功能材料课件第一章导电材料选编.pptx

第一章 导电材料 ;第一章 导电材料 ;1.1 导体材料 ;满带：全部被电子占满的能级。 空带：未被电子占住，全部空着的能级。 未满带：部分被电子占住的能级。 重带：空带与未满带重叠的能级。 禁带：在准连续的能谱上出现能隙Eg。 价带：原子基态价电子能级分裂而成的能带。 导带：相应于价带以上的能带（即第一激发态）。 不论何种结构，导体中均存在电子运动的通道即导带。即（a）类的导带由未满带、重带和空带构成；（b）类的导带由空带构成；（c）类的导带由未满带构成。电子进入导带运动均不需能带间跃迁。;二、导体的导电机理 导体导电机理的经典理论是自由电子理论，认为电子在金属导体中运动时不受任何外力作用，也无互相作用，即金属导体中电子的势能是个常数。因此，可用经典力学来导出电导率公式。 实际上，不论是金属，还是非金属导体中电子的运动是在以导体空间点阵为周期的势场中运动，电子的势能是个周期函数，而不是常数，因此，它不是自由电子，这就是能带理论。 但导体的周期势场和变化都比电子平均动能小得多，按量子力学，可当微扰来处理，这种理论称准自由电子理论，认为导体中的电子可看作准自由电子，其运动规律可视为和自由电子相似。 ;晶体中并非所有电子，也并非所有的价电子都参与导电，只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电（图1－2）。;三、导体材料的种类 导体材料按化学成分主要有以下三种： （1）金属材料。这是主要的导体材料，电导率在107~108S/m之间，常用的有银、铜和铝。 （2）合金材料。电导率在105~107S/m之间，如黄铜、镍铬合金。 （3）无机非金属材料。电导率在105~108S/m之间，如石墨，C3K、C16AsF5、C24S6F5。 四、导体材料的应用 导体材料在电力、电器、电子、信息、航空、航天、兵器、汽车、仪器仪表、核工业和船舶等行业有着广泛的用途。;1.2 超导材料 ;（一）临界温度Tc 由图1－3可见，T有特征值Tc。当TTc时，导体的ρ=0，具有超导性。当TTc时，导体的ρ≠0，即失去超导性。图中汞的Tc=4.20K。;某些金属、金属化合物及合金，当温度低到一定程度时，电阻突然消失，把这种处于零电阻的状态叫做超导态。有超导态存在的导体叫超导体。 超导体从正常态过渡到超导态的转变叫做正常—超导转变，转变时的温度Tc称为这种超导体的临界温度。显然Tc高，有利于超导体的应用。 （二）临界磁场强度Hc 除温度外，足够强的磁场也能破坏超导态。使超导态转变成正常态的最小磁场Hc(T)叫做此温度下该超导体的临界磁场。绝对零度下的临界磁场记作Hc(0) 。经验证明Hc(T)与T具有如下关系：;超导体的H－T关系如图1－4所示。如果施加磁场给正处于超导态的超导体后，可使其电阻恢复正常，即磁场可以破坏超导态。也就是说，磁场的存在可以使临界温度降低，磁场越大，临界温度也越低。对于所有的金属， Hc－T曲线几乎有相同的形状。;（三）临界电流密度Jc 实验证明当超导电流超过某临界值Jc时，也可使金属从超导态恢复到正常态。Jc称为临界电流密度，临界电流密度Jc本质上是超导体在产生超导态时临界磁场的电流。 若TTc并有外加磁场HHc时，Jc=f(T,H)即临界电流密度是温度和磁场的函数，如图1－5所示。Jc实质是无阻负载的最大电流密度。;（四）Meissner（迈斯纳）效应 迈斯纳和奥克森菲尔德由实验发现，从正常态（图1－6a）到超导态（图1－6b）后，原来穿过样品的磁通量完全被排除到样品外，同时样品外的磁通密度增加。不论是在没有外加磁场或有外加磁场下使样品变为超导态，只要TTc，在超导体内部总有B=0。 ;当施加一外磁场时，在样品内不出现净磁通量密度的特性称为完全抗磁性。这种完全的抗磁性即Meissner效应。 处于超导态的材料，不管其经历如何，磁感应强度始终为零。超导体是一种抗磁体。因此具有屏蔽磁场和排除磁通的功能。 这与完全导体的性质迥然不同。完全导体（或无阻导体）中不能存在电场即E=0，于是有;三、超导机理 1934年Gorter和Casimir提出的二流体模型。 金属处于超导态时，导电电子分为两部分：一部分为正常传导电子nN，它占总数的1-wB=nN/n；另一部分为超导电子nS，它占总数的wB=nS/n，n=nS+nN。这两部分电子占据同一体积，在空间上互相渗透，彼此独立地运动，两种电子的相对数目wB与(1-wB)都是温度的函数。 正常电子受到晶格散射做杂乱运动，所以对熵有贡献。 超导电子处在一种凝聚状态，即nS凝聚到某一个低能态，这是因为超导态自由能比正常态低，这种状态的电子不受晶格散射，又因超导态是取低能量状态，所以对熵没有贡献，即它们的熵等于零。;由于超导相变是二级相变，所以超导态是某个有序化的状态。 当温度低于Tc时，电阻