信息材料 chapter 2-1 一～九 electronic information materials.ppt

Chapter 2 Electronic Information Materials导电材料超导材料绝缘材料介电材料半导体材料PCB(相关辅材)压电、热电材料电容、电阻材料射频RFID电子信息材料及产品支撑着现代通信、计算机、信息网络技术 、微机械智能系统、工业自动化和家电等现代高技术产业电子信息材料产业的发展规模和技术水平，已经成为衡量一个 国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志，在国民经济 中具有重要战略地位，是科技创新和国际竞争最为激烈的材料 领域随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来10～ 15年仍是最基本的信息材料，光电子材料、光子材料将成为发 展最快和最有前途的信息材料电子材料是传统信息领域最为基础的一大类材料各类材料电阻率材料类别超导体导体半导体绝缘 体电阻率(•cm)0 109固体材料能带理论示意图一、 传统的电子导电材料固体的导电是指固体中的电子或离子在电场作用下的远程迁移，通常以一 种类型的电荷载体为主，如：电子导体，以电子载流子为主体的导电；离子导电，以离子载流子为主体的导电；混合型导体，其载流子电子和离子兼而有之除此以外，有些电现象并不是由于载流子迁移所引起的，而是电场作用下诱发 固体极化所引起的，例如介电现象和介电材料等。

电子导电离子导电现代导电理论：电子/空穴 导电理论导电材料：普通导电材料、特殊导电材料、半导体材料、超导体材料 普通导电材料：导电纯金属、导电金属合金、复合导电金属等导电纯金属应具有： • 高的导电性 • 足够的机械强度 • 不易氧化、不易腐蚀 • 容易加工和焊接等特性• 来源丰富，价格合适 铜、铝金属材料符合上述条件，因而得到广泛的应用按电导率大小排列：银（Ag）、铜(Cu)、金(Au)、铝(Al)、纳(Na)、钼(Mo)、 钨(W)、锌(Zn)、镍(Ni)、铁(Fe)、铂(Pt)、锡(Sn)、铅（Pb）等金、银等导电纯金属材料的性能虽然也符合导电材料的要求，但其价格较高 ，只用于特殊场合 导电合金材料：向导电纯金属中加入其他金属元素所构成的导电材料此类导电材料经不同方法的强化后，具有良好的导电性和高的机械强度、硬 度、耐蚀、耐磨、耐热、导热等综合性能如铜、铝的合金铜合金：银铜、镉铜、铬铜、铍铜、锆铜等；铝合金：铝镁硅、铝镁、铝镁铁、铝锆等 复合导电金属：将两种或两种以上的金属通过一定的复合工艺制成的导电材料如铜包铝线 、铝包铜线等有线、棒、板、片、管等各种型材。

可由3种加工方法获得：塑性加工复合；热扩散复合; 镀层复合 • 高机械强度的复合金属：铝包钢、钢铝电车线、铜包钢等;• 高电导率复合金属：铜包铝、银复铝等；• 高弹性复合金属：铜复铍、弹簧铜复铜等；• 耐高温复合金属：铝复铁、铝黄铜复铜、镍包铜、镍包银等；• 耐腐蚀复合金属：不锈钢复铜、银包铜、镀锡铜、镀银铜包钢等特殊导电材料：既有传导电流的作用，又具有其他特殊功能(熔断、加热等)的导电材料如熔体材料、电刷、电阻、电阻合金、电热合金、电触头材料、双金属片 材料、 热电偶材料、弹性合金等广泛应用在电工仪表、热工仪表、电器、电子及自动化装置的技术领域如高电阻合金、电触头材料、电热材料、测温控温热电材料重要的有银、镉、钨、铂、钯等元素的合金，铁铬铝合金、碳化硅、石墨等 材料 导电材料的电特性主要用电阻率表征影响电阻率的因素有温度、冷变形、热处理、杂质含量等①温度的影响常以导电材料电阻率的温度系数表示ρ ＝ ρ0 [1 + ·(t-t0)] 式中ρ为温度t时的电阻率，ρ0 为温度t0时的电阻率,t0通常取0℃或 20℃, 为电阻率的温度系数②冷变形影响常以电阻率的应力系数来表示，在弹性压缩或拉伸时， 金属电阻率一般按下式规律变化： ρ ＝ ρ0 (1 + K·σ) 式中σ为应力，K 为应力系数。

压缩时K 为负值，ρ降低；拉伸时K 为 正值，ρ增加，故导体经拉伸后电阻率增加 ③热处理使导电金属经冷拉变形后，强度和硬度增加，导电性和塑性 下降退火后晶粒发生回复、再结晶,晶粒缺陷减少，晶格畸变减少， 内应力消除,电阻率降低④合金和杂质的影响：杂质与合金元素导致金属晶格发生畸变，造成 电子被散射的概率增加，因而电阻率增加所以高电阻导电材料均由 合金组成铜作为导电材料大都是高纯电 解铜，杂质会降低电导率铜中含有氧也使产品性能大大 下降无氧铜性能稳定、抗腐蚀、 延展性好、抗疲劳，适合于做海底 同轴电缆的外部软线，也可用于太 阳能电池金属导电材料的非电特性在某些特定的场合将变得更加重要高电导率的金属也是高热导率的金属，纯金属的热导率比合金的热导率高 热导率接触电位差温差电动势机械强度耐高温特性耐腐蚀性 耐磨性电机、电缆、 电气仪表及其 他电工产品温 升效应严重温差电控温、测 温元件和仪表 架空线航天、航空等国防 科技中，制造高温 导线、高温电机二、离子导体固体材料的电导率表征固体材料的导电性的物理量是电导率σ；常用单位有：Ω-1·cm-1，Ω-1·m-1，S·m-1（1S（西门子）=1Ω-1）；典型材料的电导率如下：导电类型材料类型电导率σ / S·cm-1 离子导电离子晶体10-18~10-4 快离子导体10-3~101 强（液）电解质10-3~101 电子导电金属101~105 半导体10-5~102 绝缘体＜10-121、固体中离子的扩散 (固体离子导电机理)固体中离子的扩散方式有：空位机理间隙机理亚间隙机理环形机理等主要介绍空位扩散和间隙扩散机理。

1）空位扩散机理 Schottky缺陷（肖特基缺陷）作为一种热缺陷普遍存在着负离子作为骨架，正离子通过空位来迁移晶体中空位邻近的正离子获得能量进入到空位中，留下一个新的空位，邻近的正离子再移入产生新的空位，依次下去，就不断地改变空位的位置总的说来，阳离子就在晶格中运动，如图4.1所示图4.1（a）迁移路 线迁移距 离2） 间隙迁移机理 以氯化银为例来讨论离子迁移的间隙和亚间隙机理氯化银晶体中缺陷的主要形式为Frenkel缺陷(间歇银)，间隙银离子更容易迁移，可能迁移方式有２种直接间隙机理（见图中路线1） 处于间隙位置的Ag+跳入邻近的间隙位置，依次下去，迁移到离原来间隙Ag+较远的位置迁移路线可以是曲折的，但间隙Ag+总有净的位移Ag+ Cl¯ Ag+ Cl¯Cl¯ Ag+ Cl¯ Ag+Ag+ Ci¯ Ag+ Cl¯Cl¯ Ag+ Cl¯ Ag+Ag+ Cl¯ Ag+ Cl¯Ag+12图 直接间隙机理亚间隙机理（见图中路线2和图 (b)） 间隙位置的银离子撞击与它邻近的正常格位的４个银离子中的一个，使该离子离开自己的格位，进入到间隙位置，而它则占据了正常格位。

从净的位移来看，也是一个间隙离子离开它的位置迁移到另一个间隙位置 特点：撞击产生空位，填空综上，实际离子晶体由于存在有这样的或那样的缺陷，尤其是正离子半径较小，可以通过空位机理进行 迁移，形成导电，这种导体称作Schottky导体也可以通过间隙离子存在的亚间隙迁移方式进行离子 运动而导电，这种导体称作Frenkel导体肖特基晶体 与弗仑克尔晶体 的电导率较低，一 般电导率在 10-18~10-4S·cm-1的范围内，总体属于 绝缘体 至 半导体2、快离子导体（固体电解质）(Fast Ion Condustor or Solid Electrolyte)1） 快离子导体的发展历史和结构特征经典离子晶体由于离子扩散可以形成导电但一般导电率要很低：如氯化钠电导率只有10–15 Scm-1 @r.t.，10-8 Scm-1 @ 200℃ 特殊离子晶体，室温下电导率可达 10-2 S·cm-1，几乎与熔盐电导相当 这类具有优良离子导电能力（＝0.1~10 S·cm-1）的例子晶体称做快 离子导体(Fast Ion Conductor )或固体电解质（Solid Electrolyte）。

图4.4 各种离子导体电导率与温度的关系Frenkel导体Schottky导体logσ100/T(K-1)Fast Ion导体β-AgIα-AgI经典离子晶体按照扩散方式，分作Schottky 导体和Fenkel导体，它们和快离子导体一样，其电导随温度的关系都服从阿累尼乌斯公式：σ＝Ａ·Exp(-ΔH/RT)，经典晶体的活化能ΔH在1～2ev,而快离子导体的活化能ΔH在0.5ev以下如图4.4反映了这些导体电导率与温度的关系快离子导体不论是从电导，还是从结构上看，都可以视为普通离子固 体和离子液体之间的一种过渡状态： 普通离子固体 快离子导体 电解质溶液相转变增加缺陷浓度② 快离子导体的结构特征与分类载流子主要是离子，且在固体中可流动的数量相当大例如，经 典晶体氯化钠、氯化银、氯化钾以及β-AgI中可流动的离子的数 量不大于~1018cm-3，而快离子导体中可流动的离子数目达到 ~1022cm-3u根据载流子的类型，可将快离子导体分为如下类型：①正离子作载流子的有：银离子导体、铜离子导体、钠离子导体 、锂离子导体以及氢离子导体；②负离子作载流子的有：氧离子导体和氟离子导体等。

快离子导体中应当存在大量的可供离子迁移占据的空位置 这些空位置往往连接成网状的敞开隧道，以供离子的迁移流动四方钨青铜、Na-β-Al2O3Nisicon (NaZr2P3O12)等快离子导体材料条件：① 一定组成； ② 一定结构相态（更为关键必要）；AgI有 、β、γ三个相，但只有相为快离子导体快离子导体由非传导相到传导相的相转变有如下的过程和特点：(1) 正常固体的熔化－正负离子均转化为无序状态，有相当大的电导值2) 快离子导体的亚晶格熔化相变－ “液态亚晶格” ，快离子导体有两套亚晶格，传导离子组成一套，非传导离子组成另一套传导相离子亚晶格呈液态，而非传导相液晶格呈刚性起骨架作用例如： －AgI ————146℃———→ －AgI(非传导相，I¯离子作立方密堆) (传导相，I¯离子作体心立方堆积)由于这类转变只相应固体中一半离子亚晶格的熔化，故相应相变的熵值 与熔化熵之和约为同类非快离子导体熔化熵值的大小下面给出一些例子：化合物固态相变熵JK-1 mol-1 (温度 Ｋ)固态熔化熵JK-1 mol-1 (温度 Ｋ)总熵值JK-1 mol-1快离 子导 体AgI14.5(419)11.3(830)25.8Ag2S9.3(452)12.6(1115)21.9CuBr9.0(664)12.6(761)21.6SrBr213.3(918)11.3(930)24.6经典 固体NaCl 24 MgF2 ~35 非快离子导体2）β-Al2O3族钠离子导体β-Al2O3族属于nA2O3-M2O一类非化学计量化合物，组成表达通式为：A3+=Al3+,Ga3+,Fe3+nA2O3-M2OM+=Na+,K+,Rb+,Ag+,Tl+,H3O+β-Al2O3族钠离子导体是其中最重要的快离子导体材料。

发展了以钠β-Al2O3为隔膜材料的钠硫电池具有能量密度高（150~200wh/kg）、寿命长、价格低、无污染等优点，还应用在提纯金属钠、制造工业钠探测器以及一些固体离子器件等方面钠β-Al2O3化合物实际上是一个家族，都属于非化学计量的偏铝酸钠盐 钠β-Al2O3 理论组成式为Na2O·11Al2O3由于发现时忽略了Na2O的存在， 将它当作是Al2O3的一种多晶变体，所以采用β-Al2O3的表示一直至今实 际组成往往有过量的Na2O3）Ag+离子快离子导体AgI快离子导体AgI在400℃以上具有可与液体电解质可比拟的离子电导率，高导电 相是α-。