第七章 薄膜的物理性質(zhì)--(2) 薄膜的電學(xué)性質(zhì) 20141118

1、薄膜物理與技術(shù)宋春元 材料科學(xué)與工程學(xué)院第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì) (2) 薄膜的電學(xué)性質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)7.2 薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)，如電阻率、電阻溫度系數(shù)、介電常數(shù)等及其與膜厚、外加電場(chǎng)、環(huán)境溫度等的關(guān)系直接決定了薄膜在各種實(shí)際應(yīng)用中的性能。本節(jié)主要介紹金屬薄膜、介質(zhì)薄膜、半導(dǎo)體薄膜的電學(xué)性質(zhì)。1. 塊狀金屬材料的導(dǎo)電性質(zhì) 表征金屬導(dǎo)電性質(zhì)的基本物理量有電阻R、電阻率和電阻溫度系數(shù)。對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫截面積為S的金屬絲，其電阻值可表示為： R= L/S7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七

2、章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì) 電阻率電阻率僅與金屬材料本性有關(guān)，而與導(dǎo)體的幾何尺寸(L、S等)無關(guān)。電阻率的倒數(shù)稱為電導(dǎo)率，并用表示： =1/ 金屬在不發(fā)生相變的情況下，其電阻率隨溫度的升高而增大： T =0（1+T） 式中 T 是溫度為T時(shí)的電阻率； 0是溫度為0時(shí)的電阻率； 是電阻溫度系數(shù)， =(T -0)/ (0 T) 。7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) 在討論電阻溫度系數(shù)或T時(shí)，都假設(shè)金屬材料的幾何尺寸(如 L或S)與溫度變化無關(guān)。 由0至溫度

3、T時(shí)的平均電阻溫度系數(shù)為： =(T -0)/ (0 T) 對(duì)于溫度T時(shí)的真實(shí)電阻溫度系數(shù)為: T =(d/dT) (1/ T) 7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì) 量子力學(xué)理論對(duì)金屬導(dǎo)電問題的研究認(rèn)為，在金屬晶體中，原子失去價(jià)電子成為正離子。正離子構(gòu)成晶體點(diǎn)陣，價(jià)電子則成為公有化的自由電子。 對(duì)于電子的運(yùn)動(dòng)不可能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)其位置和動(dòng)量，只能用電子出現(xiàn)的幾率來描述電子的位置。7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)一個(gè)微觀粒子的某些物理量（如位置和動(dòng)量，

4、或方位角與動(dòng)量矩，還有時(shí)間和能量等），不可能同時(shí)具有確定的數(shù)值，其中一個(gè)量越確定，另一個(gè)量的不確定程度就越大。 -德國(guó)物理學(xué)家海森堡（Werner Heisenberg）于1927年提出。 根據(jù)量子理論推導(dǎo)出金屬電阻率的表達(dá)式為： =2m/(ne2 ) 式中 m是電子質(zhì)量； e是電子電荷； n是參與導(dǎo)電的有效電子濃度； 是電子波受相鄰兩次散射的間隔時(shí)間，也常用散射幾率P1/ (單位時(shí)間的散射次數(shù))來表示電子波的散射。7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)散射對(duì)電阻率的貢獻(xiàn) 在金屬晶體中的散射機(jī)構(gòu)有晶格散射 P1 、電離雜質(zhì)

5、散射P2 、中性雜質(zhì)散射P3、位錯(cuò)散射P4、載流子散射P5和晶粒間界散射P6 。若上述散射同時(shí)存在時(shí)，則有： 散射幾率： P=P1+P2+P3+P4+P5+P67.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì) 式中，只有晶格散射P1與溫度T有關(guān)，在不同溫度下，由晶格散射對(duì)電阻率的貢獻(xiàn)為：高溫時(shí)： T=2mP1/(ne2)=CT/(4D)低溫時(shí)： T=124.4CT5/ D5式中C是常數(shù)， D是德拜溫度。7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì) 若除晶格散射的T之外

6、，將其它散射機(jī)構(gòu)對(duì)電阻率的貢獻(xiàn)歸總為一項(xiàng)i，則電阻率可表示為： =T +i 當(dāng)溫度T趨近于0K時(shí)， T也趨近于零，電阻率則趨近于i 。 通常將i稱為剩余電阻率，上式稱為馬布森(Matthiessen)定律。 一些有代表性的塊狀金屬導(dǎo)電性能物理參數(shù)值在表7-1中給出。7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)表7-1塊狀金屬導(dǎo)電性的物理參數(shù)值7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)連續(xù)金屬膜的導(dǎo)電性質(zhì)(1)(1)連續(xù)金屬膜導(dǎo)電性質(zhì)的特點(diǎn)連續(xù)金屬膜導(dǎo)電性質(zhì)的特點(diǎn)

7、 雖然連續(xù)金屬膜在微觀結(jié)構(gòu)上比不連續(xù)薄膜要致密得多，但是與用塊狀金屬壓制的薄金屬箔片相比，因它含有各種微觀缺陷導(dǎo)致其在導(dǎo)電性質(zhì)上與金屬箔片有較大的差異，從而形成了自己固有的一些特點(diǎn)如下：(a)薄膜電阻率F始終大于塊金屬箔電阻率B 。(b)薄膜電阻率F與薄膜厚度d有密切關(guān)系，隨膜厚的增大電阻率逐漸減小并趨于穩(wěn)定值。7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)(2)(2)連續(xù)金屬膜的形狀效應(yīng)定義1：在連續(xù)金屬膜中導(dǎo)電性質(zhì)與薄膜厚度有關(guān)的現(xiàn)象稱為形狀效應(yīng)。 這種效應(yīng)說明當(dāng)膜厚d的數(shù)值與導(dǎo)電電子平均自由程相近時(shí)，薄膜的上下表面對(duì)導(dǎo)電電子

8、的運(yùn)動(dòng)施加了幾何尺寸的限制。所以又有：定義2：薄膜厚度對(duì)導(dǎo)電電子平均自由程的幾何限制稱為連續(xù)金屬膜的形狀效應(yīng)。 7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì) 薄膜厚度d沿z軸方向，數(shù)值上與導(dǎo)電電子平均自由程相近(d )。長(zhǎng)度沿x軸方向，寬度沿y軸方向。與厚度相比，將薄膜的長(zhǎng)度和寬度可以看作近似于無限大。沿 -x方向施加電場(chǎng)E，在薄膜中導(dǎo)電電子將沿x方向運(yùn)動(dòng)。若這個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)方向與x軸成一定角度或 ，它在z軸方向上就有一個(gè)速度分量z 。故可能在z軸方向膜厚小于電子平均自由程處與薄膜表面相碰撞而改變運(yùn)動(dòng)方向，從而影響沿x軸方向的運(yùn)動(dòng)

9、速度。當(dāng)薄膜厚度越小時(shí)這種影響越大。研究形狀效應(yīng)的物理模型：7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)導(dǎo)電電子與薄膜表面相碰撞時(shí)可能產(chǎn)生兩種反射：彈性反射（或鏡面反射）和非彈性反射（或漫反射）。若表面為原子線度的光滑表面則若表面為原子線度的光滑表面則鏡反射鏡反射不影響電不影響電阻阻率率若表面不夠光滑，則若表面不夠光滑，則漫反射漫反射電電阻阻率率電子在薄膜表面有兩種反射電子在薄膜表面有兩種反射( (鏡反射，漫反射鏡反射，漫反射) ) vvxvxv鏡反射鏡反射表面表面表面表面漫反射漫反射表面粗糙表面粗糙漫反射漫反射P=0P=0表面

10、光滑表面光滑部分漫反射部分漫反射原子級(jí)表面光滑原子級(jí)表面光滑全鏡反射全鏡反射P=1P=17.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)P P鏡面鏡面反反射系數(shù)射系數(shù) 根據(jù)這種物理模型,求解導(dǎo)電電子分布函數(shù)的波耳茲曼方程、便可得到連續(xù)金屬膜電阻率F與塊狀金屬電阻率B及薄膜厚度d之間的函數(shù)關(guān)系。1) 假設(shè)電子在薄膜表面完全漫反射(鏡面反射系數(shù)P=0)，即不考慮彈性散射的情況下： F= B (1+3/8d) 討論：當(dāng)d=時(shí)， F 比B 增加約40； d=10時(shí)， F 增加約4。 對(duì)于Au膜， 40nm，因此對(duì)于較薄的膜，薄膜表面散射對(duì)薄

11、膜電導(dǎo)的影響不可低估。(3)連續(xù)金屬膜的電阻率F7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)2) 對(duì)于有一部分電子在表面產(chǎn)生鏡面反射的情況，前式應(yīng)修正為： F= B 1+3 (1-P) /8d 式中P為鏡面反射系數(shù)。 實(shí)際薄膜的P0(考慮彈性散射)，則漫反射所占比例為(1-P)。由上式可知：對(duì)于同樣的薄膜，改善表面光滑度，即提高P值，可使薄膜的電阻率減?。妼?dǎo)率變大）。 7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)通過理論分析可得到如下結(jié)論： a）薄膜電阻率大于塊

12、金屬電阻率。 b）薄膜電阻率與膜厚d有關(guān)系。 C）對(duì)于同樣的薄膜，改善表面光滑度，即提高P(鏡面反射系數(shù))值，可使薄膜的電阻率減?。妼?dǎo)率變大）。7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)二、不連續(xù)金屬膜的導(dǎo)電性質(zhì) 不連續(xù)金屬膜一般厚度低于5 nm，完全由孤立小島形成的薄膜，其電阻率比連續(xù)薄膜時(shí)要高得多。7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)（1）電阻率F非常大；（2）電阻與溫度的關(guān)系和連續(xù)薄膜完全不一樣，電阻率溫度系數(shù)F為負(fù)值；（3）在低外加電場(chǎng)時(shí)呈現(xiàn)歐

13、姆性質(zhì)導(dǎo)電，在高電場(chǎng)時(shí)呈現(xiàn)非歐姆性質(zhì)導(dǎo)電；在高電場(chǎng)下有電子發(fā)射和光發(fā)射現(xiàn)象。（4）導(dǎo)電電子激活能較大，隨膜厚的減小激活能上升；7.2.1 金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)非連續(xù)金屬薄膜的電阻溫度系數(shù)是負(fù)的（非連續(xù)金屬薄膜的電阻溫度系數(shù)是負(fù)的（忽略小島間隔隨溫度的忽略小島間隔隨溫度的變化變化）。）。 原因：原因：非連續(xù)薄膜的導(dǎo)電與電子發(fā)射有關(guān)，所以溫非連續(xù)薄膜的導(dǎo)電與電子發(fā)射有關(guān)，所以溫度升高時(shí)，度升高時(shí)，發(fā)射電子數(shù)增多發(fā)射電子數(shù)增多，電導(dǎo)率增大，電阻率下降，故電，電導(dǎo)率增大，電阻率下降，故電阻溫度系數(shù)為負(fù)。阻溫度系數(shù)為負(fù)。 隨溫

14、度上升金屬中電子的動(dòng)能不斷增大。當(dāng)電子速度v在垂直于金屬表面的分量vx增大到其動(dòng)能 大于金屬材料功函數(shù)時(shí)，電子便脫離金屬表面發(fā)射到真空中去。當(dāng)考慮當(dāng)考慮小島間隔隨溫度的變化：小島間隔隨溫度的變化： 原因：原因：非連續(xù)薄膜的電阻溫非連續(xù)薄膜的電阻溫度系數(shù)不一定總是負(fù)值，而可能從負(fù)到正。度系數(shù)不一定總是負(fù)值，而可能從負(fù)到正。小 結(jié)1.金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)（1）連續(xù)薄膜 a）薄膜電阻率大于塊金屬電阻率。 b）薄膜電阻率與膜厚d有關(guān)系。 C）對(duì)于同樣的薄膜，改善表面光滑度，即提高P(鏡面反射系數(shù))值，可使薄膜的電阻率減?。妼?dǎo)率變大）。（2）不連續(xù)薄膜(1) 電阻率F非常大；(2) 電阻與溫度的關(guān)系和連

15、續(xù)薄膜完全不一樣，電阻率溫度系數(shù)F為負(fù)值；(3) 在低外加電場(chǎng)時(shí)呈現(xiàn)歐姆性質(zhì)導(dǎo)電，在高電場(chǎng)時(shí)呈現(xiàn)非歐姆性質(zhì)導(dǎo)電；在高電場(chǎng)下有電子發(fā)射和光發(fā)射現(xiàn)象。(4) 導(dǎo)電電子激活能較大，隨膜厚的減小激活能上升；7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)電介質(zhì)概述電介質(zhì)概述室溫下金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電介質(zhì)的電阻率分別為：室溫下金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電介質(zhì)的電阻率分別為：10-8 10-6m10-5 106108 1018mm導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體電介質(zhì)電介質(zhì)電介質(zhì)是電介質(zhì)是絕緣體，無自由電荷，只存在束縛電荷。絕緣體，無自由電荷，只存在束縛電荷。 介

16、質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)包括介質(zhì)薄膜的電導(dǎo)性質(zhì)、介電性質(zhì)、熱釋電性質(zhì)和鐵電性質(zhì)等。7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì) 1 1、介質(zhì)薄膜的電導(dǎo)性質(zhì)、介質(zhì)薄膜的電導(dǎo)性質(zhì)在測(cè)量介質(zhì)薄膜的電導(dǎo)時(shí)，需在介質(zhì)膜的兩面制作電極，形成金屬一介質(zhì)一金屬(MIM)結(jié)構(gòu)，以便加上電壓，在介質(zhì)膜中形成電場(chǎng)。因此測(cè)得的電導(dǎo)實(shí)際上是這種夾層結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)。在直流電壓下，夾層結(jié)構(gòu)的電阻是兩個(gè)界面電阻和介質(zhì)膜電阻之和。因此只有在電極與介質(zhì)的接觸是歐姆接觸時(shí)，測(cè)出的電導(dǎo)才是介質(zhì)膜的電導(dǎo)。注：歐姆接觸是指金屬與半導(dǎo)體的接觸，而其接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻。

17、7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)（1）介質(zhì)薄膜電導(dǎo)的分類1)按載流子的性質(zhì)：可分為離子型電導(dǎo)和電子型電導(dǎo)。通常兩種同時(shí)存在。2)按載流子的來源分，離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)都有兩種來源：一種是來源于介質(zhì)薄膜本身的，稱本征電導(dǎo)；另一種是由膜中的雜質(zhì)和缺陷引起的電導(dǎo)，稱為雜質(zhì)電導(dǎo)或非本征電導(dǎo)。在 介質(zhì)薄膜中通常是離子電導(dǎo)與電子電導(dǎo)同時(shí)存在。一般離子電導(dǎo)：22N ZeDkT是電導(dǎo)率，D是擴(kuò)散常數(shù)，Z是離子價(jià)數(shù)，e是電子電荷，N是電荷為Ze的離子濃度。7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄

18、膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)在介質(zhì)薄膜中，介質(zhì)薄膜中的直流電導(dǎo)比塊狀介質(zhì)材料大得多(缺陷和雜質(zhì)比較多)。強(qiáng)場(chǎng)作用下，介質(zhì)中的電導(dǎo)包括電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)； 電子電導(dǎo)來源：導(dǎo)帶中導(dǎo)帶中的傳導(dǎo)電子、隧道效應(yīng)引起的電導(dǎo)、雜質(zhì)能級(jí)電子電導(dǎo)以及介質(zhì)薄膜與金屬電極界面處的空間電荷等。2）弱場(chǎng)作用下，電導(dǎo)主要來源于雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)（介質(zhì)導(dǎo)帶中幾乎沒有自由電子，雜質(zhì)能級(jí)電導(dǎo)占主要）。7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)u在低場(chǎng)強(qiáng)(E106Vcm)下，電導(dǎo)為非歐姆性的；例如介質(zhì)膜用作電容器中的工作介質(zhì)時(shí)的情況。u在一般電場(chǎng)

19、條件下,介質(zhì)薄膜的電導(dǎo)率隨溫度升高而增加。極性分子：極性分子：分子的正負(fù)電荷重心不重合。分子的正負(fù)電荷重心不重合。ql例如，例如，HCl、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH非極性分子：非極性分子：分子的正負(fù)電荷重心重合分子的正負(fù)電荷重心重合。非極性分子的偶極矩為零。非極性分子的偶極矩為零。例如，例如， CO2、 H2、N2、CH4、He H2O分子分子極性分子具有極性分子具有固有偶極矩，固有偶極矩，電偶極子電偶極子l q電偶極矩：電偶極矩： 。7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)(1) (1) 介質(zhì)薄膜的極化介質(zhì)薄

20、膜的極化：當(dāng)垂直于介質(zhì)薄膜加一電場(chǎng)，其表面就有感生束縛電荷出現(xiàn)。2. 2. 介質(zhì)薄膜的介電性能介質(zhì)薄膜的介電性能l 感應(yīng)宏觀偶極矩的形成：感應(yīng)宏觀偶極矩的形成： 非極性介質(zhì)非極性介質(zhì) 在電場(chǎng)作用下，正負(fù)電荷在微觀尺度作偏離平衡位置的相在電場(chǎng)作用下，正負(fù)電荷在微觀尺度作偏離平衡位置的相對(duì)位移，對(duì)位移，正負(fù)電荷相對(duì)位移的方向相反正負(fù)電荷相對(duì)位移的方向相反，在相距一定距離之后，產(chǎn)生感應(yīng)，在相距一定距離之后，產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩；電介質(zhì)整體來看，就形成了感應(yīng)宏觀偶極矩。偶極矩；電介質(zhì)整體來看，就形成了感應(yīng)宏觀偶極矩。 極性介質(zhì)極性介質(zhì) 組成介質(zhì)的分子具有極性或正負(fù)離子的中心不重合，其本身組成介質(zhì)的分子具有極

21、性或正負(fù)離子的中心不重合，其本身就具有固有偶極矩；在沒有外電場(chǎng)時(shí)，就具有固有偶極矩；在沒有外電場(chǎng)時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)使固有偶極矩混亂取向熱運(yùn)動(dòng)使固有偶極矩混亂取向，偶，偶極矩的矢量和為零；有外電場(chǎng)時(shí)，極矩的矢量和為零；有外電場(chǎng)時(shí)，偶極子沿電場(chǎng)方向取向幾率增加偶極子沿電場(chǎng)方向取向幾率增加，偶極，偶極矩的矢量和不再為零，電介質(zhì)對(duì)外表現(xiàn)出感應(yīng)宏觀偶極矩。矩的矢量和不再為零，電介質(zhì)對(duì)外表現(xiàn)出感應(yīng)宏觀偶極矩。7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄

22、膜的電學(xué)性質(zhì)電介質(zhì)極化的類型：電介質(zhì)極化的類型：電子位移極化、離子位移極化、電子位移極化、離子位移極化、 偶極子轉(zhuǎn)向極偶極子轉(zhuǎn)向極化、離子松弛極化、空間電荷極化、自發(fā)極化化、離子松弛極化、空間電荷極化、自發(fā)極化1）電子位移極化）電子位移極化電介質(zhì)中的原子、分子和離子等任何粒子，在電場(chǎng)的作用下，粒子中電介質(zhì)中的原子、分子和離子等任何粒子，在電場(chǎng)的作用下，粒子中的的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移，而感生一個(gè)沿電場(chǎng)方向的感應(yīng)偶極，而感生一個(gè)沿電場(chǎng)方向的感應(yīng)偶極矩。矩。00E0E電子云電子云原子核原子核電子位移極化模型圖電子位移極化模型圖+q-ql 電子位移極化率與溫度無關(guān)：溫度

23、的高低不足以改變?cè)踊螂x子的半徑。電子位移極化率與溫度無關(guān)：溫度的高低不足以改變?cè)踊螂x子的半徑。l 電子位移極化建立的時(shí)間很短電子位移極化建立的時(shí)間很短，約在，約在10-14 10-16 s范圍；如果所加電場(chǎng)為范圍；如果所加電場(chǎng)為交變電場(chǎng)，即使電場(chǎng)頻率高達(dá)光頻，電子位移極化也來得及響應(yīng)。交變電場(chǎng)，即使電場(chǎng)頻率高達(dá)光頻，電子位移極化也來得及響應(yīng)。l 電子位移極化存在于一切介質(zhì)中。電子位移極化存在于一切介質(zhì)中。eeeEl 電子位移極化產(chǎn)生的感應(yīng)偶極矩：電子位移極化產(chǎn)生的感應(yīng)偶極矩：2）離子位移極化）離子位移極化+-偶極矩矢量和為零；偶極矩矢量和為零；0E+感應(yīng)偶極矩：感應(yīng)偶極矩：eiiEi為離子

24、位移極化率。為離子位移極化率。l 離子位移極化率隨溫度的升高而增大，但增加甚微；離子位移極化率隨溫度的升高而增大，但增加甚微；l 離子位移極化對(duì)外場(chǎng)的離子位移極化對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間也較短響應(yīng)時(shí)間也較短，約為，約為10-12 10-13 s。3）偶極子轉(zhuǎn)向極化）偶極子轉(zhuǎn)向極化+-+-+-+-+-+-+-+-+-0E-+-+-+-+- +-+-+-+-+-+-+-+00E在沒有外電場(chǎng)時(shí)，在沒有外電場(chǎng)時(shí)，分子的熱運(yùn)動(dòng)使偶極子作混亂排分子的熱運(yùn)動(dòng)使偶極子作混亂排布布，分子固有偶極矩在空間各個(gè)方向的取向幾率相，分子固有偶極矩在空間各個(gè)方向的取向幾率相同，宏觀偶極矩同，宏觀偶極矩 為零。為零。 0在電場(chǎng)作用

25、下，在電場(chǎng)作用下，極性分子沿電場(chǎng)方向取向幾率大于極性分子沿電場(chǎng)方向取向幾率大于其它方向其它方向，形成宏觀偶極矩。，形成宏觀偶極矩。0極性分子具有固有偶極矩極性分子具有固有偶極矩 ，可以把它們看成偶極子。，可以把它們看成偶極子?？梢宰C明，偶極子轉(zhuǎn)向極化率為：可以證明，偶極子轉(zhuǎn)向極化率為：kTu320l 偶極子轉(zhuǎn)向極化率隨溫度的升高而下降：溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)的抗取向作偶極子轉(zhuǎn)向極化率隨溫度的升高而下降：溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)的抗取向作用加劇；用加劇；l 偶極子轉(zhuǎn)向極化對(duì)外電場(chǎng)的偶極子轉(zhuǎn)向極化對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，約為，約為10-8 10-2 s。（偶極子轉(zhuǎn)向極化率的數(shù)量級(jí)為（偶極子轉(zhuǎn)向極化率

26、的數(shù)量級(jí)為10-38 F.m2）4）離子松弛極化離子松弛極化玻璃態(tài)物質(zhì)、機(jī)構(gòu)松散的離子晶體及晶體的雜質(zhì)缺陷區(qū)域，離子本身能量玻璃態(tài)物質(zhì)、機(jī)構(gòu)松散的離子晶體及晶體的雜質(zhì)缺陷區(qū)域，離子本身能量較高，容易受熱激活，越過勢(shì)壘，在不同的平衡位置之間躍遷，稱為較高，容易受熱激活，越過勢(shì)壘，在不同的平衡位置之間躍遷，稱為弱束弱束縛離子縛離子。UxUxABU躍遷幾率相同躍遷幾率相同AB沿電場(chǎng)方向遷移幾率增加沿電場(chǎng)方向遷移幾率增加+在電場(chǎng)作用下，沿電場(chǎng)方向產(chǎn)生過剩躍遷的離子，使電介質(zhì)電荷分布不均，在電場(chǎng)作用下，沿電場(chǎng)方向產(chǎn)生過剩躍遷的離子，使電介質(zhì)電荷分布不均，形成電偶極矩。形成電偶極矩。l 離子松弛極化率：離

27、子松弛極化率： ，與溫度成反比；，與溫度成反比；kTXqt1222l 離子松弛極化離子松弛極化建立的時(shí)間較慢建立的時(shí)間較慢，約為，約為10-2 s；X00E0El 離子松弛極化是非可逆的過程，且離子躍遷的距離可與晶格常數(shù)相比擬。離子松弛極化是非可逆的過程，且離子躍遷的距離可與晶格常數(shù)相比擬。5）空間電荷極化）空間電荷極化當(dāng)介質(zhì)中存在少量自由電荷載流子（正負(fù)離子和電子）時(shí)，在外電場(chǎng)當(dāng)介質(zhì)中存在少量自由電荷載流子（正負(fù)離子和電子）時(shí)，在外電場(chǎng)作用下，載流子將移動(dòng)，使介質(zhì)有微小的漏導(dǎo)電流。作用下，載流子將移動(dòng)，使介質(zhì)有微小的漏導(dǎo)電流。+e+0E移動(dòng)的載流子可能被阻止在晶界、相界等晶格缺陷處移動(dòng)的載流

28、子可能被阻止在晶界、相界等晶格缺陷處，形成空間電荷，形成空間電荷的局部積累，使介質(zhì)中電荷分布不均，從而產(chǎn)生電偶極矩，發(fā)生極化。的局部積累，使介質(zhì)中電荷分布不均，從而產(chǎn)生電偶極矩，發(fā)生極化。l 空間電荷極化與介質(zhì)的電導(dǎo)密切相關(guān)；空間電荷極化與介質(zhì)的電導(dǎo)密切相關(guān)；l 空間電荷極化建立的時(shí)間很長(zhǎng)空間電荷極化建立的時(shí)間很長(zhǎng)，在幾分之一秒到幾個(gè)小時(shí)范圍內(nèi)。，在幾分之一秒到幾個(gè)小時(shí)范圍內(nèi)。6）自發(fā)式極化）自發(fā)式極化l 某些晶體具有特殊的結(jié)構(gòu)，其某些晶體具有特殊的結(jié)構(gòu)，其晶胞自身的正負(fù)電荷重心不重合晶胞自身的正負(fù)電荷重心不重合，即晶，即晶胞具有極性。胞具有極性。l 由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性和重復(fù)性，當(dāng)某一晶胞在

29、某一方向出現(xiàn)偶極矩時(shí)，由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性和重復(fù)性，當(dāng)某一晶胞在某一方向出現(xiàn)偶極矩時(shí)，將逐級(jí)影響到相鄰的晶胞，使它們的將逐級(jí)影響到相鄰的晶胞，使它們的固有偶極矩朝向相同的方向固有偶極矩朝向相同的方向。由于這。由于這種極化狀態(tài)是在外電場(chǎng)為零時(shí)自發(fā)建立的，稱為自發(fā)極化。種極化狀態(tài)是在外電場(chǎng)為零時(shí)自發(fā)建立的，稱為自發(fā)極化。l 具有相同極化方向的自發(fā)極化區(qū)域，稱為電疇。沒有外電場(chǎng)時(shí)，電具有相同極化方向的自發(fā)極化區(qū)域，稱為電疇。沒有外電場(chǎng)時(shí)，電疇空間取向平均，疇空間取向平均， 介質(zhì)不顯極性；有外電場(chǎng)時(shí)，電疇沿電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向，介質(zhì)不顯極性；有外電場(chǎng)時(shí)，電疇沿電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向，顯示強(qiáng)烈的極化效應(yīng)。顯示強(qiáng)烈的極化效

30、應(yīng)。電疇電疇l 自發(fā)極化產(chǎn)生的自發(fā)極化產(chǎn)生的介電常數(shù)非常高介電常數(shù)非常高，且，且極化建立的時(shí)間很長(zhǎng)極化建立的時(shí)間很長(zhǎng)。7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)2. 2. 介質(zhì)薄膜的介電性能介質(zhì)薄膜的介電性能（2）介質(zhì)薄膜的介電常數(shù)根據(jù)極化性質(zhì)不同，按照介質(zhì)薄膜的介電常數(shù)的大小可將介質(zhì)薄膜分為兩種類型：非極性介質(zhì)薄膜（介電常數(shù)245）和極性介質(zhì)薄膜（3100或者更高）。介質(zhì)薄膜的介電常數(shù)：本征介電常數(shù)和非本征介電常數(shù)。本征介電常數(shù)：來源于薄膜本身的電子狀態(tài)，固有偶極矩及晶格結(jié)構(gòu)等。非本征介電常數(shù)：來源于薄膜的不均勻性、雜質(zhì)、空

31、位等等。本征介電常數(shù)決定于薄膜內(nèi)部的各種極化機(jī)構(gòu)。7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)2. 2. 介質(zhì)薄膜的介電性能介質(zhì)薄膜的介電性能圖7-15 介質(zhì)薄膜中介電常數(shù)與平均原子序數(shù)的關(guān)系表7-2 常用介質(zhì)薄膜制備方法與介電常數(shù)的關(guān)系7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)2. 2. 介質(zhì)薄膜的介電性能介質(zhì)薄膜的介電性能7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)(3) 介質(zhì)薄膜的交流損耗介

32、質(zhì)薄膜在交變電場(chǎng)作用下，由于電導(dǎo)和極化，必然產(chǎn)生能量損耗。損耗值的大小與介質(zhì)薄膜本身的晶體結(jié)構(gòu)和各種缺陷有關(guān)。介質(zhì)薄膜的損耗包括兩部分：電導(dǎo)損耗直流或交流電場(chǎng)作用下都存在，直流電導(dǎo)損耗在低頻下比較明顯且不隨頻率變化。7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)非弛豫型損耗絕大多說介質(zhì)膜在室溫下就可以觀測(cè)到非弛豫損耗。這種損耗的特征是 幾乎與頻率無關(guān)。 tan (%)電子位移極化和離子位移極化電子位移極化和離子位移極化弛豫型損耗與交變電場(chǎng)頻率密切相關(guān)。高頻弛豫損耗時(shí)峰值頻率在2 MHz以上。低頻弛豫損耗的峰值頻率在100 Hz以下

33、。偶極子取向極化、離子松弛極化、空間電荷極化和自發(fā)極化偶極子取向極化、離子松弛極化、空間電荷極化和自發(fā)極化漏導(dǎo)電流漏導(dǎo)電流l電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗和和極化損耗極化損耗l任何介質(zhì)都不是理想的絕緣體，在加上交變電場(chǎng)后，任何介質(zhì)都不是理想的絕緣體，在加上交變電場(chǎng)后，有漏導(dǎo)電流產(chǎn)生，電流做功并以熱的形式散發(fā)出來。有漏導(dǎo)電流產(chǎn)生，電流做功并以熱的形式散發(fā)出來。介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗l 電子位移極化和離子位移極化電子位移極化和離子位移極化建立的時(shí)間極短，可以與可見光的周期相建立的時(shí)間極短，可以與可見光的周期相比擬，比擬， 在遠(yuǎn)低于光頻的無線電頻率范圍，這兩種極化可以看成是即時(shí)的，在遠(yuǎn)低于光頻的無線電頻率范圍，這兩種極

34、化可以看成是即時(shí)的，稱為稱為瞬時(shí)極化瞬時(shí)極化。偶極子取向極化、離子松弛極化、空間電荷極化和自發(fā)極化偶極子取向極化、離子松弛極化、空間電荷極化和自發(fā)極化建立的時(shí)間建立的時(shí)間較長(zhǎng)，稱為較長(zhǎng)，稱為緩慢極化緩慢極化，也稱弛豫極化。，也稱弛豫極化。+瞬時(shí)極化與交變電場(chǎng)完全同步，瞬時(shí)極化與交變電場(chǎng)完全同步，其極化強(qiáng)度與電場(chǎng)間沒有相位差。其極化強(qiáng)度與電場(chǎng)間沒有相位差。+緩慢極化需要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到緩慢極化需要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到相應(yīng)電場(chǎng)下的最大極化值；相應(yīng)電場(chǎng)下的最大極化值；緩慢極化強(qiáng)度與電場(chǎng)之間存在相位差。緩慢極化強(qiáng)度與電場(chǎng)之間存在相位差。0E0E7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理

35、性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)l 隨著交變電場(chǎng)頻率的不同，介質(zhì)的極化響應(yīng)分隨著交變電場(chǎng)頻率的不同，介質(zhì)的極化響應(yīng)分3種情況：種情況： 頻率很低：頻率很低：各種極化的建立跟得上電場(chǎng)的變化，介質(zhì)的極化響各種極化的建立跟得上電場(chǎng)的變化，介質(zhì)的極化響應(yīng)同靜電場(chǎng)情形；應(yīng)同靜電場(chǎng)情形； 頻率極高：頻率極高：弛豫極化完全來不及建立，不必考慮；弛豫極化完全來不及建立，不必考慮； 瞬時(shí)極化仍同靜電場(chǎng)情形；瞬時(shí)極化仍同靜電場(chǎng)情形； 介于中間：介于中間：出現(xiàn)極化損耗出現(xiàn)極化損耗，介電常數(shù)隨電場(chǎng)頻率變化。，介電常數(shù)隨電場(chǎng)頻率變化。7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜

36、的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)具有各類極化和電導(dǎo)的介質(zhì)膜的介電常數(shù)和損耗角正切與頻率關(guān)系為：220201 ()()1 ()tanss 式中， 極高頻率下的介質(zhì)薄膜介電常數(shù)， 直流時(shí)介電常數(shù)， 真空介電常數(shù)， 介質(zhì)薄膜的弛豫時(shí)間， 角頻率。s0圖7-17 介質(zhì)薄膜損耗與頻率的關(guān)系7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)： ，只有電導(dǎo)電流引起的損耗：，只有電導(dǎo)電流引起的損耗：1） 0tanP00s0ta

37、nl 與頻率的關(guān)系：與頻率的關(guān)系：tan3）隨著頻率的升高，極化損耗開始起作用，出現(xiàn)損耗峰值；）隨著頻率的升高，極化損耗開始起作用，出現(xiàn)損耗峰值；2）頻率很低時(shí)：頻率很低時(shí)： 可忽略不計(jì)；損耗主要由電導(dǎo)引起：可忽略不計(jì)；損耗主要由電導(dǎo)引起：Ptan1tans04）頻率極高時(shí)：頻率極高時(shí)： 1-tan0stanlg1）2）3）4）OGPtantantan3. 3. 介質(zhì)薄膜的壓電性質(zhì)介質(zhì)薄膜的壓電性質(zhì)7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)一些介質(zhì)薄膜具有壓電效應(yīng)，如CdS、ZnS、AlN、ZnO、LiNbO3、PZT等薄膜。

38、主要用于制造聲表面波器件。壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：應(yīng)力作用使晶體表面產(chǎn)生電荷現(xiàn)象逆壓電效應(yīng)：當(dāng)晶體受到電場(chǎng)作用，在他的某個(gè)方向上發(fā)生應(yīng)變，而且應(yīng)變與電場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系壓電薄膜在晶體結(jié)構(gòu)上應(yīng)為無對(duì)稱中心，且為離子晶體組成的結(jié)構(gòu)。PZT鋯鈦酸鉛 表7-4 典型壓電薄膜的晶體結(jié)構(gòu)3. 3. 介質(zhì)薄膜的壓電性質(zhì)介質(zhì)薄膜的壓電性質(zhì)-壓電薄膜的晶體結(jié)構(gòu) P2127.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)壓電性能參數(shù)：1）機(jī)電耦合系數(shù)k：用來描述機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程，其定義為2）壓電系數(shù)d：用來描述單位應(yīng)力作用下產(chǎn)生的極化強(qiáng)度或 單位電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的應(yīng)變。正壓電效應(yīng)： 應(yīng)力，P極化強(qiáng)度，d壓電系數(shù)。 逆壓電效應(yīng)： S彈性應(yīng)變，E電場(chǎng)強(qiáng)度P dSdE或7.2.2 介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)第七章第七章 薄膜的物理性質(zhì)薄膜的物理性質(zhì)- -之薄膜的電學(xué)性質(zhì)之薄膜的電學(xué)性質(zhì)3) 機(jī)械品質(zhì)因數(shù)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)描述壓電材料在諧振時(shí)機(jī)械性能損耗的多少，用Qm表示：4) 電學(xué)品質(zhì)因數(shù)： 通過壓電材料的無功電流Ie和有功電流IR之比或介質(zhì)損耗正切值的倒數(shù)。1taneeRI