第三章_介电材料

1、一、介电材料顾文斌顾文斌电介质功能材料电介质功能材料介电材料介电材料铁电材料铁电材料压电材料压电材料敏感电介质材料敏感电介质材料电电功功能能材材料料电导体功能材料电导体功能材料导电材料导电材料快离子导体快离子导体电阻材料电阻材料超导电体超导电体一、介电材料一、介电材料通常所说的电现象都是以材料中存在的电子、离子和空穴等载流子在电场作用下产生长程迁移而形成的。与此不同，存在另一类材料，即所谓的介电材料，它们是绝缘体，并不存在其中载流子在电场作用下的长程迁移，但仍然有电现象。这种电现象的产生，是因为材料中也存在荷电粒子，尽管这些荷电粒子被束缚在固定的位置上，但可以发生微小移动。这种微小移动起因于材

2、料中束缚的电荷，在电场作用下，正负束缚的电荷重心不再重合，从而引起电极化，如此将电荷作用传递开来。 可以说，介电材料的电学性质是通过外界作用，其中包括电场、应力、温度等来实现的，相应形成介电晶体、压电晶体、热释电晶体和铁电晶体，并且依次后者属于前者的大类，其共性是在外力作用下产生极化。这几类材料的属于关系如右图所示。1.1 1.1 介电材料（电介质）介电材料（电介质）介电材料又称电介质，是以电极化为特征的材料，是电的绝缘材料。分类：分类：气体、液体、固体三大类。 气体：气体：天然电介质：空气 非极性电介质：N2, He, O2, H2, CH4等 极性电介质：HCl, NO 液体：液体：非极性

3、：苯，CCl4 弱极性：汽油，煤油，变压器油 极性：极性：乙醇，水 固体：固体：非极性：金刚石、硫磺，聚四氟乙烯 极性：晶体，聚氯乙烯主要用途主要用途u介电材料 具有很高的电阻系数，主要的应用是作为电的绝缘体与电容器。u绝缘体：用来隔绝电荷在电路中的传导，如高压输电方面用的陶瓷碍子（bell）u电容器：用来储存从电路中接收到的电荷的电子元件。极化极化(polarization)(polarization)1 1、在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象，称为电介质的极化电介质的极化。2 2、自发极化：、自发极化： 在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有序

4、排列而产生的极化，称为自发极化。在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化电荷量称为自发极化强度。单位面积的极化电荷量称为极化强度，它是一个矢量，用P表示，其单位为C/m2。3 3、介电常数：、介电常数：表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数，用表示，无量纲。介电材料的特征值介电材料的特征值：在电场作用下分子中正负电荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象在电场作用下，介电材料产生电偶极矩为分子极化率E电场Eu材料中原子核外电子云畸变产生的电子极化；u分子中正、负离子相对位移造成的离子极化;u分子固有电矩在外电场作用下转动导致的转向极化。无电场时施加电场时a . 电子极化b . 离子极化

5、c. 偶极子极化d. 空间电荷极化 偶极子极化：偶极子极化：由偶极分子结合成的共价化合物，偶极子在无电场时是随机取向的，但在电场作用下，偶极子沿电场方向取向，产生的电极化称作偶极极化。 无电场时施加电场时a . 电子极化b . 离子极化c. 偶极子极化d. 空间电荷极化离子化合物是由正负离子按照一定堆积方式形成的，正负离子之间依靠静电引力形成离子键。离子晶体中，正负离子没有平动和转动，只有振动，粒子间距离虽有微动，但其方向和大小都是随机的。因此，整体上正电和负电重心是重合在一起的，保持电中性。在电场作用下，正、负离子分别沿着不同电场方向取向，趋向于与外电场一致的方向，产生的极化称作离子极化。n

6、VP极化强度极化强度P：介电材料的极化强度是单位体积内电偶极矩的矢量和 极化效应的大小通常用单位体积内的电偶极矩或其介质表面的极化电荷密度来衡量，称作电极化强度P，相应电场强度为E，那么有： P=E 式中定义为介电晶体的电极化率，决定于介电物质的本质。电极化率可以分解为电子极化率e、离子极化率i、偶极极化率d，总极化率是它们的总和： =e+i+d 这3种极化作用并非在任何类型的介电材料中都等额地存在。在一种类型的材料中，往往只有一种或二种极化起主导地位。一般说来，电子极化存在于一切类型的固体物质中，离子极化主要存在电子极化存在于一切类型的固体物质中，离子极化主要存在于离子晶体中，偶极极化主要存

7、在于具有永久偶极的物质中，空间于离子晶体中，偶极极化主要存在于具有永久偶极的物质中，空间极化则主要存在于那些结构非理想的、内部可以发生某种长程电荷极化则主要存在于那些结构非理想的、内部可以发生某种长程电荷迁移的介电物质中。迁移的介电物质中。例如氯化钠晶体中存在阴离子空位时，阳离子可以优先向负极方向迁移，因此在电极-NaCl界面处建立了一个双电层。当然，这类效应显著时，则形成了导体或快离子导体，而不再是介电质了。另外，上述4种极化率的大小程度也不相同，一般大小次序为：ei 7)大的材料称为，而其k值比SiO2（k3.9）小的材料称为。k的最小值为1(空气中)，最大k值材料（铁电体）为24700（频率1kHz时）u高介电常数材料高介电常数材料 DRAM(动态随机存取存储器)上单个电容器的面积在急剧减小，解决这一问题的办法是使用较薄的传统电介质SiO2和Si3N4。 随着存储器芯片（速度）超过64M（位），这一方法不再有效，因为欲达到所需元件电容量，材料需薄至1nm以下，这样，它们（随着现代存储器芯片工作电压的下降）就会产生不能承载的漏电流或严重的击穿。 按电容器方程(C=S/4kd )，很明显，只剩一个参数来调整，那就是介电常数。所以开发大介电常数材料，使电容器电介质可维持其“坚固”的厚度，又能提供有效