电介质物理与材料

关于电介质物理与材料第1页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五1．基本概念1.1电介质(dielectric)一切绝缘体统称为电介质。电介质的基本属性：在外电场作用下，电介质内部原子分子发生位移运动，称之极化，这种极化能在电介质内部长期存在，相应地，极化可以形成电场,并且这种电场反过来可以影响外电场。具有上述极化能力的物质就是电介质。1）静电场中，电介质内部能够存在电场；2）电介质内部束缚电荷这种物理现象和过程与金属有明显的区别：在静电平衡态，金属导体内部，不存在自由电荷，其内部电场是等于零的。或者说，金属导体内不存在束缚电荷。这一事实，已在静电学中应用高斯定理得到了证明。第2页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五电力线能穿过的物质，也就是能存在较强电场，且具有明显极化特性的材料。存在束缚电荷。需要明确的两个概念电介质束缚于电介质内的正原子实和其它负电子。束缚电荷不可以自由运动，只能做局域位移。这些特点与电介质的原子结构、电子结构、晶体结构有关。（客观存在，与是否有电磁作用无关）电介质内部的束缚电荷来源和特点第3页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五1.2电介质物理研究特点电介质物理主要研究介质内部束缚电荷行为特征和移动机制。1）在场（电、光、磁、应变场）作用下，电介质发生电极化，电介质物理研究特点之一是：首先描述介质极化过程和机制，其次，阐明极化规律，即电极化与电介质结构的关系。2）电介质物理也研究绝缘材料的电导或漏导、电击穿过程，指导电绝缘材料设计（强电技术）。3）金属也具有类介电效果，但意义完全不同。金属的类介电性来源于电子气运动中感生出虚空穴（正电荷），引起动态屏蔽效应。但是，金属内不涉及束缚电荷，不能把金属的介电性列入电介质物理研究的范畴。第4页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五1.3电介质的电子结构特征与电响应特征1）电子结构特征用固体能带理论，可将电介质定义为这样一种物质：电介质能级图中，基态被占满，基态与第一激发态之间被很宽的禁带隔开，电子激发到导带必须足够的能量，这个能量大到可使电介质遭到破坏，见示意图。将电介质的能带结构和半导体、导体的能带结构相比较，可以看出，他们有明显的区别。第5页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五2）电响应特征电介质对电场的响应特性不同于金属导体。金属的特点是电子共有化，体内有自由载流子，这就决定了金属具有良好的导电性。它们以传导方式传递电作用。电介质中，一股只存在束缚电荷。在电场的作用下，电荷不能以传导方式而只能以感应的方式作用，即以其中正、负电荷受电场驱使形成正、负电荷中心不相重合的电极化方式来传递和记录电场的影响。不同电介质电极化机制不同，但他们响应电场的作用是共同的——电极化方式。因此，研究电介质在电场作用下发生极化的物理过程并导出相应的极化规律，是电介质物理的一个重要课题。第6页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五综上所述，电介质体内没有自由电荷，有良好的绝缘性能。在工程应用上，通常需要将电路中具有不同电位的导体彼此隔开，要使用电介质材料，利用的就是电介质的绝缘特性，从这个意义上讲，电介质又可称为绝缘材料

(Insulatingmaterial)或绝缘体(Insulator)。工程上应用的电介质与理想的电介质不同，主要区别是：实际电介质在电场作用下存在漏电流和电能的耗散，甚至在强电场下，实际电介质还可能被破坏。因此，除了要研究电极化外，还要研究电介质的电导、损耗、击穿等特性。这些就是电介质物理需要研究的主要问题。第7页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五2.电介质的分类电介质种类繁多，组成物质结构亦千差万别。可以从不同角度对电介质进行分类。1）按材料类可将电介质分为：无机电介质和有机电介质两大类。无机电介质：云母、玻璃、陶瓷等一类的无机材料。有机电介质：矿物油、纸、高分子聚合物等有机材料。2）按照物质的聚集态可将电介质分为：气体介质(如空气)液体介质(如电容器油)固体介质第8页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五3）按组成物质原子排列的有序化程度分类晶体电介质：石英晶体、陶瓷晶体等非晶态电介质：玻璃、塑科、一些非晶陶瓷等前者表现为长程有序，而后者只表现为短程有序。4）按分子电极性分类工程应用上常常按照电荷在介质空间分布进行分类。非极性电介质：无外电场作用时，介质的正、负电荷中心重合。如聚四氟乙烯薄膜、变压器油等。聚四氟乙烯的分子结构：第9页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五极性介质：由正、负电荷中心不重合的极性分子组成。如电容器纸的主要成分—纤维素及聚氯乙烯薄膜等。第10页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五5）其他按照介质成分均匀度进行分类：均匀电介质

(如聚苯乙烯)非均匀电介质

(如电容器纸—聚苯乙烯薄膜复合介质)。还有别的分类：块状介质膜状介质。分类研究电介质，有利于将其性能研究统一在物质共同属性基础之上，便于总结出介电性能与材料组成、结构之间相互关联的规律。第11页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五3.电介质材料的研究对象和频域范围（1）材料对象及特点固态电介质，包括晶态电介质和非晶态电介质两大类。例如，玻璃、陶瓷、树脂、高分子聚合物等，这些材料是良好的绝缘材料。在电场作用下，这类固态电介质产生不等于零的电偶极矩，形成束缚电荷，这种现象就是电极化。这些能产生电极化的材料也就是电介质材料。例如：绝缘材料：电阻率一般都很高，是典型的电介质材料。宽禁带半导体：电阻率不很高，不属于绝缘材料。在电场下可以发生极化，也归入到电介质材料体系。例如，III-V族和II-VI族半导体，共价键-离子键混合结构，表现出电极化和弛豫特征。第12页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五大多数生物体——驻极体：荷电长期驻留与生物体内，荷电分布对电场（包括对交变电场及电磁场）有强烈的介电响应，也被纳入到电介质的研究范围。利用电介质物理学研究生物体的性能是这门学科的一个特点。由于绝大多数生物体不属于固态电介质，在驻极体物理研究领域，对这类介质有专门研究。电介质物理内容中一般都不做介绍。第13页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五BroadbandDielectricSpectroscopyPorousmaterialsandcolloidsClustersSingledropletsandporesGlassformingliquidsMacromolecules10-210-410010210410610810101012TimeDomainDielectricSpectroscopyf(Hz)10-6Waterice（2）研究的频域范围第14页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五材料结构、电子结构、极化机制与介电性能。电介质基本性能：电极化、电导、介质损耗、介质击穿等。这些现象和性质统称为：“电介质在电场作用下发生的物理过程”，其本质源于电场与电介质的结构、组成之间存在作用关系、机制和规律，这种规律性是电介质选材、制造、研究开发、乃至应用的科学依据。4.电介质材料的研究内容第15页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五材料的结构、电子结构、极化机制与介电性能研究电介质介电能及其机制涉及的基本内容包括：材料结构（晶体结构、电子结构）极化机制（电结构决定的微观极化机制）材料微结构与组织特征（显微组织、相及其界面等）介电性能（介电常数、电导、损耗等）介电性能与电介质材料的微结构以及与温度和外场频率间有关系，电介质的导热和导电、损耗、击穿等与这些因素也有关系。第16页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五材料的结构、电子结构、极化机制与介电性能

下面举例说明1）原子分子结构、晶体结构原子晶体？离子晶体？共价晶体？混合键晶体？无机非晶体？高分子晶体？高分子？（构象、分子量、主链、侧链？？？）极性分子？非极性分子？原子、分子结构不同，对应的微观极化机制不同。第17页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五材料结构、电子结构、极化机制与介电性能问题一：晶体结构不同，价键或化学键不同，原子的荷电分布、电子云分布、能带结构都会不同，极化机制不同。（弛豫、电导）问题二：材料组织、界面结合状态不同，对应的介电常数实部、介电损耗、电导损耗不同。（界面弛豫、界面散射）第18页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五材料的结构、电子结构、极化机制与介电性能-helix-sheetPeptidebond,-helixand-sheetHOCNCCmp=3.6Dq=46.7-0.30.30.4-0.4Lactatedehydrogenase生物大分子，结构复杂，荷电分布不同、其微观极化机制不同。生物组织不同，极化和介电行为也不同。第19页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五材料的结构、电子结构、极化机制与介电性能H

H3N+—C—COO-

R

生物细胞对电磁场的响应可能会具有多样性。第20页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五材料的结构、电子结构、极化机制与介电性能2）微观极化机制通常情形下电介质中的正、负电荷互相抵消，宏观上不表现出电性，但在外电场作用下可产生变化（响应）：①原子核外的电子云分布产生畸变，从而产生不等于零的电偶极矩，称为电子云畸变极化；②原来正、负电中心重合的分子或原子，在外电场作用下正、负电中心彼此分离，称为原子位移极化；③具有固有电偶极矩的分子原来的取向是混乱的，宏观上电偶极矩总和等于零，在外电场作用下，各个电偶极子趋向于一致排列，从而宏观电偶极矩不等于零，称为分子转向极化。第21页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五材料的结构、电子结构、极化机制与介电性能3）宏观介电性能电介质极化时，电极化强度P与总电场强度E的关系，

P＝ε0χeE，Ε0真空介电常数，χe

电极化率，εr＝1＋χe

相对介电常数。电极化率、介电常数与外电场的频率有关，举例来说：静电场或低频电场：上述三种极化类型都参与极化过程。电场频率增大时形：转向极化逐渐跟不上外场的变化，介电常数变为复数，介质中电场能量出现损耗，称为介电损耗。频率进一步增加-——高频电场时：转向极化失去作用，介电常数减小。第22页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五材料结构、电子结构、极化机制与介电性能在红外线波段：电介质正、负电中心的固有振动频率往往与外场频率一致，产生共振，电介质对红外线强吸收。介电常数实部和虚部随频率发生大起大落的变化。在可见光波段：位移极化也失去作用，只有电子云畸变极化作用。光频区域的介电常数实部进一步减小，它对应电介质的折射率，虚部决定了对光波的吸收。第23页，共26页，2022年，5月20日，16点42分，星期五在强电场（如激光）作用下：极化