原子间距的波长的声为德拜温度，即具有原子间距的波长的声子被激发的温度。子被激发的温度。在在T0的情形，即金属中不一的情形，即金属中不一定是简单的自由电子导电，如定是简单的自由电子导电，如Zn、Fe等能带结构等能带结构复杂，可能由空穴控制传导复杂，可能由空穴控制传导霍尔系数反常现霍尔系数反常现象。对这一现象的揭示促进了量子理论的建立。象。对这一现象的揭示促进了量子理论的建立。第33页/共111页应用：应用：通过霍尔效应测量硅材料的杂质浓度，感量为通过霍尔效应测量硅材料的杂质浓度，感量为1018/m3的量级的量级硅晶体的原子浓度（单位体积硅晶体的原子浓度（单位体积内的原子数）为内的原子数）为1028/m3的量级的量级测量的相对精测量的相对精度可达度可达10-10的量级的量级高于所有化学分析方法高于所有化学分析方法霍尔电场强度霍尔电场强度Ey正比于外磁场的磁感应强度，又正比于外磁场的磁感应强度，又正比于霍尔电压正比于霍尔电压Vy可通过可通过Vy的测量来测量磁的测量来测量磁感应强度感应强度用霍尔效应制成磁强计。用霍尔效应制成磁强计。根据霍尔效应还可制成霍尔器件，用来制作非接根据霍尔效应还可制成霍尔器件，用来制作非接触开关和传感器等，广泛应用于计算机和自动控触开关和传感器等，广泛应用于计算机和自动控制系统。制系统。第34页/共111页第35页/共111页第36页/共111页6.3 超导电性超导电性(Superconductivity)第37页/共111页6.3.1 超导现象超导现象(Phenomena of superconductivity)第38页/共111页1 1 零电阻零电阻汞在低温下的电阻与温度的关系汞在低温下的电阻与温度的关系超超导导现现象象：某某些些导导体体在在温温度度低低于于某某特特定定温温度度时时，电阻突然降为零的现象。电阻突然降为零的现象。在在4.2K附附近近电电阻阻突突然然降降低低到到无无法法检检测测到到的的程度程度1908，荷荷 兰兰Kamerlingh Onnes得得到到1K的的低低温温，1911年他发现年他发现第39页/共111页零电阻：超导态的电阻率小于目前可以检测到的零电阻：超导态的电阻率小于目前可以检测到的小电阻率小电阻率10-23 m。大多数的金属中都发现了超导现象，大多数的金属中都发现了超导现象，陶瓷和聚合物中也发现了超导现象。陶瓷和聚合物中也发现了超导现象。超导体超导体(superconductor)可可以出现超导现象的以出现超导现象的导体导体超导转变温度或临界温度Tc：出现超导现象的最高温度第40页/共111页对对处处于于超超导导态态的的超超导导体体施施加加磁磁场场，超超导导体体中中的的磁磁感感应应强强度度为为0，即即外外加加的的磁磁场场会会被被排排斥斥在在超超导导体之外，超导体是完全的抗磁体体之外，超导体是完全的抗磁体2 2 迈斯纳迈斯纳 (Meissner)(Meissner)效应效应正常态正常态(TTc)超导态超导态(TTc)第41页/共111页迈迈斯斯纳纳效效应应与与过过程程无无关关独独立立于零电阻现象于零电阻现象TTc第42页/共111页在在Tc以以下下对对某某些些超超导导态态的材料施加外磁场的材料施加外磁场V、Nb、Ta以外有超以外有超导性质的金属都是第导性质的金属都是第类超导体。类超导体。Hc称为临界磁场强度。称为临界磁场强度。3 3 两类超导体和临界磁场强度两类超导体和临界磁场强度第一类超导体第一类超导体磁磁场场强强度度增增至至临临界界值值Hc，磁磁化化强强度度M突突然然降降至至0，材材料料中中出出现现磁磁感感应应强强度度，即即迈迈斯斯纳纳效效应应消消失失，超超导导态态消消失失转转至至正正常传导常传导第43页/共111页临界磁场强度随温度的升高而降低，表达式为临界磁场强度随温度的升高而降低，表达式为其中其中H0是是0K时的临时的临界磁场。界磁场。可见临界温度以下只可见临界温度以下只是出现超导态的必要是出现超导态的必要条件，而非充分条件条件，而非充分条件部分材料的临界磁场部分材料的临界磁场强度与温度的关系。强度与温度的关系。第44页/共111页在在 Tc以以 下下施施加加外外磁磁场场V、Nb、Ta以以及及合合金金和和化化合合物物超超导导体体都都是是第第II类超导体类超导体外外磁磁场场强强度度增增至至Hc1时时，材材料料的的磁磁化化强强度度开开始始降降低低，使使材材料料中中出出现现磁磁感感应应强强度度，但但迈迈斯斯纳纳效效应应只只部部分消失，部分超导态被破坏。分消失，部分超导态被破坏。外外磁磁场场强强度度达达Hc2时时超超导导态态被被完完全全破破坏，材料内的磁化强度变为坏，材料内的磁化强度变为0。Hc1和和Hc2分分别别称称为为上上、下临界磁场强度下临界磁场强度第二类超导体第二类超导体第45页/共111页混混合合态态部部分分区区域域是是超超导导态态，部部分分区区域域是是正正常常态态，材材料料仍仍具具有有零零电电阻阻效效应应。外外磁磁场场升升高高超超导导态态区区域域变变小小，直直到到Hc2正正常常态态的的区区域域相相互互接接触触，整整个个材材料料都都转转变变成成了了正正常态。常态。第46页/共111页部部分分第第二二类类超超导导体体的的临临界界磁磁场场Hc2与温度的关系。与温度的关系。第47页/共111页零电阻零电阻电流无穷大？电流无穷大？超超导导体体在在电电流流通通过过时时也也产产生生磁磁场场，当当电电流流产产生生的的磁磁场场与与外外磁磁场场之之和和超超过过临临界界磁磁场场强强度度Hc时时，超超导导态态被被破破坏坏，此此时时的的电电流流密密度度Jc称称为为临临界界电电流流密密度度保持超导态的最大输入电流。保持超导态的最大输入电流。外磁场升高，外磁场升高，Jc降低，当外磁场为降低，当外磁场为0时时Jc最大。最大。超超导导体体的的三三个个临临界界参参数数：临临界界温温度度Tc、临临界界磁磁场场强度强度Hc、临界电流密度、临界电流密度Jc。处处于于超超导导态态的的充充分分条条件件：温温度度、外外磁磁场场、电电流流密密度都低于这三个临界值。度都低于这三个临界值。这三个参数的高低是超导体能否实用的关键。这三个参数的高低是超导体能否实用的关键。4 4 临界电流密度临界电流密度第48页/共111页两两超超导导体体之之间间夹夹一一纳纳米米尺尺寸寸的的绝绝缘缘膜膜，形形成成超超导导层层绝绝缘缘层层超导层的结构超导层的结构Josephson理论理论上先预言，实验证明上先预言，实验证明薄片为正常导体或真薄片为正常导体或真空也可。空也可。5 5 约瑟夫森效应约瑟夫森效应由由于于隧隧道道效效应应，电电流流可可流流过过绝绝缘缘体体,且且两两侧侧的的超超导导体体层层之之间间没没有有电电压压，整整个个结结构构显显示出零电阻效应示出零电阻效应电电流流超超过过Ic正正常常传导，服从欧姆定律传导，服从欧姆定律第49页/共111页6.3.2 超导理论超导理论(Theories of superconductivity)第50页/共111页正常传导态的自由正常传导态的自由能是常数。超导态能是常数。超导态的自由能随磁场强的自由能随磁场强度变化。度变化。临界磁场强度临界磁场强度Hc：Gs=Gn当当HHc，Gs超导态的熵超导态的熵Ss。超导态更超导态更有序有序从正从正常态转变为超常态转变为超导态是由一种导态是由一种无序的高能态无序的高能态向有序的低能向有序的低能态态“凝聚凝聚”的的过程。过程。实验结果：锡的熵实验结果：锡的熵熵变熵变第52页/共111页何种有序度变化？何种有序度变化？自由能和熵的变化自由能和熵的变化磁场存在时由正常态到超磁场存在时由正常态到超导态的转变有潜热放出导态的转变有潜热放出一级相变。一级相变。在无磁场存在时，可以推导从在在无磁场存在时，可以推导从在T=Tc时，比热容时，比热容有突变。有突变。晶体结构分析：超导态和正常态的晶体结构没有晶体结构分析：超导态和正常态的晶体结构没有可察觉的差别。可察觉的差别。德拜温度测量：未发现明显的变化德拜温度测量：未发现明显的变化两相晶格两相晶格振动基本相同振动基本相同猜测猜测电子的有序度发生了变化电子的有序度发生了变化第53页/共111页实验：锡的比热容实验：锡的比热容比热容的突比热容的突变，转变时变，转变时没有潜热没有潜热在无磁场在无磁场的条件下的的条件下的超导转变是超导转变是二级相变。二级相变。第54页/共111页无无令令人人信信服服的的解解释释。各各种种理理论论和和模模型都只能解释部分现象。型都只能解释部分现象。热力学的研究结果热力学的研究结果磁场下是一级相变，无磁磁场下是一级相变，无磁场时为二级相变。场时为二级相变。相变前后未观察到晶体结构和晶格振动的变化相变前后未观察到晶体结构和晶格振动的变化推测超导相变是由电子的行为引起。推测超导相变是由电子的行为引起。实验观测：实验观测：“同位素效应同位素效应”，即某超导体样品的，即某超导体样品的临界温度与他的同位素原子量的平方根成反比。临界温度与他的同位素原子量的平方根成反比。因为原子振动的频率与原子量的平方根成反比因为原子振动的频率与原子量的平方根成反比推测晶体离子虽然不是载流子，但其振动（声推测晶体离子虽然不是载流子，但其振动（声子）可能参与了超导转变过程。子）可能参与了超导转变过程。2 超导转超导转变的机理变的机理同位素效应显示了超导体中的电子行为和声同位素效应显示了超导体中的电子行为和声子之间有密切的联系。子之间有密切的联系。第55页/共111页相变潜热相变潜热超导转变有电子能量跃变，即超导超导转变有电子能量跃变，即超导态与正常态之间有能隙态与正常态之间有能隙超导态的能量低于正超导态的能量低于正常态，是基态；正常态在能隙上部，是激发态。常态，是基态；正常态在能隙上部，是激发态。用不同频率的光子照射超导体用不同频率的光子照射超导体从超导体吸收从超导体吸收的光子频率（能量）可以测出能隙的大小的光子频率（能量）可以测出能隙的大小kTc的的数量级，其中数量级，其中k为玻耳兹曼常数。为玻耳兹曼常数。按按Tc=4K计算，能隙在万分之一计算，能隙在万分之一eV的数量级。的数量级。正常传导正常传导电子的能量是电子的能量是1eV的量级的量级超导相变前后电子的能量只变化了原来的万超导相变前后电子的能量只变化了原来的万分之一左右分之一左右声子的能量恰是这一数量级声子的能量恰是这一数量级声子与超导相变声子与超导相变有密切的联系。有密切的联系。第56页/共111页认认为为超超导导体体中中的的电电子子分分为为超超导导电电子子和和正正常常电电子子在在Tc温温度度一一部部分分正正常常态态电电子子凝凝聚聚成成超超导导电电子子导导致致超超导导态态的的出出现现，温温度度降降低低发发生生凝凝聚聚的的电电子子更更多多。超导电子能量低且有序。超导电子能量低且有序。明确指出是电子凝聚产生超导态，成功解释明确指出是电子凝聚产生超导态，成功解释超导体的热力学性质和电磁性质。超导体的热力学性质和电磁性质。不能解释为什么在不能解释为什么在Tc温度会开始电子凝聚。温度会开始电子凝聚。从从波波函函数数和和电电子子动动量量的的推推导导预预言言超超导导的的载载流流子子是是电电子子对对，并并推推导导出出了了电电子子对对尺尺寸寸（关关联联长长度度）和和迈斯纳现象的穿透深度迈斯纳现象的穿透深度。二流体理论二流体理论London理论理论第57页/共111页 按按照照量量子子理理论论，费费米米面面附附近近的的任任意意两两个个自自由由电电子子1和和2，如如果果其其动动量量大大小小相相等等方方向向相相反反，自自旋旋方方向向相相反反，且且其其能能量量满满足足E1-E2k D（其其中中k为为玻玻耳耳兹兹曼曼常常数数，D为为德德拜拜温温度度），则他们是相互吸引的，否则就相互排斥。，则他们是相互吸引的，否则就相互排斥。1956年年Cooper证明：费米面附近能量分别为证明：费米面附近能量分别为E1、E2的两电子的两电子1和和2，只要他们有相互吸引作用，不，只要他们有相互吸引作用，不论其作用多么弱或来自何种机制，都要形成束缚论其作用多么弱或来自何种机制，都要形成束缚态，使电子的总能量就略小于态，使电子的总能量就略小于E1+E2。一对能量和费米能相近，动量大小相等方向相反，一对能量和费米能相近，动量大小相等方向相反，自旋方向相反，相互束缚在一起的电子对称为自旋方向相反，相互束缚在一起的电子对称为Cooper对对库帕对降低总能量库帕对降低总能量稳定稳定大量自由电子形成库帕对大量自由电子形成库帕对超导态变成稳定态超导态变成稳定态库帕（库帕（Cooper）对对第58页/共111页1957年年J.Bardeen、L.N.Cooper和和Schrieffer共共同提出。同提出。电电子子是是通通过过吸吸收收和和发发射射声声子子形形成成库库帕帕对对的的，声声子子的的平平均均能能量量大大约约是是k D，所所以以与与费费米米能能相相差差小小于于k D的电子可形成库帕对。的电子可形成库帕对。凝凝聚聚能能密密度度：一一定定温温度度下下库库帕帕对对形形成成引引起起的的单单位位体积材料的总能量降低值。体积材料的总能量降低值。可可以以证证明明在在T=Tc时时凝凝聚聚能能密密度度为为0，随随温温度度降降低低，凝凝聚聚能能密密度度增增大大，凝凝聚聚到到超超导导态态的的电电子子数数增增加加。在绝对零度费米面附近的电子全部形成库帕对在绝对零度费米面附近的电子全部形成库帕对解释了超导相变的原因，并可计算解释了超导相变的原因，并可计算Tc。BCS理论理论第59页/共111页BCS理论对零电阻效应的解释理论对零电阻效应的解释正常传导：载流子受到散射而损失了能量产生电正常传导：载流子受到散射而损失了能量产生电阻，晶格从散射过程中获得了能量，即焦耳热。阻，晶格从散射过程中获得了能量，即焦耳热。超导态：组成库帕对的电子也被散射，但这种散超导态：组成库帕对的电子也被散射，但这种散射不影响库帕对的质心动量，只是使库帕对得以射不影响库帕对的质心动量，只是使库帕对得以维持维持电流通过超导体时库帕对的定向匀速运电流通过超导体时库帕对的定向匀速运动不受阻碍，电子的能量无损失动不受阻碍，电子的能量无损失无电阻无电阻改变库帕对质心动量的散射才会呈现电阻改变库帕对质心动量的散射才会呈现电阻是是一种拆散库帕对的散射一种拆散库帕对的散射拆散库帕对需要能量拆散库帕对需要能量电流密度低时无法提供拆对的能量，所以能改变电流密度低时无法提供拆对的能量，所以能改变库帕对总动量的散射被完全制止库帕对总动量的散射被完全制止超导态库帕超导态库帕对电子受到声子散射后又同时吸收了同样的声子，对电子受到声子散射后又同时吸收了同样的声子，电子能量无损失，不需要外电场做功补偿能量和电子能量无损失，不需要外电场做功补偿能量和动量动量无电阻。无电阻。第60页/共111页BCS理论的成功和不足：理论的成功和不足：几乎解释了当时发现的所有超导现象。几乎解释了当时发现的所有超导现象。但从该理论通过严密计算得到所有超导体的临界但从该理论通过严密计算得到所有超导体的临界温度温度Tc不超过不超过30K，现在已经研制出现在已经研制出Tc高于高于160K的高温超导材料的高温超导材料一些科学家认为，量子理论对超导解释的缺一些科学家认为，量子理论对超导解释的缺陷孕育着新的理论的出现，可能带来科学的巨变陷孕育着新的理论的出现，可能带来科学的巨变第61页/共111页6.3.3 超导的研究进展及其应用超导的研究进展及其应用(Research developments and applications of superconductivity)第62页/共111页应应用用集集中中于于利利用用强强大大的的电电流流和和磁磁场场以以及及约约瑟瑟夫夫森森效应。效应。用用于于前前一一种种场场合合的的超超导导材材料料称称为为强强电电超超导导材材料料，用用于于后后一一种种场场合合的的只只涉涉及及小小电电流流和和弱弱磁磁场场，称称为为弱连接超导材料或超导电子材料。弱连接超导材料或超导电子材料。约瑟夫森器件约瑟夫森器件很弱的磁场就可以使通过约瑟很弱的磁场就可以使通过约瑟夫森结的电流从最大变到最小夫森结的电流从最大变到最小超导量子干涉超导量子干涉器件器件(SQUID)可探测微弱的电磁信号。可探测微弱的电磁信号。日本用日本用SQUID探测脑声刺激的反应，能探测人脑探测脑声刺激的反应，能探测人脑发生的发生的1110-15T的超微弱磁场。的超微弱磁场。美国制成了目前最准确的电压标准仪器，已经在美国制成了目前最准确的电压标准仪器，已经在美国国家计量局作为电压标准使用了几十年。美国国家计量局作为电压标准使用了几十年。第63页/共111页强电超导材料强电超导材料产生强磁场产生强磁场磁悬浮磁悬浮我国已经世界上第一列超导磁悬浮列我国已经世界上第一列超导磁悬浮列车车不能达到商业上的成功。不能达到商业上的成功。超导发电机也已制造成功。超导发电机也已制造成功。1960年起研制超导电缆用于输电年起研制超导电缆用于输电尚无工业规尚无工业规模的应用。模的应用。应用的主要障碍：应用的主要障碍：Tc低实用的强电超导体低实用的强电超导体稳定且容易加工成型的合金超导体。稳定且容易加工成型的合金超导体。高高温温超超导导体体不不稳稳定定，一一般般是是陶陶瓷瓷，难难于于制制成成线线材材临界电流密度和临界磁场强度的限制。临界电流密度和临界磁场强度的限制。超导体与正常导体的连接也比较困难。超导体与正常导体的连接也比较困难。理理论论不不完完善善超超导导临临界界参参数数的的极极限限？能能否否获获得得Tc高于室温的超导体？高于室温的超导体？第64页/共111页Tc提高进程提高进程1986，IBM，Muller和和Bednorz：金属氧化物超金属氧化物超导体。导体。1987，赵忠贤赵忠贤等：等：Tc达液氮达液氮温区。温区。2001：C60/BrH3有有机超导体，机超导体，Tc达达117K。第65页/共111页6.4 热电效应热电效应(Thermoelectric effects)第66页/共111页6.4.1 热电势热电势(Thermoelectric potential)第67页/共111页电热效应电热效应逆效应？热能逆效应？热能电能？电能？如果导体或半导体两端有温差，则这两端存在如果导体或半导体两端有温差，则这两端存在电势差，这一电势差称为热电势。电势差，这一电势差称为热电势。假设多数载流子是电子。热端电子能量高，冷端假设多数载流子是电子。热端电子能量高，冷端的电子能量低的电子能量低电子自发向冷端移动电子自发向冷端移动热端热端和冷端之间形成电场。和冷端之间形成电场。电场抑制电子进一步向冷端流动电场抑制电子进一步向冷端流动建立平衡，建立平衡，平衡时热端和冷端之间有一定的热电势。平衡时热端和冷端之间有一定的热电势。第68页/共111页多数载流子是空穴的情形与此类似。多数载流子是空穴的情形与此类似。定定义义材材料料在在单单位位温温差差下下所所能能产产生生的的热热电电势势的的大大小小为为材材料料的的绝绝对对热热电电塞塞贝贝克克系系数数（绝绝对对塞塞贝贝克克系系数数），即绝对塞贝克系数，即绝对塞贝克系数V：热电势，热电势，T：温度温度Mott和和Jones用量子力学推导出高温下用量子力学推导出高温下k：玻耳兹曼常数；玻耳兹曼常数；e：电子电量；电子电量；：电导率；：电导率；E：能量，能量，EF：费米能。费米能。第69页/共111页6.4.2 塞贝克效应塞贝克效应(Seebeck effect)第70页/共111页塞塞贝贝克克1821年年发发现现两两种种不不同同的的导导体体或或半半导导体体组组成成回回路路时时，若若两两接接触触处处温温度度不不同同，则则回回路路中中有有电动势电动势塞贝克效应塞贝克效应绝绝对对塞塞贝贝克克系系数数分分别别为为SA、SB的的导导体体A、B的的之之间间的电动势的电动势 EAB=SAB T其中其中SAB=SA-SB 称为导体称为导体A、B间的相对塞贝克间的相对塞贝克系数；系数；T为温差。为温差。以同种材料组成回路，则产生的热电势相以同种材料组成回路，则产生的热电势相互抵消，无热电流产生。互抵消，无热电流产生。第71页/共111页要获得热电势，必须用不同的导体或半导体要获得热电势，必须用不同的导体或半导体形成回路，这种不同导体组成的回路称为热电偶形成回路，这种不同导体组成的回路称为热电偶主要应用主要应用测温。测温。要求：材料具有大的热电系数，热电势稳定，具要求：材料具有大的热电系数，热电势稳定，具有良好的重现性。有良好的重现性。R型热电偶（型热电偶（PtRh-Pt）常用于高温测量。常用于高温测量。K型热电偶（型热电偶（NiCr-NiAl）常用于中温测量。）常用于中温测量。低温测量常用低温测量常用T型热电偶（铜康铜）和型热电偶（铜康铜）和J型热型热电偶（铁康铜）。电偶（铁康铜）。更高温度的测量可用钨铼热电偶，在惰性或干更高温度的测量可用钨铼热电偶，在惰性或干燥氢中其使用温度可达燥氢中其使用温度可达2760 C，短时间可至，短时间可至3000 C。第72页/共111页塞贝克效应塞贝克效应温差发电温差发电效率低且成本高效率低且成本高结构简单、体积小结构简单、体积小特殊场合特殊场合高山高山上、南极、月球和太空上、南极、月球和太空已经使用和正在开发的热电材料都是半导体：已经使用和正在开发的热电材料都是半导体：低温区低温区(300400 C)：Bi2Te3、Sb2Te3、HgTe、Bi2Se3、Sb2Se3、ZnSb以及他们的复合体。以及他们的复合体。中温区中温区(400700 C):PbTe、SbTe、Bi(SiSb)2、Bi2(GeSe)3。在高温区在高温区(700 C)：CrSi2、MnSi1.73、FeSi2、CoSi、Ge0.7Si0.3、-AlBi2。实用的温差发电装置的转换效率已经达到实用的温差发电装置的转换效率已经达到12以上。以上。第73页/共111页6.4.3 珀耳帖效应珀耳帖效应(Peltier effect)第74页/共111页1834年年珀珀尔尔帖帖发发现现：不不同同的的导导体体组组成成回回路路并并通通以以电电流流时时，在在导导体体的的两两接接头头处处，一一端端吸吸热热，一一端端放放热，出现温差热，出现温差珀耳帖效应珀耳帖效应电能电能热能：珀耳帖效应焦耳热热能：珀耳帖效应焦耳热?焦耳热焦耳热向环境放热向环境放热珀尔帖热珀尔帖热导体或半导体内部各部分之间形导体或半导体内部各部分之间形成温差，即电流使导体或半导体内部各部分之成温差，即电流使导体或半导体内部各部分之间形成热流间形成热流是塞贝克效应的逆过程是塞贝克效应的逆过程第75页/共111页珀耳帖效应应用：电子制冷珀耳帖效应应用：电子制冷实用装置用半导实用装置用半导体，其中体，其中n型和型和p型半导体通过金型半导体通过金属电极连接属电极连接不影响制冷效率，不影响制冷效率，但提高元件吸热但提高元件吸热面积并方便加工。面积并方便加工。中间导体定律：中间导体定律：热电偶接入两端热电偶接入两端无温差时，因中无温差时，因中间导体不产生热间导体不产生热电势，不影响热电势，不影响热电偶的热电势。电偶的热电势。电子制冷装电子制冷装置的原理图置的原理图第76页/共111页6.5 材料的介电性能材料的介电性能(Dielectric properties of materials)第77页/共111页6.5.1 电介质的极化电介质的极化(Polarization of dielectric medium)第78页/共111页固体对外电场的响应：固体对外电场的响应：导体或半导体导体或半导体载流子浓度大，载流子在外电载流子浓度大，载流子在外电场的作用下作长程定向迁移场的作用下作长程定向迁移绝缘体：载流子浓度很低，在外电场的作用下一绝缘体：载流子浓度很低，在外电场的作用下一般看不到宏观的载流子长程定向迁移，但会产生般看不到宏观的载流子长程定向迁移，但会产生沿电场方向的电偶极矩或原来电偶极矩在外电场沿电场方向的电偶极矩或原来电偶极矩在外电场作用下改变，称为极化作用下改变，称为极化电介质：在外电场作用下可以产生极化的物质。电介质：在外电场作用下可以产生极化的物质。1 极化的概念极化的概念第79页/共111页普通物理：真空平板电容器存储的电量普通物理：真空平板电容器存储的电量Q=qA=0EA=0VA/dq：单位面积的电荷数，即电荷密度；：单位面积的电荷数，即电荷密度；A：平板的：平板的面积；面积；E：电场强度；：电场强度；0：真空中的介电常数；：真空中的介电常数；d：平板间距；：平板间距；V：平板间的电压。：平板间的电压。所以真空平板电容器的电容所以真空平板电容器的电容第80页/共111页法法拉拉第第(M.Faraday)发发现现，将将一一种种绝绝缘缘体体(电电介介质质)插入两极板之间时，电容器的电容增加插入两极板之间时，电容器的电容增加 r称称为为该该材材料料的的相相对对介介电电常常数数，=r 0称称为材料的介电常数。为材料的介电常数。电电容容增增加加的的原原因因：电电介介质质在在电电场场中中产产生生了了极极化化正正极极板板附附近近的的电电介介质质感感生生出出负负电电荷荷，负负极极板板附附近近的的电电介介质质感感生出正电荷。生出正电荷。第81页/共111页这种感应出的表面电荷不像导体中的自由电荷那这种感应出的表面电荷不像导体中的自由电荷那样可作长程的宏观运动，所以也称为束缚电荷。样可作长程的宏观运动，所以也称为束缚电荷。这种电介质在外电场作用下产生束缚电荷的现这种电介质在外电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介质的极化。象称为电介质的极化。极化产生了一个和外电场相反的电场，使电介质极化产生了一个和外电场相反的电场，使电介质中的实际场强比外电场小，从而引起电荷的存储中的实际场强比外电场小，从而引起电荷的存储能力增加，即电容增加。能力增加，即电容增加。第82页/共111页电介质的两大类：电介质的两大类：极极性性分分子子电电介介质质：没没有有外外电电场场作作用用时时，分分子子中中正正负负电电荷荷的的统统计计重重心心不不重重合合，分分子子中中存存在在电电偶偶极极子子，如如H2O、SO2、H2S、NH3、CO分子等；分子等；非极性分子电介质：没有外电场作用时，分子中非极性分子电介质：没有外电场作用时，分子中正负电荷的统计重心重合，分子中不存在电偶极正负电荷的统计重心重合，分子中不存在电偶极子，如子，如H2、N2、CH4分