电子导电性（共10篇）
电子导电性 篇1
引言
具有电阻负温度系数 (NTC) 的热敏元件的电阻率随温度升高而降低, 广泛应用于环境温度测量、 温度智能控制、 温度补偿和浪涌抑制等领域, 也是卫星红外探测与空间定位的关键元件。常用的NTC热敏电阻是基于过渡金属氧化物的尖晶石型化合物[1,2]。该类材料在高温时易发生阳离子的重组而引起结构驰豫、 导致性能稳定性欠佳。为了从根本上解决过渡金属复合化合物存在的性能缺陷, 研发其他成分体系的、具有NTC特性的热敏材料也倍受关注, 如Ba Bi O3掺杂Ba Ti O3、Sr Fe0.9Sn0.1O3-δ、Sn O2等[3,4,5]。
钙钛矿型Ba Ti O3基材料是一种重要的电子陶瓷材料, 在介电电容器、 压电元器件、 正温度系数 (PTC) 热敏元器件等领域有深入研究, 且广泛应用。Ba Ti O3在室温下是四方晶系结构 ( 简写为t - B a Ti O3) , 1 2 0 ℃ 以上转变为立方结构, 1460℃以上形成稳定的六方晶系的结构 (简写为h-Ba Ti O3) 。在还原气氛下烧结能在室温下获得稳定的h-Ba Ti O3。与尖晶石型化合物相比, Ba Ti O3基陶瓷材料具有更加稳定的特性。本文以过渡金属 (钴Co、铁Fe、镍Ni、锰Mn) 掺杂Ba Ti O3制备得到了具有六方结构的陶瓷材料, 并研究了材料的电子导电性质与热敏特性。
1 材料与实验方法
本实验的材料可以用分子式Ba Ti0 . 8M0 . 2O3 - δ ( M = N i 、 F e 、 C o 、 M n ) 表示, 简称为B T “ M ” O 。
以Ba Ti0 . 8M0 . 2O3 - δ (掺杂铁, 简写BTFO) 为例描述材料的制备过程: 称取适量的碳酸钡 (99.0%) 和氧化铁 ( 99.0%) 并溶解于硝酸溶液中, 适量钛酸四丁酯 ( 98.0%) 溶解于酒精; 将两种溶液混合在一起, 并加入适量的聚乙烯醇, 搅拌、加热直至干燥, 制得BTFO前驱体。经900ºC煅烧得到BTFO粉体。将BTFO造粒、通过压制成型得到直径为15mm、厚度约为3 . 5 m m的小圆片, 在1 2 0 0 º C烧结成陶瓷。用砂纸将陶瓷体两个平行的表面层磨去一定厚度 (得到试样厚度约1.5mm厚) , 并在两个平行的表面涂覆银浆、经600ºC固化成欧姆接触电极。
利用X - 射线衍射仪 ( 型号D / M A X2 5 5 0 P C , C u Kα, λ=0.1541 nm) 、场发射透射电子显微镜 (简写为TEM, 型号FEI F20) 分析材料的晶体结构。 实验中得到的选区电子衍射谱经CRISP软件中的ELD与Trice2软件进行电子衍射谱的处理与倒空间重构计算。 采用华中科技大学研制的电阻-温度特性测试仪 (型号Z W X - C ) 测量陶瓷的电阻随温度的变化特征, 测试范围为25ºC~300ºC。陶瓷的电阻率ρ由欧姆定律公式ρ=h/AR计算获得, 其中, h为试样厚度、A为试样截面积、R为陶瓷体电阻。
2 结果与分析讨论
2.1 微观结构
图1是BTMO (M= Ni、Fe或Co) 试样的X-射线衍射 (XRD) 谱。结合MDI Jade6软件分析得出:它们与X-射线衍射图谱PDF卡号89-8116的衍射谱吻合良好, 各试样均为纯六方Ba Ti O3结构 (空间群为P63/mmc (194) , a=b =0.573nm, c= 1.399nm, α=β=90º, γ=120º) 。
为了进一步确定B T M O材料的晶体结构, 本工作对BTCO (掺杂钴, 简写BTCO) 试样进行了的TEM电子衍射分析。在图2a的电子衍射 ( S A E D ) 谱中, 保持箭头所指示的衍射斑点位向不变, 倾转19.94º、29.90º和41.83º分别获得图2b、2c和2d的SAED谱。用CRISP软件对上述S A E D谱进行重构处理和晶胞参数计算, 得到沿图2 a中箭头方向的三维重构倒空间 ( 如图2 e ) 。 图2 f给出的是三维重构的倒易空间沿着任意的一个方向观察的结果。 由Tr i c e 2 专用软件计算得到单胞尺寸参数为a=b=0.574 nm, c = 1 . 3 9 7 n m , α = β = 9 0 º , γ = 1 2 0 º 。该结果与六方Ba Ti O3的晶胞参数非常接近。由此, 图3a-d中的衍射谱可以分别标定为h-Ba Ti O3的[4-4-1]、[ 4-11-] 、 [ 4 0-1 ] 和[ 4 1-1 ] 带轴所得的衍射谱。
六方Ba Ti O3的晶体结构可描述为Ba O3多面体层按照立方- 立方- 六方堆积模式依次堆积而成, 即以[Ba (2) O (2) 3- B a ( 2 ) O ( 2 ) 3- B a ( 1 ) O ( 1 ) 3]3方式堆积, 如图3 所示。 另外, 两种类型的晶格Ti原子[Ti (1) 、Ti (2) ]分别占据相应的[Ti O3]八面体间隙[7]。根据其中Ti (2) 原子占据相邻共面的Ti2O9正八面体的间隙。M (以M (2) 2 +和/或M ( 2 ) 3 +) 代替Ti (2) 位置进而产生氧空位。由于大量的氧空位的存在使得氧八面体由共顶点转变成共面排列、进而使Ba Ti O3在室温下表现为六方结构。
2.2 电子导电性能比较研究
如图4 为B T M O陶瓷试样的电阻率 ρ - 温度特性图, 插图为实验数据以电阻率对数随绝对温度倒数 ( l n ρ - 1 0 0 0 / T ) 表述的电阻- 温度特性。 由此可见, 四种陶瓷材料的电阻率对温度的升高而降低, 呈现典型的NTC效应。该电阻- 温度特性与四方结构t - B a T i O3明显不一样:t - B a T i O3在居里点 (120ºC) 附近呈现典型的正温度系数 ( P T C ) 效应。 由插图可知, l n ρ 随1 0 0 0 / T几乎呈线性关系变化, 其变化规律可以用Arrhenius关系式表达:
式中, Ea为导电激活能, k和T分别为玻尔兹曼常数和绝对温度, ρ0是与材料本身特征有关的相关参数因子, B体现NTC材料特性的材料常数。B值可由下式计算得出:
式中, T1、 T2为两个不同的绝对温度, ρ1、ρ2分别为T1、T2对应的电阻率。Co、Fe、N i和M n掺杂B T M O陶瓷的B值分别为4 2 8 2 、4 7 2 5 、 4 5 8 8 和5 0 1 5 K 。实际应用中, N T C热敏元件的B值一般要求为2000-6000 K, 当前商业应用的热敏元件的B值常在4000 K左右。这说明六方BTMO具有优异的NTC效应。
一般地, 对于t - B a Ti O3, 可以通过半导体掺杂方式明显调节陶瓷的室温电阻率, 比如通过掺杂微量La、Y或Nb等能够将陶瓷的室温电阻率由106Ω·cm显著降低到10Ωcm或更小。为了探索h-Ba Ti O3是否也具有t-Ba Ti O3类似的半导体掺杂改性特征, 本实验对BTFO材料分别进行了La、Y或Nb掺杂, 掺杂用量分别为摩尔分数0.05%、0.1%、0.2%、0.5%。结果表明, 掺杂未能有效调节h-Ba Ti O3的室温电阻率, 所有掺杂的陶瓷的室温电阻率均为106Ω·cm量级;掺杂后陶瓷依然呈现典型的NTC特征。由此说明, h-Ba Ti O3的导电机制与t-Ba Ti O3的导电机制并非相同, 后者一般遵循半导体能带理论导电、 掺杂离子引起施主能级电子载流子向导带跃迁而呈现电子导电特征。
在半导体材料的导电机制研究中, 主要包含两种模型, 即能带理论模型和电子跳跃模型。由上述研究结果可知, 掺杂对B T M O陶瓷的电阻率几乎没有影响, 也就是说, 能带理论模型应该不适合描述h-Ba Ti O3陶瓷的导电机理。传统的尖晶石型NTC材料中, 电子跳跃电导模型被广泛接受用于分析其电导机制。在B T M O材料中, C o、F e、N i、M n等过渡金属元素在化合物中均可存在不止一种的化合价态, 如Co2+/C o3+、Fe2+/F e3+、Ni+/N i2+、Mn2+/M n3+等。这些离子均占据在h-Ba Ti O3的Ti (2) 晶格位置 (见图3及讨论) 。这些过渡金属元素的多价态共存的性质, 以及它们在h-Ba Ti O3占据着相同的晶体位置, 这种特征满足跳跃模型的电子导电条件, 应该是B T M O陶瓷中电子导电的主要导电机制。C o、F e、N i、M n掺杂B T M O的电子跃迁方式可分别表述为:。通过跳跃方式, 热激活促使电子获得足够能量由某一价态离子跃迁至另一离子, 从而实现电子的传输。随着温度的升高, 电子获得能量越多、迁移能力越强, 从而使得陶瓷呈现NTC效应。
3 结论
实验获得了过渡金属 (Fe、Co、Ni、Mn) 掺杂B a T i O3六方晶体结构单相陶瓷材料。 该系列陶瓷材料具有典型的电阻负温度系数的热敏特性, C o 、 F e 、 N i和M n掺杂B T M O陶瓷的N T C材料常数B值分别为4 2 8 2 、 4 7 2 5 、 4 5 8 8 和5 0 1 5 K , 且均大于或满足当前商业应用的常温型N T C热敏元件的B值。常规的半导体掺杂难于使六方Ba Ti O3半导化, 说明该材料体系的导电机制并非遵循能带导电模型, 而是主要以电子跃迁模型为其主要导电机制。
参考文献
[1]R.Schmidt, A.W.Brinkman.Studies of the Temperature and Frequency Dependent Impedance of an Electroceramic Functional Oxide NTC Thermistor[J], Advanced Functional Materials.2007, 17:3170-3174.
[2]K.Park, J.K.Lee.Mn-Ni-Co-Cu-Zn-O NTC thermistors with high thermalstability for low resistance applications[J].Scripta Materialia.2007, 57:329-332.
[3]X.Liu, Y.Luo, X.Li.Electrical properties of Ba Ti O3-based NTC ceramics doped by Ba Bi O3 and Y2O3[J].Journal of Alloys and Compounds, 2008, 459 (1-2) :45–50.
[4]C.Yuan, X.Wu, J.Huang, et al.Electrical properties of thick film NTC thermistors based on Sr Fe0.9Sn0.1O3-δ[J].Solid State Sciences, 2010, 12 (12) :2113–2119.欧阳攀, 张鸿, 李根等.磷锑共掺Sn O2陶瓷的电阻-温度特性[J].
[5]电子元件与材料, 2012, 31 (6) :10-14.
电子导电性 篇2
一． 课题导入
复习：
1.二极管的图形符号
2.二极管的正负极识别
＋－
3.展示发光二极管讲解发光二极管正负极识别方法 长正短负
二． 新课展开：
１.学生根据上面仿真电路用面包板进行电路插接同时填写实验报告
（注：多媒体展示一下插接电路和插接过程中可能出现的问题）２.总结实验当中出现的问题和解决方法主要针对没有点亮二极管的原因
３.通过多媒体和电脑仿真软件仿真电路
（１）同课本实验相同的仿真电路
J115V16 V Key = A R1X124V_0.5W10ΩGNDGND（２）改进的插接仿真电路
LED123J1Key = A V13 V GNDGND1R11kΩ
正向导通电路
J11LED12Key = A V13 V GNDGND3R11kΩ
反向截止电路
４.通过实验现象分析得出二极管的特性
1）加正向电压二极管导通
将二极管的正极接电路中的高电位，负极接低电位，称为正向偏置（正偏）。此时二极管内部呈现较小的电阻，有较大的电流通过，二极管的这种状态称为正向导通状态。
（2）加反向电压二极管截止
将二极管的正极接电路中的低电位，负极接高电位，称为反向偏置（反偏）。此时二极管内部呈现很大的电阻，几乎没有电流通过，二极管的这种状态称为反向截止状态。
三． 课堂总结：
本节科的课堂收获：１.学会正确使用面包板插接电路
溶液导电性测试笔 篇3
经过思考，我做了一个可以方便测定溶液导电性的装置，经使用效果非常明显。在这里我将制作方法向同行做一介绍。
一、材料
木板、三合板、七号干电池、发光二极管、细导线、铜线。
二、制作方法
在一块木板(1.5×2.5×10cm)上，挖出一个能容纳两节七号干电池的凹槽，将两节电池放入其中，电池的正极与发光二极管正极用导线连接，从发光二极管负极引出一条导线，焊接在一根铜导线上，作为一个探头；再将电池负极与另一铜导线连接，作为另一个探头。将发光二极管和探头嵌入槽内并固定，用一块三合板(2.5×10cm)盖在上面，并用螺丝拧紧。
我还为它做了一个小箱子，把箱子内分成两格，一格盛放实验时所用的溶液，另一格放该测试笔。上课时只要提着一个小箱子就可以了。
三、用途
1用于酸、碱、盐溶液导电性演示实验；
2也可根据发光亮度测定电解质的强弱；
3还可用于物理学科中测物体的导电性。
四、使用方法
1测溶液导电性：手持测试笔，将两个探头同时浸入待测溶液中，若溶液能导电，就形成闭合电路，发光二极管发出红光；若溶液不导电。发光二极管不发光。
2比较电解质强弱：该测试笔放入强电解质溶液中发强光，放入弱电解质溶液中发弱光。
3测固体物质导电性：将测试笔的两个探头同时接触一种物质，若该物质导电，则灯亮；反之，则不亮。
五、优点
1操作简单，省时便捷：在测试某溶液导电性时，只要把测试笔的两探头同时放入该溶液即可。
2灵敏度高，实验现象明显：由于采用了通过微弱电流即可发红光的发光二极管，使得该实验的现象非常明显，即使是坐在教室最后面的同学也能观察到。
电子导电性 篇4
在过去几十年中, 电子器件的快速微型化以及对电子学的深入研究已极大地促进了科技及经济的发展, 运算速度的更高要求激发了研究人员在单一硅片上集成完整电路 (包括线路、电阻器、电容和晶体管等) 。研究者通过应用新的组装技术, 使单位面积硅片上的组件越来越多, 这大大加速了电路的运算速度和能力。目前, 固态微电子器件已超过1亿个晶体管, 其尺寸已降至180 nm。然而, 根据莫尔定律, 传统的基于硅材料的半导体生产技术几乎己经达到了半导体材料的极限, 进一步提高光刻精度无论是在理论上还是在加工技术上都面临着巨大的挑战。因此, 如何克服电子器件的物理极限, 使得逻辑运算单元和存储单元进一步微型化已经成为刻不容缓的问题, 这必将引起器件的革命, 以完全不同于传统工业的新技术、新材料、新理论发展下一代电子器件, 以彻底取代传统的以硅为主体的半导体产业, 突破半导体的尺寸瓶颈。
自20世纪80年代开始, 研究者们开始了分子电子学及分子电子器件的研究。分子电子器件是由单个或者少数分子构成的纳米级尺寸的功能元件, 在未来的纳米世界中, 这些分子器件将具有举足轻重的地位。计算机微型化的最终形态是用单独的分子构成微电路, 这些分子有着与目前常规器件相同或者是相似的功能, 如电导、开关、二极管、三极管等。在这个尺度下运行的元件将有显著的量子效应和统计特性, 并且由于尺度优势, 理论上会具有很大的连接比、极快的响应速度和极大的运算处理能力。基于这样的设想, 科学家们提出了分子电子学的概念:应用单个或几个分子、碳纳米管、纳米尺寸的金属或半导体线使之具有电子的功能。允许电子由一个器件流向另一个器件, 起到连接整个分子电子系统的作用, 并且通过改变这些具有导电性的分子结构, 设计出具有特殊电学性质的一些分子器件, 通过分子自组装技术组装这些纳米级的分子器件, 使其构成简单的逻辑电路, 进而组成复杂的电路。
与传统的硅基电子器件相比, 分子电子器件具有很多优点:分子电子芯片的尺寸比目前的硅芯片小3个数量级;一个同样体积的分子芯片具有比通常芯片高出几百万倍的计算能力;在不明显增加成本的前提下, 由于集成度的提高, 计算速度也会大大提高。这里主要通过金属-分子-金属 (MMM) 结探讨了分子导体的导电特性, 并对分子电子器件未来的发展进行了展望。
1MMM结
导体的导电特性可以通过MMM结进行研究, 为了分析不同实验中的测试层, 研究者简化了分子结的结构, 并通过考察不同部分在分子导体测量中发挥的作用, 发现关键的影响因素。图1是1种分子结的简单示意图, 2个电极 (金属) 与1个或多个分子呈夹心结构, 即分子结可以分为3个主要区域:电极 (金属) 、分子以及每个电极 (金属) 与分子相接触的界面。
1.1 电极
在分子结中, 除了裂分结技术, 其他的分子结并不是2个电极同时制备。一般情况下, 先制备获取第1个电极, 并在电极上形成SAM, 再与第2个电极接触。作为组合电极的许多方面, 如形状、表面洁净度以及形貌等, 都将影响结的性质[1]。电极材料通常使用Au, Ag, Pt, Pa, Hg等金属, 但有时也使用半导体基底, 如GaAs等, 金属的粗糙度及洁净度对于检测结中分子的数量及分子传导性是非常重要的, 在电极表面形成的SAM, 因为分子都是纳米级的, 电极的表面形貌影响着结的最终结构。而且电极在检测SAM的密度及分子斜置角方面尤为关键, 因为在纳米尺寸分子结中接触的位置对单分子或是多分子从不相同。然而, 对于较大的分子结, 大量分子的排列被同时测定, 这意味着, 在一个结中分子的测量是以统计学进行的, 结果是平均化的。因此, SAM上单分子点阵的测量结果经常与电导平均值不同[2]。
1.2 分子
在分子结中对分子的研究可以改变其长度、组成、定位以及聚集度。从组成方面, 研究者对分子导线进行详细讨论。如果考虑分子结中分子的角色, 根据其结构可以将分子分为3种功能:具有表面活性的头基, 可将分子结合于第一电极;分子的骨架, 即分子中的π体系或σ系统;功能性的尾端基团, 可确保与上电极 (第二电极) 形成良好的结合。为了得到分子结中良好的分子构造, 研究者以巯基烷烃为例, 表明在分子自组装过程中, 分子的长度、溶剂、金属或半导体表面的类型、温度等都将影响最终相的形成, 显然, 分子结中分子构造的变化导致了分子传导性的改变[3]。
1.3 分子-电极界面
在分子结中, 分子与电极之间有2种类型的接触, 一种是化学吸附;另一种是物理吸附, 化学吸附和物理吸附的差异将导致分子结传导性指数的变化。从通过分子结的电流角度考虑, 这种差异可以Landauer公式来描述, 起始传导参数G由公式
1.4 MMM结中的电子传递
研究者[2,4]已经测量了个体或少量分子的I-V特性, 分子代表量子点, 其比半导体量子点要小。对分子的电子传递, 主要是测试分子的阻抗, 即当短链分子接触2个金属电极, 控制施加的电压时, 所对应电流的变化。关于MMM结中电子传递的测试方法, 包括裂分结法、扫描探针法、纳米孔法以及其他方法。研究者使用半经验以及第一性理论, 发展了理论模型去计算分子导线的I-V, 并对实验获得的I-V结果, 应用简单的模型去解释其基本的原理[5]。实验证明, 在一个MMM结中, 电流是2种类型的结合, 一种是跳跃电流, 它归于通过不同能级的电子传递;另一种是隧穿电流, 它随间隙的增加而呈指数减小。两种电流亦称作不连续电流或连续电流。
2分子电子的测试方法
2.1 STM
STM具有良好的原子级的导体探针, 在表面上扫描时, 偏压被应用在STM针尖和导体基底间, 这可以监控两者间的隧穿电流。目前流行的实验方法是使待测分子与具有绝缘性性质的直链饱和烷烃分子形成混和自组装单层膜, 以实现待测分子间的相互隔离[4]。如图2所示, 待测分子1超出了DT单层膜的厚度, STM探针扫描轨道呈稳态电流模式, 相对平坦的DT层可以通过原子尺寸刻录在STM探针上[6]。
STM记录的电流可以非常小, 这在分子电子器件电性能测试研究中是很重要的, 因为在STM针尖和表面研究区域间的隧穿电流比两个电极间的整体电流要小得多。而且, STM可以在原子水平上同步记录电流和形貌, 所以, 针尖可以应用于在特定区域分子的定位和测量, 这在理论是也说明单分子可以应用STM技术进行测量。但实际上, 在密集的SAM区域, 因为针尖精确的尺寸和形貌都是未知的, 所以并不清楚被测量的分子数量。
STM是在恒电流或恒高模式下运行的, 或是两者的结合, 因此, 探针和表面之间的距离就缺乏精确数据, 并且电流的变化是否归于高度的变化或是归于导体分子的变化仍需进一步研究;而且, 因为分子和探针针尖间隙隧穿的距离是在非常小的装置区域进行的, 所以测量的电流非常低。研究表明, 在一个绝缘巯基链上分子测量的最大链长一般不超过14个C, 否则, 隧穿电流将很难测量。使用STM的优点是可以在线研究分子排列并允许在溶液中进行测量, 这就有机会去测量桥联间隙的分子, 且因为分子是结合于针尖和基底, 分子与针尖或基底间的化学吸附接触在很大程度上减少了整体阻抗中接触阻抗的影响。而且, 因为针尖可以上下重复移动, 所以很容易制备新的单分子结, 应用统计学可以得到良好的结果, 目前, 对STM研究仍在继续。
2.2 裂分结
裂分结可以分为2类, 即机械控制的裂分结及电迁移裂分结。通过电迁移形成的断裂结, 两电极间隙是通过大电流通过平面定义的纳米线形成的[7]。图3为一种机械控制的裂分结[4], 在一个裂分腐蚀的绝缘层上或是一个良好的弯曲状的基底上, 包含一个平面的金属自由悬挂桥式的一个有锯齿状 (凹口) 线, 压电控制刷杆使得基底在微米精确控制的z方向上弯曲。与此同时, 保持样品在一个固定位置, 弯曲基底导致电极平面的延长从而引起金属线的断裂。由于在压电微米精确控制的z方向和平面延长间高度的减少, 电极间的间隙可以纳米级的精度控制 (小于0.2 pm/h) , 这确保了在电极和基底间距离的良好控制, 并最终形成裂分结。研究表明, 在低温下测量时, 这种结非常稳定。而且在测量时, 当测试分子既存在于溶液中也存在于气相, 或是当接触点断裂时, 加入自组装溶液, 分子可以在导线间通过不同的方向进行排列[5]。
关于裂分结典型的实例见图4[8], 图中①是断裂前或针尖形成前的金导线, ②是加入1, 4-苯二硫酚后在金导线表面上形成了SAMs, ③是金导线SAMs以机械的方法在溶液中的断裂过程, 2个相对电极以SAM覆盖金接触;④是溶液挥发后, 金触点慢慢相向移动, 直到导体行为完成, 即裂分结形成。③和④ (无溶剂) 可以重复大量次数以测试其再现性。这种技术的最大特点是超纳米控制触点的单分子测量, 而且, 基底弯曲前后也允许大量单分子结的统计学测量[8]。
2.3 其他方法
Akkerman和de Boer[5]及其他学者[9,10]也对分子电子器件电性能测试的其他方法进行了综述:这些方法包括导体探针AFM、悬挂的水银滴结、纳米孔法、交叉线法以及纳米间距电极技术等。
3关于分子电子器件电性能的相关研究
3.1 库仑阻塞及Kondo效应
对于简单的阴极/阳极分析, 很难理解分子导电性的影响因素。然而, 随着断裂结技术的发展, 研究者[11]在SiO2/Si平面上制备了电化学断裂结, 这与阴极/阳极实验是不同的, 它允许分子电子转移的测量可在源 (S) /沟渠 (D) 两个电极间进行, 因为参比电极固定了参比电位, 所以源/沟渠分子结的门效应就提供了外来的对结的静电电位的控制。这种技术就称为库仑阻塞行为及Kondo效应, 它是从1个分子或原子点电容改变;并从1个独立的共振态裂分, 在0电势下产生了1个电流最大值进行的测量。
3.2 动力学随机记忆
最近, Yale大学使用SAMs研究了一种电子可编程的记忆装置[12], 这种装置显示了电子可编程以及记忆点可擦除技术。相比较于传统的记忆装置, 这种装置由接近30～50 nm尺寸的SAMs以Au-分子-Au通过金属接触而组成, 记忆的原理是通过在高和低传导态的储存来运行[13]。图5表明了这种写/读和擦除过程[12], 1个起始的低传导态 (低σ) 应用了1个电压脉冲, 改变 (写) 进入高的传导态 (高σ) , 高的σ态作为储存点, 它并没有受连续读脉冲电压所影响。
4结语
本文通过电极、分子、接触界面的分子结技术, 综述了影响分子导体的因素, 并对MMM结中的电子传递及分子电子的测试方法。单原子键连分子在1个MMM结中的库仑阻塞及Kondo效应以及基于分子结的动力学随机记忆装置进行了简单介绍。结合分子电子学以及分子电子器件电性能的相关研究, 分子导体期望应用于分子二极管、分子开关以及分子晶体管等, 并将被期望应用于纳米储存装置, 这将可能产生纳米电子计算机[14]。
摘要：介绍了分子电子学的发展背景, 并通过电极、分子以及电极-分子接触界面的分子结技术, 对电极-分子-电极结中的电子传递现象进行了解释。另外, 结合STM和裂分结技术, 探讨了分子结中分子电子的测试方法, 并对基于分子结中的分子电子器件的库仑阻塞、Kondo效应以及动力学随机记忆等进行了讨论。
电子导电性 篇5
1 防静电鞋、导静电鞋电阻，按《防静电胶底鞋、导电胶底鞋电阻值测量方法》GB4386-84进行测量，当R≥1.5×105Ω时，测量电压取500±25V；当R＜1.5×105Ω时，测量电压取100±5V，测试电功率不大于3W，
2 地板、地毯等铺地物电阻，用2个φ60±2mm（重量2±0.2kg，黄铜镀铬）专用电极测量，测量电极距离为1m，非柔性地面可在电极下垫导电海绵（直径φ60mm、厚5～6mm，体积电阻率0.1～1Ω
★ 新型无机非金属材料
★ DNA的导电属性探讨
★ 石油化工污水处理技术探讨论文
★ 金属与非金属的反应教案
★ 石油化工管道设计的合理性论文
★ 石油化工仪表自动化控制技术探索
★ 如何提高的电脑的性能
★ 性能测试的计划书
★ 性能测试工程师个人简历
电子导电性 篇6
随着科技的进步与半导体工业的发展,寻找一种既能实现环保经济,又能循环利用,同时能替代传统半导体材料的新型环境友好半导体材料[1]越来越成为新型半导体材料领域的研究热点。OsSi2是一种新型的环境友好半导体材料,它具有高的热容量和相当好的晶体性质,并且可以在硅基片上外延生长,与传统的硅工艺兼容,在光电子器件和能量器件等领域都具有非常重要的应用发展潜力。
目前,对半导体OsSi2的研究还相对较少,已有的研究大多是通过采用不同的理论模型和方法对OsSi2进行理论计算。2015年Tani J I等[2]采用第一性原理系统研究了OsSi2的热力学性质。2006年Cottier R J等[3]采用分子束外延法在Si(100)衬底上制备了半导体OsSi2薄膜。2011年Tani J I等[4]理论研究了OsSi2在高压下的晶体结构和弹性特性。仅有的实验研究是在1989年中国台湾的ChanY S等[5]通过氢气和氩气的混合气体制备了正交结构的OsSi2薄膜。而对于OsSi2介电性能的详细研究还未见报导。因此,本研究采用密度泛函理论的第一性原理计算,对硅基外延OsSi2在稳定平衡态的电子结构和介电性能进行了系统分析,以期为硅基外延OsSi2的工业化应用提供理论基础。
1 理论模型与计算方法
1.1 理论模型
OsSi2属于正交晶系,空间群为Cmca,晶格常数[6]为a=1.014nm,b=0.811nm,c=0.822nm;OsSi2的每个原胞包含24个原子,其中具有8个两种不同位置结构的Os原子,16个两种不同位置结构的Si原子;OsSi2的原胞结构[4]如图1所示。
1.2 计算方法
采用基于密度泛函理论[7]的第一性原理计算对块体OsSi2进行分析,通过密度泛函理论平面波赝势方法[8](DFT)框架下的广义梯度近似[9](GGA)以及PW91方案处理电子间的相互交换关联作用。采用BFGS算法[10,11],在OsSi2晶格常数的实验值基础上,对半导体OsSi2的晶体模型进行结构优化。在倒格子空间中,平面波的截断能量为380eV,布里渊区积分采用4×3×3网格的Monkhorst-Pack形式高对称K点进行处理[12]。在对结构优化的过程中,能量的收敛精度为0.5×10-6eV/atom,作用在每个原子上的力不超过0.1eV/nm,参与构建OsSi2赝势的电子组态分别为Si-3s23p2和Os-5s25p65d66s2。
1.3 介电性能的理论描叙
对于半导体材料,材料的电子结构决定了材料的物理性质;材料的电子结构则可通过材料自身的能带结构、态密度以及介电函数表现出来。对于半导体材料,在线性响应范围内,材料的宏观光学响应函数通常可以由光的复介电函数描述:
ε(ω)=ε1(ω)+iε2(ω)
由直接跃迁几率的定义和Kramers-Kronig色散关系可得到半导体晶体介电函数[13]的实部和虚部:
式中:C和V分别表示半导体的导带与价带,BZ表示第一布里渊区,K表示第一布里渊区的倒易格矢,︱a·MCV(K)︱2表示动量跃迁矩阵元,w表示角频率,EC(K)和EV(K)分别表示导带和价带上的本征能级。
2 结果和讨论
2.1 结构优化
根据半导体OsSi2在硅基衬底上存在的异质外延关系OsSi2(101)//Si(111),将OsSi2的晶格常数b、c约束于硅基衬底的晶格常数。在晶格常数的实验[6]值a=1.014nm和计算值a=1.020nm附近选取一系列的晶格常数a构造不同原胞体积的OsSi2。对这些不同体积的原胞进行理论优化计算,得到在硅基外延稳定平衡态下各晶格常数a与其原胞总能量之间的关系。当原胞总能量最小时所对应的晶格常数a即为构成OsSi2原胞最稳定的晶格常数。图2给出了硅基外延半导体OsSi2的晶格常数a与原胞总能量关系曲线图,所得到的OsSi2在外延稳定平衡态下的晶格常数如表1所示。
表1列出了经过理论优化计算后得到的硅基外延半导体OsSi2在稳定平衡态下所对应的晶格常数值,表中标注有*号的表示外延OsSi2受硅基约束而选取的晶格常数值。如表1所示,通过理论优化处理之后,当OsSi2的晶格常数a为1.020nm时,外延OsSi2的原胞总能量最小,与晶格常数a所对应的实验值之间的误差仅为0.59%,表明晶格常数a的理论优化值与实验值相比,已经非常接近。
2.2 能带结构
采用理论计算优化后的OsSi2晶格常数,利用超软赝势处理离子实与价电子之间的相互作用,通过广义梯度(GGA)近似处理交换关联势函数,选取外延OsSi2在稳定平衡态附近的晶格常数a,计算得到外延OsSi2处于稳定平衡态时费米面附近的能带结构。图2给出了外延OsSi2处于稳定平衡态时费米面附近的能带结构,图中的虚线表示零点位置的费米能级。当外延OsSi2的晶格常数b、c约束于硅基衬底的晶格常数时,经优化计算所得到的外延OsSi2处于稳定平衡态时费米面附近的能带均为间接带隙的能带结构,外延OsSi2的能带结构类型并没有随晶格常数a取值的不同而发生改变。如图2(a)所示,当晶格常数a=1.010nm时,OsSi2的间接带隙值为0.693eV;如图2(b)所示,当晶格常数a=1.015nm时,OsSi2的间接带隙值为0.660eV;如图2(c)所示,当晶格常数a=1.020nm时,OsSi2的间接带隙值为0.625eV;如图2(d)所示,当晶格常数a=1.025nm时,OsSi2的间接带隙值为0.595eV;如图2(e)所示,当晶格常数a=1.030nm时,OsSi2的间接带隙值为0.562eV。
如图2所示,当晶格常数a=1.020nm时,OsSi2处于稳定平衡态,其间接带隙值为0.625eV。与块体OsSi2[14]相比,外延OsSi2处于稳定平衡态及其费米面附近所对应的能带带隙值都有所减小,并且随着外延OsSi2晶格常数a的增大,其间接能带带隙值减小。对于外延OsSi2的能带带隙值随晶格常数a的增大而逐渐减小,产生这种现象的原因主要可能是外延OsSi2晶格在硅衬底上生长的过程中,由于晶格失配的存在,在外延生长的界面产生晶格畸变,从而形成压应力或者张应力,影响了外延OsSi2的能带结构。晶格畸变的存在引起了外延OsSi2能带结构的变化,使得外延OsSi2的间接带隙宽度发生改变。
2.3 电子态密度
图3给出了OsSi2的总态密度(TDOS)和各分态密度(PDOS)分布图。如图3所示,当电子处于能量较小的-15~0.5eV范围时,OsSi2的态密度主要由Os的5d、5p和Si的3s、3p态电子构成,次要的是Os的6s态电子;当电子处于能量较大的0.5~5eV范围时,OsSi2的态密度主要由Si的3s、3p和Os的5d、6s态电子构成,次要的是Os的5p态电子。
通过图3可知,OsSi2的价带主要由Os的5d、5p和Si的3s、3p态电子构成,OsSi2的导带主要由Si的3s、3p与Os的5d、6s态电子构成。将硅基外延稳定平衡态OsSi2的电子态密度与过渡族金属硅化物做比较。过渡族金属硅化物在费米面附近的价带主要是由过渡金属的d态电子和硅的p态电子之间通过强烈的杂化构成[15];而过渡族金属硅化物的导带则主要是由过渡金属的d态电子的反键与硅的p态电子的反键混合组合构成。因此硅基外延稳定平衡态OsSi2的载流子迁移率要比过渡族金属硅化物的迁移率大,导电性更强。
2.4 复介电性能
对于半导体材料,介电常数可作为沟通带间跃迁微观物理过程与宏观光学性质的桥梁。图4给出了OsSi2的介电函数实部ε1和虚部ε2的变化曲线图。如图4所示,在能量较低的低能区,OsSi2介电函数的实部ε1(ω)随着光子能量的增加而增大,表现为正常色散;当能量约为1.943eV时达到第一峰值,之后随着光子能量的增加而逐渐减小,表现为反常色散,同时当能量约为7.699eV时达到最小值。OsSi2的静态介电函数ε1(0)约为15.065,与块体OsSi2的静态介电函数相比稍有减小。同时当光子能量处于5.22~18.27eV波段时介电常数实部小于零,表明处于该波段的光子无法在OsSi2中传播,OsSi2呈现出金属反射特性。OsSi2介电函数的虚部ε2(ω)在光子能量为3.755eV附近达到第一峰值,它主要源于价带顶与导带底之间电子直接跃迁的共振吸收,并且随着光子能量的增加而逐渐减小。外延OsSi2介电函数的虚部在光子能量高于18.528eV和低于0.866eV的能量区域趋近于零。
3 结论
基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了硅基外延稳定平衡态OsSi2的电子结构和介电性能。结果表明,OsSi2具有间接带隙的能带结构;当晶格常数a为1.020nm时,外延OsSi2处于稳定平衡态,其间接带隙值为0.625eV;OsSi2的价带主要由Os的5d、5p和Si的3s、3p态电子构成;导带主要由Si的3s、3p和Os的5d、6s态电子构成;OsSi2介电函数的实部和虚部变化趋近一致;与块体OsSi2相比,外延OsSi2的介电函数曲线相对往低能区飘移,OsSi2介电峰减少且介电峰强度明显增强。同时当光子能量处于5.22~18.27eV波段时介电常数实部小于零,表明处于该波段的光子无法在OsSi2中传播,OsSi2呈现出金属反射特性。
摘要：采用基于密度泛函理论的第一性原理,研究了硅基异质外延的OsSi2的电子结构和介电性能。结果表明,在1.010nm≤a≤1.030nm范围内,OsSi2始终为间接带隙的能带结构,且带隙值随晶格常数a的增大而逐渐减小;当晶格常数a为1.020nm时,体系处于稳定平衡态,此时OsSi2具有0.625eV的间接带隙能量值;OsSi2的价带主要由Os的5d、5p和Si的3s、3p态电子构成,导带主要由Si的3s、3p和Os的5d、6s态电子构成;OsSi2在外延稳定平衡态及其附近的介电函数实部和虚部变化趋近一致,与块体OsSi2相比,OsSi2在外延稳定平衡态下的介电函数曲线相对往低能区飘移,OsSi2的介电峰减少且介电峰强度明显增强。
电子导电性 篇7
按照已有的“接触—分离”静电理论,固体之间的摩擦起电机理可以用三个阶段来加以说明,即接触、分离和摩擦。A、B两个中性物体接触时,若接触距离达到或小于2.5 nm(25)时,由于功函数的不同,接触界面处将发生电荷漂移与扩散。功函数小的物体内的电子将转移到功函数大的物体上,从而生成偶电层。当两物体分离后,A、B各自带上等量的异号电荷[1]。该理论虽然在宏观上可以解释固体摩擦起电的原理,但对于静电起电的微观机制还缺乏理论支持,且难以解释固体摩擦后产生的静电电位及其极性。
早在1899年坎贝耳就发现当具有一定能量和速度的带电粒子(电子或离子)轰击金属、半导体和绝缘体等物质时,观察到有电子(或离子)从这些物体发射出来。从那以后,人们就开始研究各种物质的次级发射现象、机理及次级发射的各种应用。随着二次电子理论的深入研究,二次电子发射特性也在很多关键领域得到应用[2]。但是,在固体材料二次电子发射特性与其静电起电的关联机理方面,目前的研究尚不足。但不可否认的是,二次电子发射特性却是固体材料静电起电的一个必不可少的重要参数,即固体材料的二次电子发射系数对于其静电起电过程的解释具有一定的参考意义。在一定的环境中,不同固体材料的二次电子发射系数对其表面静电电位、产额及极性都有相当的影响。固体材料内部的二次电子激发过程也是该固体表面形成静电的动态过程。所以,根据二次电子运动轨迹,能量损耗规律,结合固体材料本身的特性就可以作为静电起电的一个重要的支撑理论。
1 固体材料的二次电子发射特性与其静电起电的关联性
当入射电子轰击到固体表面时,表面电子吸收了外部动能,获得足够能力后开始摆脱原子核的束缚,向表面移动,如果动能足够大的话,可以使内部电子逃离表面,逸散到空气中,部分电子随着移动距离增加而使能量逐渐耗散,最终到达固体表面而形成静电层。
1.1 二次电子发射的基本原理
当用具有一定能量或速度的电子(或离子等其他粒子)轰击固体材料表面时,也会引起电子从这些物体中发射出来,这种物理现象称为二次电子发射。被发射出的电子叫做二次电子,而引起二次电子出现的入射粒子叫做原电子。二次电子数与原电子数之比定义为二次电子发射系数.通常把能量小于50 eV的二次电子定义为真二次电子,把能量大于50 eV的二次电子定义为背散射二次电子[3,4]。
1.2 二次电子发射系数
固体材料的二次电子发射能力是用二次电子发射系数来进行表征的,定义为出射电流Is与初始入射电流IP之比,即:
δ与入射电子的能量、种类和被轰击材料的特性均有关,同时还与产生二次电子的最小能量还和材料的功函数有关。所谓功函数是指一个处理绝对零度的电子,从材料飞向真空无场空间所必须供给的最低能量。只要入射能量大于2倍的功函数,二次电子发射现象就会发生。由于入射电子不能进入固体材料的内部,固体材料的电子是靠吸取入射电子的动能和势能来克服固体表面的势垒而向外逸出[5],其典型的能谱如图1所示。
1.3 固体材料二次电子发射特性对其静电起电性
能的影响
根据前人关于摩擦起电的实验成果可知,在两个固体材料相互摩擦产生静电的过程中,影响固体材料表面静电起电的因素依次有:材料属性、温度、湿度、摩擦次数、压力及分离速度等,其中温度、湿度、摩擦次数、压力及分离速度等都是固体材料静电起电的外在因素,而材料属性则是其静电起电的内因[6,7]。材料属性包括有:形状、表面的光滑度、导电性能和二次电子发射系数等,其中二次电子发射系数是固体材料本身的重要参数,特别在绝缘材料沿面放电等领域具有极其重要的作用。本文就试图基于固体材料的二次电子发射的微观机制,解释其表面静电起电的过程,以此进一步完善其静电起电理论。
下面将以图2、3和4所示的两固体材料A、B相互摩擦起电来说明这一过程。取A、B两种固体材料,实验前应保证A、B表面清洁和不带任何静电。当A、B受到外力作用做相对的摩擦运动,A、B接触面将会产生一定的热量Q,并传导到A、B表面,根据二次电子发射理论,能量Q相当于固体A、B的入射能量,A、B接触面的浅层电子获得能量Q后,当能量Q大于A或B本身的功函数Φ的2倍时,二次电子发射现象就会发生。二次电子发射包括两部分:一部分浅层电子获得较大能量便会跃迁至表面并逃逸到固体外部;另一部分电子在跃迁过程中,随着激发深度的增加,能量也在不断损耗,最后只能到达并吸附在固体表面。经过试验表明,第二部分占得比例较少。而第一部分的二次电子大多数可以通过粗糙接触面的空隙到达B,并吸附在B表面形成静电层,当A、B分离后,两固体表面电荷经过积累和消散过程,最终会达到静电平衡。
假设δA>δB,则在摩擦过程中,其中,A所激发的二次电子数目mA,肯定会大于B所激发的二次电子数目mB,即mA>mB。显然,到达B表面的二次电子数量多于A表面,所以当A和B分离后,静电极性分布是:A表面产生的是正极性静电,而B则呈现负极性静电。如果我们能测出摩擦过程中所作用的外力(即入射能量)的话,则根据二次电子发射系数公式,就可以大致算出摩擦双方所带的静电电位的大小。
2 固体材料的二次电子发射特性与其静电起电性能的关联实验
2.1 不同二次电子发射系数的材料摩擦实验
2.1.1 实验方法与目的
注:δm是相应材料的最大二次电子发射系数[7,8]
本次实验所使用的材料如下:玻璃、尼龙、碳钢、聚氯乙烯和硅等。它们在静电序列表的分布较均匀,具有代表性。
实验方法:摩擦两种二次电子发射系数的固体材料,监测其表面静电电位和极性;
实验目的:主要用于探讨固体材料所产生的静电电位的大小和极性与其二次电子发射特性的关联机理。
2.1.2 实验结果
5种固体材料的4组摩擦起电的实验数据如表1、表2、表3和表4所示。显然,二次电子发射系数δ不同的两种固体材料摩擦时,δ较大的材料更容易产生正极性电荷,而δ较小的材料则多数会带上负极性电荷;而且我们还发现,它们经摩擦后,静电电位的大小都不尽相同。
2.2 三种材料在不同转速下的摩擦实验
2.2.1 实验方法与目的
本次实验所使用的三种固体材料如下:塑料王、高密度聚氯乙烯(HDPE)和聚丙烯(PP)。
实验方法:用我们自行设计的静电动态测量装置来测量三种材料在不用摩擦转速下所产生的动态静电电位的情况;
实验目的:本次实验主要用于探讨在不同摩擦转速下(相当于在不同入射能量下),二次电子发射特性曲线与产生的静电电位之间的关系。
2.2.2 实验结果
三种材料在不同转速下的摩擦起电的实验数据如表5和图5、图6和图7所示。实验数据表明,在转速不大的情况下,静电电位是随着转速的升高而不断增大,当到达一定值时,静电电位都不会再往上增加,有的甚至有下降的趋势。
3 实验结果分析
3.1 不同二次电子发射系数的固体材料摩擦起电
实验结果分析
根据二次电子发射理论,二次电子发射系数较大的固体材料,在摩擦过程中所激发的二次电子必然会更多,意味着在静电产生过程中,二次电子发射系数较小的材料获取对方发射的电子数会更多,因此,会出现以上实验的结果。至于实验材料双方所得到的电位为什么不相等的现象,用现有的理论难以解释。现有理论认为,在摩擦起电过程中,静电电荷不是被创造出来的,而是双方电荷交换的结果,那么,最后分离时,必然会带上等量的异种电荷。但本次实验结果显然不符合这一规律。但根据二次电子发射理论可以得到以下的解释:这种电位的偏差是由于某部分二次电子在获取足够能量后直接逃逸到外部环境中,没有被对方表面所捕获,造成一定程度的电荷损失。除此之外,外界的环境因素的变化也会导致材料二次电子发射系数改变,最终影响到二次电子发射的数目,最终也会导致摩擦双方所得到的静电电位不一致。
3.2 三种固体材料在不同转速下的摩擦起电实验
结果分析
我们知道,固体材料的二次电子发射系数并不是固定不变的,它是随着入射能量的增大而不断变化的,如图8所示。其中,Y轴的δ是二次电子发射系数,X轴的E是入射能量。当入射能量达到Em时,二次电子发射系数达到最大值δm。
在实验过程中,当转速到达一定值的时候(本次实验中的塑料王为110 r/min,HDPE为90 r/min,PP为110 r/min),即是相当于入射能量为一定值时,实验材料表面电位不再增加或者增加缓慢,这正是该材料二次电子发射系数达到最大值后不断下降的直接结果。当二次电子发射系数下降时,实验材料在摩擦过程中所发射的二次电子将相应减少,再者,当表面电位到达很高的时候,会形成较强的静电场,进一步阻止二次电子的发射,相应也抑制了表面电位的进一步上升,最终会到达较为稳定的状态;另一方面,实验材料在高速摩擦过程中,可能会使材料表面受到损坏,改变了材料的特性,严重影响了材料的二次电子发射系数,最终导致二次电子发射数目的变化,直接影响实验材料表面静电电位的上升。
4 结束语
本文结合理论与实验分析了二次电子发射现象在静电起电理论上的应用。可以肯定,固体材料的二次电子发射特性与其静电起电的关联性不容忽视,借助其二次电子发射系数曲线,可从微观上揭示其静电起电原理。另,根据该关联性,我们可以知道,当δ=1时,理论上固体材料表面形成的静电是最少的。所以我们在考虑某种材料静电隐患的时候,应该尽可能保持该固体材料的二次电子发射系数等于1,但由于随着外在环境因素的不同,δ是不断发生变化的,只能在充分考虑该固体材料特定的工作环境下,选取一种特定的与该环境相对应的二次电子发射系数δ=1的材料,然后将该材料涂抹在工作材料上,这样可以防止工作材料与外界发生摩擦碰撞时产生有害的静电积累。
参考文献
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[5]谭杰.真空表面绝缘特性研究.成都:中国工程物理研究院,2003:8—9
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[7]陈益峰,杨生胜,秦晓刚,等.介质带电对二次电子发射影响的研究.真空与低温,2010;16(3):167—170
多组溶液导电性实验装置创新 篇8
多组溶液导电性实验装置创新。
二、改进实验目的
物质的导电性实验是初中化学教学中的一个重要演示实验。课本中采用220V市电做电源, 且导线过长, 显得很凌乱, 操作起来学生很不方便, 误差大, 存在很大安全隐患, 短路事故时有发生。而在我校新近的 (26011) 溶液导电实验器通过实验发现存在以下缺点: (1) 装置部件零散, 实验时需连接电路。 (2) 电路连接拆装多次后部件易损坏。 (3) 每次实验只能验证一种物质且需连接线路, 浪费时间。为了克服以上缺点, 我设计制作了多组溶液导电性实验装置。使用效果颇佳, 只需几分钟就可检测出氯化钠固体、硝酸钾固体、氢氧化钠固体、蔗糖固体、蒸馏水、氯化钠、氢氧化钠溶液、硝酸钾溶液、蔗糖溶液、酒精溶液、硫酸溶液等物质是否导电。
三、实验仪器及试剂
烧杯 (50 ml) 6个、药匙、多组溶液导电性实验装置 (自制) 、学生电源、电珠6个 (3.8v) 、玻璃棒。稀硫酸、氢氧化钠、氯化钠、蔗糖、乙酸、蒸馏水。
四、实验仪器装置图
1. 分别配制50 ml硫酸溶液、氢氧化钠溶液、氯化钠溶液、蔗糖溶液、乙酸溶液将这些溶液及50 ml蒸馏水分别盛装在6个烧杯中。
2. 顺时针方向旋转装置右侧的调节旋钮使吊杆连同碳棒一起上升, 将铁钉插入调节旋钮内侧的小孔内以固定吊杆, 将以上六组溶液分别放在六组碳棒正下方。
3. 取下铁钉后逆时针旋转装置右侧的调节旋钮使六组碳棒分别插入六组溶液中, 将导线分别连接在学生电源 (直流电源) 接线柱上并打开电源开关及装置开关。
4. 通过各组电珠是否发亮来判断该组溶液是否能导电。
六、装置改进的意义
电子导电性 篇9
1 质子导电性的无机非金属材料发展概述
关于质子导体的研究早在20世纪初就已经出现并寻找到了银离子导体, 其中还具有现今为止常温下最高的导电率的导体。但是银离子导体在性能上很不稳定, 价格又很高, 很快就被后来出现的铜离子导体给取代。铜离子导体中存在着迄今为止具有最高导电率的固体电解质, 因为其具有与银离子导体相似的性质, 价格有比其低很多, 故收到了人们普遍关注, 之后又发现了其他的离子导体, 质子导电体是在20世纪70年代被发现的[1]。最近几年全球都十分关注能源相关的研究领域, 具有质子导电性的无机非金属材料在功能上又十分特别, 所以对这一领域的研究一直未中断过。
到目前, 已经被发现的质子导电性的无机化合物主要包括:水合物型、氢键型、β-Al2O3型、氢嵌入型、晶格缺陷型, 下面对这几种类型简单加以介绍。
水合物型的导电体, 它的构造之中含有一些结晶水, 如果在通电的状态下, 水分子之间就会通过质子传递来导电。这一类型的导体如果在室温的条件下, 导电率会相当高, 而如果温度在此基础上升高, 其结构之中的结晶水很容易流失, 导电率就会明显的下降。
氢键型的质子导体是通过氢键连接离子团或者分子, 使其形成链状或者是骨架类的结构, 同样可以在通电的条件下, 利用质子传递导电。氢键在高温时容易遭到破坏, 使其本来连接在一起的结构分解, 导电率会相应的降低。
β-Al2O3类的质子导体可以分为三种类型, 而当制备的方法不一样的时候, 又可以分成两种不同的类型。这其中的各种类型都具有高低不同的导电率, 出现这种不同是由于结构中的质子能量降低, 形成低能扩散的途径[2], 所有的类型在温度升高时都会降低其导电的效率。
氢嵌入型的质子导体中H+体积很小, 对于部分晶体晶格的间隙可以很轻易的嵌入其中, 在通电的条件下, H+会在晶体间隙之中进行定向的移动, 从而导电。氢嵌入类型的导电体导电是通过电子进行导电为主, 其质子的导电性很低, 所以应用的价值也不大。
晶格缺陷型的质子导体, 比之前的几种具有质子的导电性质的无机化合物发现的要晚, 那些含氢的导体在高温的状态下会降低其导电性或者导电性直接消失, 所以不适合在高于300摄氏度的状态下应用。后来发现的氧化物烧结体在一定条件下呈现电子导电性, 但是当处于高温状态下, 会产生水蒸气或者氢气, 这时其电子的导电性就会降低, 而质子的导电性反而增加, 温度如果达到一定的标准, 就能够基本上完全显示质子的导电性[3]。由于这种材料可以在高温状态下导电, 所以在应用价值方面很高, 也在现实中得到相应的应用, 并取得一定成就。
2 质子导电性无机非金属材料的应用
2.1 氢传感器
一些陶瓷以Sr Ce O3、Ca Zr O3、Ba Ce O3作为母体, 它们是固体的电解质, 其中一端的H2压力较大, 是负极, 而另外一端的H2压力则较小, 就是正极, 从而形成了氢浓差电池。可以用测试电池对这种氢传感器进行检验, 这样的电池性能稳定, 又是固体的电解质, 所以使用起来特别方便。
2.2 含有氢化合物的传感器
这种测试电池可以测试氢的含量, 特别是可以在高温状态下测试空气中的氢化物, 比如空气中的碳氢化合物或者水蒸汽等等。可以通过电动势的计算得出空气中水蒸气的含量, 也可以在工业中加以应用, 比如在工业烧结的过程中, 为了提高熔融金属的品质, 去除其中的氢, 就可以应用这种传感器测定其中的氢含量。
2.3 燃料电池的应用
燃料电池多采用氧离子导体作为其电解质, 现在的燃料电池也会采用质子导体作为固体电解质, 后者相比前者而言, 在使用上要方便许多。因为质子导体作为电解质的这类燃料电池, 它的燃料电极之上根本没有水产生, 所以燃料不需要进行循环[4]。而且, 如果从热处理的角度来进行考虑, 燃料电池中具有碳氢化合物的, 如果产生氢气就会当作燃料被消耗, 剩下的物质可以产生其他有用的产品。
2.4 可以应用在蒸汽电解产生氢气中
用质子导电性的无机非金属材料方法, 可以获取极高纯度的氢气, 那是由于这样的电池之中, 质子是唯一可以由正极移动到负极去的导电体。
2.5 氢分离与氢泵
可以利用质子导电性的无机非金属材料制作出氢泵, 只需要进行一步操作, 就可以在高温的状态下将气体的混合物之中的氢气分离出来, 而且分离的速度和效率很方便控制。
2.6 应用于蒸汽泵中
常温常态下的水蒸气可以通过在阳极进行放电从而产生质子, 这些质子可以移动到阴极那里去, 并且在阴极发生反应, 通过空气中的氧气生成水或者是氢气等等。可以利用这种蒸汽泵去调节和控制高温封闭环境的湿度, 也有人在高放射条件下的同位素浓缩中进行这一方法的应用研究。
2.7 氢化或者脱氢中的应用
用具有质子导电性的无机非金属材料作为固体电解质, 与其他化学反应比较, 在进行氢化和脱氢时, 优势很明显。被进行氢化或者是脱氢反应的化合物, 与生成产生的氢气是相互分离的, 可以用电流对反应的速率进行有效的控制, 电极电势不但可以控制氢的化学性, 还可以控制催化性以及选择性。
3 总结
具有质子导电性的无机非金属材料在应用中与其他非质子的材料相比, 都具有一定的优势。随着人们对其关注程度的加深, 这种材料在今后的前景将更加广阔, 相关研究会更全面系统, 应用也会更广泛。
参考文献
[1]张义顺, 李小雷.传统无机材料的现状及新材料的发展趋势[J].焦作工学院学报 (自然科学版) , 2000 (6) :471-474.
[2]孟凡桂.材料化学专业无机非金属材料课程教学的实践与探索[J].广州化工, 2010 (2) :205-207.
[3]闫冬.无机非金属材料行业的发展趋势[J].科技资讯, 2010 (22) :106.
电子导电性 篇10
一、实验用品
经改装的微型L E D手电筒 (见图2, 改装过程附后) 、塑料多用滴管和井穴板 (见图3) 一套、试验物质若干种 (具体见后表所列) 。
二、实验过程
把待测物质 (液体) 分别滴入井穴板各穴, 再把经改装的微型L E D手电筒的两电极插入各穴试验物质 (液体) 里, 逐一试验 (每次都应用蒸馏水清洗电极) , 同时测量电流 (用MF47万用表测试) 。试验结果如表1:
三、讨论
1. 用微型LED手电筒试验物质导电性的灵敏度很高, 本实验就能表明蒸馏水有极弱的导电性, 这与客观事实相一致 (在常温下, 纯水中的[H+]=[OH-]=10-7 mol/L) 。应该把“蒸馏水有极弱的导电性”的事实告之学生, 但要强调其是“极弱的”, 这样既体现了“实事求是”的科学精神、又能为学生今后学习水的电离等知识做些铺垫。
2. 用微型L E D手电筒试验物质导电性的实验是一个十足的微型实验, 微型化学实验较常规化学实验, 既能节约化学药品, 又能减少化学药品的污染, 有利于环境友好型和节约型社会风气的形成。所以, 在满足实验效果和不增加成本的前提下, 尽可能用微型化学实验常规化学实验。
3. 用微型LED手电筒试验物质导电性, 省钱又省事 (微型L E D手电筒的售价比零售的散件低、比常规实验相关用品更低;改装一个微型LED手电筒耗时仅2～3分钟) , 实验操作简便。既能满足课堂上教师演示、又能满足学生人人动手参与探索。
附:微型LED手电筒的改装
(1) 微型LED手电筒的结构 (如图5所示)
(1) 后筒盖 (铝材) , (2) 筒身 (铝材) , (3) 电池 (A G3共节) , (4) 弹簧1 (左端与电池相连接, 右端焊接在电路板上、与开关左侧相通) , (5) 弹簧2 (上端与筒身相连接, 下端与焊接在电路板上面、与L E D的一个脚相通) , (6) 双面电路板, (7) L E D (两脚分别焊接在电路板两侧) , (8) 前筒盖 (铝材、中间有孔) , (9) 开关 (焊接在电路板下面, 左与弹簧1相通、右与LED的另一个脚相通) , ○绝缘塑胶隔板 (中间有孔) , ○开关按钮。
(2) 微型LED手电筒的改装与电筒功能的恢复
备好烙铁、焊锡和细导线, 按图5进行拆解, 按图6焊接好细导线兼电极, 取下筒身上的开关按钮 (保管好, 实验后好恢复电筒功能) , 把细导线的另一端从筒身内的开关按钮孔穿出, 边慢慢拉出, 边把电路板组件送入筒身, 拧好前筒盖, 装上电池, 拧好后筒盖, 再把细导线末端的绝缘护套剥去1c m, 露出的细铜丝做电极, 把两电极达上, LED正常发光, 改装工作便结束。