第八章材料的电学表征技术

第八章材料电学表征方法本章讲授的内容1.导电性能分析2.热电势分析3.介电性能分析4.压电性能分析8.1电阻与导电的基本概念8.1.1电阻率8.1.2电导率电阻率和电导率都与材料的尺寸无关，而只决定于它们的性质，因此是物质的本征参数，可用来作为表征材料导电性的尺度。8.1.3根据材料导电性能好坏，可把材料分为：导体半导体绝缘体:ρ＜10-2Ω•m:10-2Ω•m＜ρ＜1010Ω•m:ρ＞1010Ω•m不同材料的导电能力相差很大，这是由它们的结构与导电本质所决定的。8.1.4四探针法测量半导体电阻为什么要用四根探针呢？因为金属与半导体接触时往往要形成阻挡层，造成很大的接触电阻，当有电流通过接触处时就会产生很大的电压降。同时，在金属与半导体接触处，当有点电流通过时，也可能发生少子注入现象，使得接触处附近的半导体电阻有所变化。因此，如果仅用两根探针，既做电流探针，又做电压探针，则测得的电压就不是真正半导体的电压，二是包含接触电阻和注入效应的电压。但是在电流探针之间再加上两根探针，专做测量半导体的电压用，则在很大程度上可消除接触电阻的影响。此外，为了进一步消除电压探针本身的接触电阻和注入效应，往往还采用补偿法来测量电压，使电流不必通过电压探针。这样采用四根探针后，测量的半导体电阻较为准确。接触电阻的定义何为接触电阻？接触电阻就是电流流过闭合的接触点对时的电阻.适用产品:连接器、继电器线束、开关等元件.物体电阻的产生:在电场作用下，物体内部电子的振动与原子内其他物质的振动相互碰撞引起的,而接触点由于是两种物质的接触，自然会有更多的杂质和其他物质，这样接触电阻就会产生.接触电阻的产生？在显微镜下观察连接器接触件的表面，尽管镀金层十分光滑，则仍能观察到5-10微米的凸起部分。会看到插合的一对接触件的接触，并不整个接触面的接触，而是散布在接触面上一些点的接触。实际接触面必然小于理论接触面。根据表面光滑程度及接触压力大小，两者差距有的可达几千倍。实际接触面可分为两部分：一.真正金属与金属直接接触部分。即金属间无过渡电阻的接触微点，亦称接触斑点，它是由接触压力或热作用破坏界面膜后形成的。此部分约占实际接触面积的5-10%。二.通过接触界面污染薄膜后相互接触的部分。因为任何金属都有返回原氧化物状态的倾向。接触电阻形成原理铜只要2-3分钟，镍约30分钟，铝仅需2-3秒钟，其表面便可形成厚度约2um的氧化膜层接触电阻一般由收缩电阻、表面膜电阻和导体电阻组成.收缩电阻是电流在流经电接触区域时，从原来截面较大的导体突然转入截面很小的接触点，电流发生剧烈收缩现象（或集中现象），此现象所呈现的附加电阻称为收缩电或集中电阻。表面膜电阻:由于接触表面氧化膜层及其他污染物所构成的电阻称为膜层电阻或界面电阻。接触电阻的组成导体电阻:实际测量电连接器接触件的接触电阻时，都是在接点引出端进行的，故实际测得的接触电阻还包含接触表面以外接触件和引出导线本身的导体电阻。导体电阻主要取决于金属材料本身的导电性能，它与周围环境温度的关系可用温度系数来表征。为便于区分，将收缩电阻加上表面膜电阻称为真实接触电阻。而将实际测得包含有导体电阻的称为总接触电阻。R=Rs+Rf+Rp,式中：Rs—收缩电阻；Rf—膜层电阻；Rp—导体电阻。8.1.5直流电位差计法影响电阻的因素1.环境因素的影响温度的影响应力的影响2.组织结构的影响塑性形变的影响热处理的影响3.合金元素及相结构的影响固溶体的电阻不均匀固溶体的电阻金属化合物的电阻多相合金的电阻8.2热电效应（2）帕尔贴效应AVBVATB对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。帕尔帖热的测量先从一个方向通入电流，测的热量QJ+Qp（放热）。然后再从另外一个方向通入电流，测的热量为QJ-Qp（吸热），二者只差就是2Qp，则可得出帕尔帖热。对于P型半导体和N型半导体组成的电偶应用：半导体制冷，利用半导体帕尔贴效应大的特点（3）汤姆逊效应对于同一种金属，若两端的温度不相同，电子也要发生迁移,于是在导体的M与M′两点之间产生一个静电势ΔV，见图由于导体中存在V，若给导体通以电流，若电流方向与热电流的方向一致，则放出热量,若方向相反，则吸收热量，这种现象称为汤姆逊效应。T1M′MT2TT+ΔTVV+ΔV1909年开始研究热点转换效率，目前热点材料已经广泛的应用于加热、制冷和发电等机制中。电差位计影响热电势的因素金属本质的影响温度的影响合金化的影响相变影响8.3介电性能分析介质在电场作用下产生感应电荷的现象，称为介质的极化。这种材料叫电介质。等量异号电荷相距一段距离，这个系统就称为电偶极子，电荷和位移的乘积称为这个系统的电偶极矩。8.3.1极化的概念非极性粒子正负电荷中心重合，在外电场的作用下形成电偶极子。极性粒子本身具有一定的电偶极矩，在外电场的作用下定向排列。电介质粒子分为极性和非极性两类真空－++++－－－E－++++－－－－++－－++－+－+－+－+－+－+－+－+－自由电荷+－偶极子束缚电荷(1)具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象8.3.1.1极化现象及其物理量偶极子的产生有两种基本形式：第一种：弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。包括：电子位移极化、离子位移极化。2极化机制第二种：该极化与热运动有关，其完成需要一定的时间,且是非弹性的，需要消耗一定的能量。包括：松弛极化、取向极化、空间电荷极化（3）松弛极化松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混乱，电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量（10-2－10-9S），是一种非可逆过程。（4）转向极化：具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致，与极性分子的热运动达到统计平衡状态，整体表现为宏观偶极矩。极化率比电子高得多，建立时间：10-2~10-10s（5）空间电荷极化：在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般为高压式极化。极化率随温度升高而下降。因为温度升高，离子运动加剧，离子容易扩散，空间电荷减小。极化时间较长，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此空间电荷极化只对直流和低频下的极化强度有贡献。----++++----++++----++++外电场P空间电荷极化松弛极化取向极化离子极化电子极化工频声频无线电红外紫外极化率或极化率和介电常数与频率的关系各种极化形式的比较有随温度升高而减小直流——低频结构不均匀的材料空间电荷极化有随温度变化有极大值直流——超高频有机转向极化有随温度变化有极大值直流——超高频高价金属氧化物电子松弛极化有随温度变化有极大值直流——超高频离子不紧密的材料离子松弛极化很弱温度升高极化增强直流——红外离子结构离子位移极化无无关直流——光频一切陶瓷电子位移极化能量消耗与温度的关系极化的频率范围极化的电介质种类极化形式介电常数介电常数：反映电介质极化行为的宏观物理量，表示电容器在有电介质时的电容与在真空状态中的电容相比较的倍数。真空－++++－－－E－++++－－－－++－－++－+－+－+－+－+－+－+－+－电位移D介电常数测试仪8.4压电性能分析压电效应（正压电效应和逆压电效应）正压电效应：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。逆压电效应：是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象压电常数：压电材料把机械能转换为电能的转换系数，反映了压电材料机械性能和介电性能之间的耦合关系。