導(dǎo)電性固體分析

綜述:

不同的固體有不同的導(dǎo)電特性,通常用電導(dǎo)率σ來量度它們的導(dǎo)電能力。電導(dǎo)率的定義是對(duì)固體施加的電場(chǎng)強(qiáng)度E與固體內(nèi)電流密度J的比值。實(shí)驗(yàn)研究指出:在不太強(qiáng)的電場(chǎng)下固體的電導(dǎo)通常服從歐姆定律，即電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比,σ是與電場(chǎng)強(qiáng)度無關(guān)的。對(duì)于立方晶體或非晶態(tài)材料來說,電導(dǎo)率σ是各向同性的，是一個(gè)標(biāo)量。在一般情況下,電導(dǎo)率可能是各向異性的,應(yīng)該用一個(gè)二階張量表示。電導(dǎo)率的單位是S/m。在許多情況下，電導(dǎo)率的倒數(shù)是一個(gè)使用起來更方便的量，稱之為電阻率，用ρ表示，單位是Ω·m。

根據(jù)電導(dǎo)率的數(shù)值及其與溫度的依賴關(guān)系，大致把固體分為三類:金屬、半導(dǎo)體和絕緣體，下面依次作簡(jiǎn)要的說明。

金屬具有良好的導(dǎo)電性,其電導(dǎo)率在10 Ω·cm以上。金屬中的電流密度J可寫成電子電荷e、電子的平均漂移速度尌和電子濃度n的乘積，即可定義電子平均速度與電場(chǎng)強(qiáng)度E的比值為電子遷移率。這樣一來，電導(dǎo)率σ可表為σ=neμ。在歐姆定律成立的條件下，遷移率μ與電場(chǎng)強(qiáng)度無關(guān)，決定于材料的性質(zhì)。最早提出的金屬導(dǎo)電理論是P.K.L.德魯?shù)碌慕?jīng)典理論。假定金屬中價(jià)電子在電場(chǎng)中以同樣方式運(yùn)動(dòng)，通過碰撞與組成點(diǎn)陣的離子實(shí)交換能量;在兩次碰撞之間，電子被電場(chǎng)加速。電子在碰撞與加速這兩種作用之下，具有一定的平均速度，即一定的遷移率，從而能解釋歐姆定律。類似的考慮應(yīng)用到熱導(dǎo)理論，可以解釋維德曼-夫蘭茲定律，但德魯?shù)碌睦碚摬荒芙忉尳饘匐妼?dǎo)率與溫度的依賴關(guān)系，也不能解釋電子具有幾百個(gè)原子間距的長(zhǎng)自由程的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。這些矛盾直到人們用量子理論系統(tǒng)地研究了電子在晶體中運(yùn)動(dòng)的能帶理論才得到了解決(見固體的能帶)。能帶論指出，導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體導(dǎo)電性是由于它們的能帶結(jié)構(gòu)不同造成的。金屬導(dǎo)體具有未被電子填滿的能帶，這種帶中的電子能起導(dǎo)電作用，稱為導(dǎo)帶。能帶理論還指出，在嚴(yán)格的周期性勢(shì)場(chǎng)中，電子可保持處于某個(gè)本征態(tài)，且不隨時(shí)間改變，也就是說，在嚴(yán)格的周期性勢(shì)場(chǎng)中電子具有無限長(zhǎng)的自由程，不會(huì)受到散射。因此，金屬中的電阻并不是由于電子與周期排列的原子的碰撞，而是由于原子在平衡位置附近的熱振動(dòng)(點(diǎn)陣振動(dòng))。使嚴(yán)格的周期性勢(shì)場(chǎng)遭到破壞，引起散射的結(jié)果?？紤]了電子與點(diǎn)陣振動(dòng)的相互作用，即電子-聲子相互作用之后，理論才很好地解釋了電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系，以及電子具有幾百個(gè)原子間距的長(zhǎng)自由程的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。經(jīng)驗(yàn)表明，金屬的電阻率與溫度的關(guān)系大致上可用一個(gè)普適函數(shù)來表示, 式中ΘR是一個(gè)特征函數(shù)，接近于德拜溫度(見德拜模型)，T是絕對(duì)溫度。函數(shù)f在高溫時(shí)趨于1，低溫下正比于(T/ΘR)。即在高溫時(shí)，電阻率正比于T，低溫下正比于T。

不僅電子與點(diǎn)陣振動(dòng)相互作用是固體電阻的起因，點(diǎn)陣的不完整性，如缺陷、雜質(zhì)的存在也破壞了嚴(yán)格的周期性勢(shì)場(chǎng)，也是電阻的起因。這種原因引起的電阻一般與溫度無關(guān)，在低溫下這部分電阻保持不變，不會(huì)消失，稱為剩余電阻。如圖所示，為鈉在低溫時(shí)由于點(diǎn)陣缺陷散射機(jī)制引起的剩余電阻。有些金屬和合金，在極低溫度下電阻率會(huì)突然降到零，在此轉(zhuǎn)變溫度下的物質(zhì)叫做超導(dǎo)體(見超導(dǎo)電性)。

半導(dǎo)體的電導(dǎo)介于金屬和絕緣體之間。對(duì)于本征半導(dǎo)體，在絕對(duì)零度時(shí)，它只有完全被電子填滿的價(jià)帶和全空的導(dǎo)帶，二者之間存在著一個(gè)帶隙，或稱禁帶(見固體的能帶)。當(dāng)溫度升高時(shí)，有少量電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生能導(dǎo)電的電子和空穴，載流子濃度與溫度有關(guān)，其電導(dǎo)率隨溫度的變化可近似表示為σ∝e，A是常數(shù)，T是絕對(duì)溫度。對(duì)于摻雜半導(dǎo)體的電導(dǎo)，以及半導(dǎo)體的導(dǎo)電中其他問題，見半導(dǎo)體物理學(xué)。

從能帶理論的觀點(diǎn)來看，絕緣體與半導(dǎo)體的區(qū)別僅在于絕緣體的禁帶寬度比半導(dǎo)體大，因此絕緣體中載流子濃度非常小，決定了絕緣體的電導(dǎo)率很小。

對(duì)某些離子晶體，還存在另一種導(dǎo)電機(jī)制──離子導(dǎo)電。它是靠外電場(chǎng)作用下正負(fù)離子的移動(dòng)引起電流的。通常，離子電導(dǎo)率很小。

上述的固體電導(dǎo)都是指晶態(tài)固體，對(duì)于非晶態(tài)固體的電導(dǎo)還有自己的特點(diǎn)，詳見非晶態(tài)材料、非晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶態(tài)電介質(zhì)。

金屬和非金屬的區(qū)別:從化學(xué)性質(zhì)看金屬是金屬鍵連接，而非金屬是靠離子鍵或共價(jià)鍵連接。從物理性質(zhì)看，金屬一般具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性，有金屬光澤，并且大多數(shù)是固體只有汞常溫下是液體。而非金屬大多是絕緣體，只有少數(shù)非金屬是導(dǎo)體(碳)或半導(dǎo)體(硅)。但是由于科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，它們之間的區(qū)別也越來越不明顯。納米技術(shù)的發(fā)展更使金屬和非金屬之間的區(qū)別越來越小。

最早的金屬導(dǎo)電理論是建立在經(jīng)典理論基礎(chǔ)上的特魯?shù)乱宦鍌惼澙碚摗＜俣ㄔ诮饘僦写嬖谟凶杂呻娮?，?們和理想氣體分子一樣，服從經(jīng)典的玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)，在平衡條件下，雖然它們?cè)诓煌５剡\(yùn)動(dòng)，但平均速度為零。有外電場(chǎng)存在時(shí)，電子沿電場(chǎng)力方向得到加速度a:叢 ' 優(yōu) J 產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電子通過碰撞與組成晶格的離子實(shí)交換能量，而失去定向運(yùn)動(dòng)，從而在一定電場(chǎng)強(qiáng)度下， 有一平均漂移速度l，。假定碰撞概率為1/r(r又稱為自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間)，則有 D=衛(wèi)E ，，z 而電流密度J=，zg。=蘭荔三J57 與歐姆定律相比較，有 仃:巫 m 經(jīng)典理論成功地說明了歐姆定律，導(dǎo)出熱導(dǎo)與電導(dǎo)之間 相互聯(lián)系的維德曼一夫蘭茲定律，但同時(shí)也遇到了根本 性的困難。。根據(jù)經(jīng)典理論，金屬中自由電子對(duì)熱容量的 貢獻(xiàn)應(yīng)與晶格振動(dòng)的熱容量可以相比擬，但是在實(shí)驗(yàn)上 并沒有觀察到，這個(gè)矛盾在認(rèn)識(shí)到金屬中的電子應(yīng)遵從量子的費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律以后得到了解決。根據(jù)費(fèi)米統(tǒng)計(jì)， 只有在費(fèi)米面附近的很少一部分電子對(duì)比熱容有貢獻(xiàn)。 另一個(gè)困難是根據(jù)實(shí)驗(yàn)上得到的金屬電導(dǎo)率數(shù)值估算出 的電子平均自由程約等于幾百個(gè)原子間距，而按照經(jīng)典 理論，不能解釋電子為什么會(huì)有如此長(zhǎng)的自由程。正是 為了解決這個(gè)矛盾，結(jié)合量子力學(xué)的發(fā)展，開始系統(tǒng)研 究電子在晶體周期場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，從而逐步建立了能帶理 論。按照能帶理論，在嚴(yán)格周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電子， 保持在一個(gè)本征態(tài)中，電子運(yùn)動(dòng)不受到"阻力"，只是當(dāng)原子振動(dòng)、雜質(zhì)缺陷等原因使晶體勢(shì)場(chǎng)偏離周期場(chǎng)， 使電子運(yùn)動(dòng)發(fā)生碰撞散射，從而對(duì)晶體中電子的自由程 給出了正確的解釋。一般金屬的電阻是由于晶格原子振 動(dòng)對(duì)電子的散射引起的。散射概率與原子位移的平方成正比，在足夠高的溫度下與溫度丁成正比;在低溫下， 只有那些低頻的晶格振動(dòng)，也就是長(zhǎng)聲學(xué)波，才能對(duì)散 射有貢獻(xiàn)，而且隨著溫度降低，有貢獻(xiàn)的晶格振動(dòng)模式的數(shù)量不斷減少，呈現(xiàn)出金屬電阻率在低溫極限將隨之變化。實(shí)際材料中存在有雜質(zhì)與缺陷，也將破壞周 期性勢(shì)場(chǎng)，引起電子的散射。金屬中雜質(zhì)和缺陷散射的 影響，一般說來是不依賴于溫度丁的，而與雜質(zhì)和缺陷的密度成正比，它們是產(chǎn)生剩余電阻的原因。稀磁合金 材料極低溫下出現(xiàn)的電阻極小，是電子被磁性雜質(zhì)散射 時(shí)伴隨有自旋變化的結(jié)果，稱為近藤效應(yīng)。在費(fèi)米統(tǒng)計(jì) 和能帶論的基礎(chǔ)上，發(fā)展了金屬電導(dǎo)的現(xiàn)代理論。 (韓汝琦) 金屬導(dǎo)電性electrical conductivity of metals金屬具有良好的導(dǎo)電性，其電導(dǎo)率σ在1護(hù)9一'·cm以 上。 根據(jù)歐姆定律，金屬中的電流密度j正比于電場(chǎng)強(qiáng)度E，有 j二改忍 。一般為二階張量，電導(dǎo)率的倒數(shù)稱為電阻率。 金屬的導(dǎo)電性與溫度有關(guān)。通常情況下，金屬電阻率正比于溫度T。在低溫時(shí)，許多金屬材料的電阻率隨溫度按T"規(guī)律變化。在極低溫的液氦溫度范圍，含有 微量磁性雜質(zhì)的稀磁合金材料大都在電阻隨溫度變化曲 線上出現(xiàn)極小值。金屬同時(shí)是一個(gè)良好的導(dǎo)熱體。維德曼一夫蘭茲定律表明，金屬的熱導(dǎo)率k與電導(dǎo)率之比正比于溫度T，即 k/a二LT 式中L=2.22x10一8V2/K"，L為一常數(shù)，稱洛倫茲數(shù)。 按照馬德森定則，包含少量雜質(zhì)或缺陷的金屬材料，其電阻率P可以寫成: P一P0+P(約 爪約為電阻率中與溫度有關(guān)的部分;P0為與溫度無關(guān) 的部分，表示雜質(zhì)與缺陷的影響，是當(dāng)溫度T趨向0 K 時(shí)的電阻值，稱為剩余電阻。

導(dǎo)電性復(fù)合纖維，在制造過程中不產(chǎn)生成分剝離，長(zhǎng)期使用時(shí)仍保持初期的導(dǎo)電性能，而且染色牢固度優(yōu)良。將含有15-50重量%導(dǎo)電性炭黑的導(dǎo)電性聚酰胺層(A)和由特定組成的聚酰胺形成的保護(hù)聚合物層(B)進(jìn)行復(fù)合，使導(dǎo)電性聚酰胺層(A)露出纖維表面，其表面露出部分的數(shù)量，每1單絲有3處以上，每1個(gè)纖維斷面周長(zhǎng)方向上的露出距離L↓[1](μm)滿足下式，而且，保護(hù)聚合物層(B)占纖維面周長(zhǎng)的60%以上，纖維總重量的50-97重量%。0.1≤L↓[1]≤L↓[2]/10(1)L↓[2]∶1根單絲纖維的斷面周長(zhǎng)(μm)。

其特征是由導(dǎo)電性聚合物層(A)和保護(hù)聚合物層(B)形成的導(dǎo)電性復(fù)合纖維，而導(dǎo)電性聚合物層(A)是由含15~50重量%導(dǎo)電性炭黑的熱塑性聚酰胺形成，保護(hù)聚合物層(B)是由熔點(diǎn)在170℃以上的熱塑性聚酰胺形成，由任意纖維斷面看時(shí)，導(dǎo)電性聚合物層(A)在纖維表面上露出3處以上，每一個(gè)露出處的露出距離L↓[1](μm)滿足下式(1)，且保護(hù)聚合物層述。

采用專有的金屬納米微粒復(fù)合技術(shù)開發(fā)出新型導(dǎo)電性纖維。該產(chǎn)品是通過 與各種金屬離子的相互作用，在纖維內(nèi)部形成 納米離子的高導(dǎo)電性聚乙烯醇纖維。通過對(duì)納米尺寸的金屬微粒進(jìn)行復(fù)合，發(fā)現(xiàn)增大比表面積及減少粒子間距離可使產(chǎn)品的導(dǎo)電性增加。新產(chǎn)品具有高導(dǎo)電性，在纖維內(nèi)部存在導(dǎo)通經(jīng)路，彎曲、摩擦等作用也很難使其外部受到損傷，因此具有優(yōu)良的耐久性，產(chǎn)品的自由度高且導(dǎo)電性可控等優(yōu)點(diǎn)。該新產(chǎn)品可作為防靜電和耐電材料、電磁波屏蔽材料(電線護(hù)套等)以及電磁波吸收材料(分割器、建材、壁材以及內(nèi)裝飾材料等)。