第2章 介電材料

1、介電材料介電材料又叫電介質(zhì)，是以電極化為特征的材料。電極化電極化是在電場(chǎng)作用下分子中正負(fù)電荷中心發(fā)生是在電場(chǎng)作用下分子中正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生電偶極矩的現(xiàn)象相對(duì)位移而產(chǎn)生電偶極矩的現(xiàn)象。電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象。極化極化：介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)（原子、分子、離子）正負(fù)電荷重心的分離，從而轉(zhuǎn)變成偶極子。也就是說，在電場(chǎng)作用下，構(gòu)成質(zhì)點(diǎn)的正負(fù)電荷沿電場(chǎng)方向在有限范圍內(nèi)短程移動(dòng)，組成一個(gè)偶極子，如圖21所示。 設(shè)正電荷與負(fù)電荷的位移矢量為l，則定義此偶極子的電偶極距圖21 偶極子n規(guī)定其方向?yàn)樨?fù)電荷指向正電荷，即電偶極距的方向與外電場(chǎng)E的方向一致。 ql一、介電材料

2、的特征值一、介電材料的特征值1、分子極化率、分子極化率在電場(chǎng)作用下，介電材料的分子產(chǎn)生電偶極矩，而n分子極化率一般由電子極化率e、原子（離子）極化率a和取向極化率0三部分構(gòu)成：E0ae電子極化率電子極化率：在外電場(chǎng)作用下，原子外圍的電子軌道相對(duì)于原子核發(fā)生位移（如圖22所示），原子中的正負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對(duì)位移，這種極化稱為電子位移極化電子位移極化。30eR34圖22 電子軌道位移n根據(jù)玻爾原子模型，經(jīng)典理論可以計(jì)算出電子的平均極化率e。 離子極化率離子極化率：離子在電場(chǎng)作用下偏移平衡位置的移動(dòng)，相當(dāng)于形成一個(gè)感應(yīng)偶極距。也可理解為離子晶體在電場(chǎng)作用下離子間的鍵合被拉長(zhǎng)。圖23所示是離子位移極化

3、的簡(jiǎn)化模型。根據(jù)經(jīng)典彈性振動(dòng)理論可以估計(jì)出離子位移極化率a n由于離子質(zhì)量遠(yuǎn)高于電子質(zhì)量，因此極化建立的時(shí)間也較電子慢，大約為10-1210-13s。 03a41na圖23 離子位移極化的簡(jiǎn)化模型取向極化率取向極化率：沿外場(chǎng)方向取向的偶極子數(shù)大于與外場(chǎng)反向的偶極子數(shù)，因此電介質(zhì)整體出現(xiàn)宏觀偶極距，這種極化稱為取向極化取向極化。取向極化率0kT3200n2 2、極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度Pn介電材料的極化強(qiáng)度是單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和：nVP3 3、靜態(tài)介電常數(shù)靜態(tài)介電常數(shù)靜態(tài)介電常數(shù)和極化強(qiáng)度p的關(guān)系為EP0n從上式中可以看出，介質(zhì)的極化強(qiáng)度P越大，也越大。常用相對(duì)靜態(tài)介電常數(shù)r=/0，稱為絕對(duì)介電常

4、數(shù)。 n4 4、動(dòng)態(tài)介電常數(shù)動(dòng)態(tài)介電常數(shù)*n電介質(zhì)分子的極化需要一定的時(shí)間，完成極化的時(shí)間叫馳豫時(shí)間馳豫時(shí)間，其倒數(shù)稱馳豫頻率馳豫頻率f，電子極化的f約1015Hz，相當(dāng)于紫外頻率，原子（離子）極化的f約1012Hz，處于紅外區(qū)，取向極化的在1001010Hz之間，處于射頻和微波區(qū)。在交變電場(chǎng)作用下，由于電場(chǎng)頻率不同，極化對(duì)電場(chǎng)變化的反應(yīng)也不同。f越大，越小，極化建立需要的：電子極化離子極化取向極化。當(dāng)f1001010Hz時(shí)，三種極化都可建立。當(dāng)1010f1013Hz時(shí)，取向極化來不及建立，只有離子極化和電子極化能建立。當(dāng)1013fTc時(shí)，鐵電現(xiàn)象即消失。當(dāng)TTc時(shí)，處于順電相。當(dāng)T=Tc時(shí)發(fā)

5、生相變。鐵電相是極化有序狀態(tài)，順電相則是極化無序狀態(tài)。其間Tc稱為居里點(diǎn)。（4）介電常數(shù)介電常數(shù)與非鐵電體不同與非鐵電體不同。由于極化的非線性，鐵電體的介電常數(shù)不是常數(shù)，而是依賴于外加電場(chǎng)。 三、鐵電體的種類三、鐵電體的種類按照鐵電體極化軸的多少，可將鐵電體分為兩類。一類是只能沿一個(gè)晶軸方向極化的鐵電體，即無序有序型鐵電體（軟鐵電體）。另一類是可以沿幾個(gè)晶軸極化的鐵電體，這些晶軸在非鐵電相中都是等價(jià)的，稱為位移型鐵電體（硬鐵電體）。三、鐵電體的種類三、鐵電體的種類(1)軟鐵電體:只能沿一個(gè)晶軸方向極化,從順電相到鐵電相的過渡是從無序-有序的相變,是無序-有序型鐵電體.如KH2PO4.(2)硬鐵

6、電體:可以沿幾個(gè)晶軸極化,位移型鐵電體.從順電相到鐵電相的過渡是兩個(gè)子晶格之間發(fā)生位移.如BaTiO3. 圖27 反鐵電體的位移和結(jié)構(gòu)示意圖（a）二維反鐵電體晶格結(jié)構(gòu)；（b）離子沿對(duì)角線反平行位移 n四、反鐵電體四、反鐵電體n反鐵電體是一些離子晶體，它的相鄰行或列上的離子沿反平行的方向自發(fā)極化，最簡(jiǎn)單的如圖27(a)所示。圖27(b)則表示離子沿對(duì)角線反平行位移的一般情形。 最初發(fā)現(xiàn)具有反鐵電性的晶體為三氧化鎢，當(dāng)溫度高于1010K時(shí)，它處于反鐵電相。X射線衍射實(shí)驗(yàn)表明，鎢離子沿反平行方向位移。后來發(fā)現(xiàn)鋯酸鉛也具有反鐵電相。對(duì)鋯酸鉛反鐵電體的研究較多。鋯酸鉛室溫下的介電常數(shù)約為100，可是在230時(shí)，介電常數(shù)出現(xiàn)尖銳峰值；當(dāng)溫度高