[工學]介電材料物理

1、工學介電材料(cilio)物理第一頁，共47頁。rCCC000A為面積，d為極板間距，0真空(zhnkng)介電常數(shù)：8.851012F/m法/米dAC00其中： 為電介質(zhì)的介電常數(shù) r 為相對真空的介電常數(shù)第二頁，共47頁。dAC00ACdCCr001rCCC000為電介質(zhì)極化能力(nngl)的參數(shù)0r第三頁，共47頁。q+ qlq方向為從負電荷指向正電荷介質(zhì)中的極性分子可看作偶極子(在電場的作用下極性分子發(fā)生轉(zhuǎn)向)極化(j hu)率：單位電場強度下，質(zhì)點的電偶極矩的大小。E第四頁，共47頁。其中：Eloc為作用在微觀質(zhì)點上的局部電場它與宏觀外電場并不一定相同。 表征材料的極化能力，只與材料

2、的性質(zhì)有關(guān)(yugun)，其單位為Fm2法米2locEEEnnVP0loc第五頁，共47頁。宏觀電場(din chng)E E = E外 + E內(nèi)原子位置上的局部電場(din chng)EPEPEEEloc003131內(nèi)外kkkrrn031210321narr獲得高的介電常數(shù)的途徑：1質(zhì)點，2單位體積質(zhì)點的數(shù)目第六頁，共47頁。l介質(zhì)的極化包括三個局部介質(zhì)的極化包括三個局部l電子極化電子極化l離子極化離子極化l偶極子轉(zhuǎn)向極化偶極子轉(zhuǎn)向極化l極化形式兩種極化形式兩種l位移極化位移極化l是一種是一種(y zhn)彈性的、瞬時完成的極化，彈性的、瞬時完成的極化，不消耗能量不消耗能量l電子位移極化、離

3、子位移極化電子位移極化、離子位移極化l松弛極化松弛極化l這種極化與熱運動有關(guān)這種極化與熱運動有關(guān)l完成這種極化需要一定的時間完成這種極化需要一定的時間l并且是非彈性的，因而消耗一定的能量并且是非彈性的，因而消耗一定的能量l電子松弛極化、離子松弛極化屬這種類型電子松弛極化、離子松弛極化屬這種類型 第七頁，共47頁。l電子位移極化的定義l 在外電場作用下，原子外圍的電子云相對于原子核發(fā)生位移形成的極化l電子位移極化的性質(zhì)l具有一個彈性束縛電荷在強迫振動中所表現(xiàn)出來的特性l設(shè)想一個質(zhì)量為m，帶電為-e的粒子，為一帶(ydi)正電+e的中心所束縛，彈性恢復力為-kx。這里k是彈性回復系數(shù)，x表示粒子的

4、位移。我們考慮它在交變電場下運動，電場用復數(shù)表示：ElocEo e i xl 電荷的運動方程 m 2x/t2 = -kx e Eo e i w x第八頁，共47頁。l靜態(tài)極化率l電子極化率的大小與原子離子半徑有關(guān)l l假設(shè)考慮同類原子的集合，它們所有軌道是隨機取向l電子極化率的量子理論略l根據(jù)量子力學(lin z l xu)，極化率的計算是非常復雜的l對于少數(shù)簡單離子具有完整電子殼層的原子已能用量子力學(lin z l xu)方法計算極化率 。已計算出氫原子電子極化率為-41法米2 3043Re304Re22mee第九頁，共47頁。l離子在電場作用下偏移平衡位置的移動，相當于形成一個感生偶極矩

5、l與電子位移極化類似，在電場中離子的位移，仍然受到彈性恢復力的限制 l離子位移極化和電子位移極化的表達式一樣(yyng)，都具有彈性偶極子的極化性質(zhì)l離子位移極化建立的時間約為10-1210-13秒)1(220*2MqikqMqi220*20靜態(tài)(jngti)極化率 以NaCl為例：k=(n-1)q2/40a3,式中a為晶格常數(shù)，n為電子層斥力指數(shù)，對離子晶體n711。 可計算出其極化率的數(shù)量級為1040法米2第十頁，共47頁?；?；只存在電子、離子位移極化化；只存在電子、離子位移極化第十一頁，共47頁。q轉(zhuǎn)向極化主要發(fā)生在極性分子介質(zhì)轉(zhuǎn)向極化主要發(fā)生在極性分子介質(zhì)(jizh)中中q具有恒定偶極

6、矩的分子稱為極性分子具有恒定偶極矩的分子稱為極性分子q無外加電場時，這些極性分子的取向在各個方向無外加電場時，這些極性分子的取向在各個方向的幾率是相等的，因此就介質(zhì)的幾率是相等的，因此就介質(zhì)(jizh)整體來看，整體來看，偶極矩等于零偶極矩等于零q當極性分子受到外電場作用時，偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)向，當極性分子受到外電場作用時，偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)向，趨于和外加電場方向一致趨于和外加電場方向一致q熱運動抵抗這種趨勢，所以體系最后建立一個新熱運動抵抗這種趨勢，所以體系最后建立一個新的統(tǒng)計平衡的統(tǒng)計平衡q在這種狀態(tài)下，沿外場方向取向的偶極子比和它在這種狀態(tài)下，沿外場方向取向的偶極子比和它反向的偶極子的數(shù)目多，所以介

7、質(zhì)反向的偶極子的數(shù)目多，所以介質(zhì)(jizh)整體出整體出現(xiàn)宏觀偶極矩?，F(xiàn)宏觀偶極矩。q轉(zhuǎn)向極化一般需要較長時間，約為轉(zhuǎn)向極化一般需要較長時間，約為10-210-10秒秒 第十二頁，共47頁。q空間電荷極化定義空間電荷極化定義q在電場作用下，不均勻介質(zhì)內(nèi)部的正負間隙離在電場作用下，不均勻介質(zhì)內(nèi)部的正負間隙離子分別向負、正極移動，引起體系內(nèi)各點離子密子分別向負、正極移動，引起體系內(nèi)各點離子密度變化，即出現(xiàn)電偶極矩度變化，即出現(xiàn)電偶極矩q空間電荷極化常常發(fā)生在不均勻介質(zhì)中空間電荷極化常常發(fā)生在不均勻介質(zhì)中q實際上晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)等缺陷區(qū)實際上晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)等缺陷區(qū)都可以成為自由

8、電荷間隙離子、空位、等運都可以成為自由電荷間隙離子、空位、等運動的障礙；在這些障礙處，自由電荷積聚動的障礙；在這些障礙處，自由電荷積聚(jj)，形成空間電荷極化，所以又稱界面極化形成空間電荷極化，所以又稱界面極化q宏觀不均勻性，可形成空間電荷極化宏觀不均勻性，可形成空間電荷極化q由于空間電荷的積聚由于空間電荷的積聚(jj)，可形成很高的與外，可形成很高的與外電場方向相反的電場；因此這種極化有時稱為高電場方向相反的電場；因此這種極化有時稱為高壓式極化壓式極化第十三頁，共47頁。第十四頁，共47頁。第十五頁，共47頁。第十六頁，共47頁。 電介質(zhì)在恒定電場作用下，從建立極化到其穩(wěn)定狀態(tài)，一般來說要

9、經(jīng)過一定時間(shjin) 建立電子位移極化和離子位移極化，到達其穩(wěn)態(tài)所需時間(shjin)約為10-1610-12秒在無線電頻率51012Hz以下范圍，仍可認為是極短的，因此這類極化又稱為無慣性極化或瞬時位移極化；這類極化幾乎不產(chǎn)生能量損耗 偶極子轉(zhuǎn)向極化和空間電荷極化，在電場作用下那么要經(jīng)過相當長的時間(shjin)10-10秒或更長才能到達其穩(wěn)態(tài)，所以這類極化稱為有慣性極化或馳豫極化；這種極化損耗能量第十七頁，共47頁。 考慮一個在真空中的容量：C0 0 S/d的平行平板式電容器 把交變電壓 UU0 e i t 加在這個電容器上，那么在電極上出現(xiàn)電荷Q 0 C0U，并且與外電壓同相位 該

10、電容上的電流(dinli)：I0 i C0 U 它與外電壓相差90度的相位，是一種非損耗性的電流(dinli) 當兩電極間充以非極性的、完全絕緣的材料時，C r C0 ，那么電流(dinli)變?yōu)镮 i C0 U = r I0第十八頁，共47頁。 如果試樣材料是弱導電性的，或是極性的，或兼有此兩種特性，那么電容器不再是理想的，電流與電壓的相位相差不恰好是90度；這是由于存在一個與電壓相位相同的很小的、來源于電荷運動的電導分量如果這些電荷是自由的，那么電導G實際上與外電壓頻率無關(guān)(wgun)如果這些電荷是被符號相反的電荷所束縛，如振動偶極子的情況，那么G為頻率的函數(shù)合成電流 I = ( i C

11、+ G U電流密度 j = i + U 位移電流密度傳導電流密度 j = i + E = * E 復電導率第十九頁，共47頁。 復介電常數(shù)定義 j i * E * = i + * = */ i = + /i i / 電導(din do)或損耗既由自由電荷產(chǎn)生，也由束縛電荷產(chǎn)生；電導(din do)率本身就是一個依賴于頻率的復量，所以 * 的實部不是精確地等于 ，虛部也不是精確地等于 / * = */ i = i 其中： ， 是依賴于頻率的量 損耗角 : tg/由此可知，損耗由復介電常數(shù)的虛部引起。相當于測得的介電常數(shù) 即絕對介電常數(shù)。不說明， 系指絕對介電常數(shù) 第二十頁，共47頁。二第二十一頁

12、，共47頁。q介質(zhì)在交變電場中常發(fā)生馳豫松弛極化現(xiàn)象q在一個實際介質(zhì)樣品上突然加上一個電場階躍電場，所產(chǎn)生的極化過程不是瞬時完成的qP0代表瞬時建立(jinl)的極化位移極化qP1t漸漸到達一穩(wěn)定值P1代表松弛極化q 通常是由松弛極化、偶極子極化和空間電荷極化所致q介質(zhì)馳豫定義q 外電場施加或移去后，系統(tǒng)逐漸到達平衡狀態(tài)的過程q德拜方程221)0(r221)0(r第二十二頁，共47頁。第二十三頁，共47頁。獻逐漸減小，因而，隨獻逐漸減小，因而，隨升高而減少。升高而減少。在這一頻率范圍內(nèi)，隨在這一頻率范圍內(nèi)，隨的升高，的升高，P 也增大也增大(zn d)l3當當很高時很高時l介電常數(shù)僅由位移極化

13、決定，在這一介電常數(shù)僅由位移極化決定，在這一頻率范圍內(nèi)，隨頻率范圍內(nèi)，隨的升高，的升高，P 變化變化較小較小第二十四頁，共47頁。第二十五頁，共47頁。l自學l1當溫度很低時l2溫度較高時l 3 溫 度 升 高(shn o)過程中第二十六頁，共47頁。第二十七頁，共47頁。第二十八頁，共47頁。l電擊穿續(xù)l當兩個過程在一定的溫度和場強下平衡時，固體介質(zhì)(jizh)有穩(wěn)定的電導；當電子從電場中得到的能量大于傳遞給晶格振動的能量時，電子的動能就越來越大，電子能量大到一定值時電子與晶格振動的相互作用導致電離產(chǎn)生新電子，使自由電子數(shù)迅速增加，電導進入不穩(wěn)定階段，電擊穿發(fā)生l本征電擊穿理論l這種擊穿與介

14、質(zhì)(jizh)中的自由電子有關(guān)，室溫下即可發(fā)生，發(fā)生時間很短10-810-7sl介質(zhì)(jizh)中的自由電子的來源：l1雜質(zhì)和缺陷能級；l2價帶第二十九頁，共47頁。第三十頁，共47頁。l無機(wj)材料的極化l無機(wj)材料的擊穿第三十一頁，共47頁。多晶多相無機材料的極化混合物法那么(n me)系統(tǒng)的介電常數(shù)兩相并聯(lián) x1 1 + x2 2兩相串聯(lián) 1 x1 11 + x2 21兩相混合k趨近于零 k x1 1k + x2 2k ln x1 ln 1 + x2 ln 2 (適用于二相的介電常數(shù)相差不大，且均勻分布的混合物體系)第三十二頁，共47頁。dmdmddmdmmxxxx)332()

15、332( 當介電常數(shù)為d 的球形顆粒(kl)分散在介電常數(shù)為m 的基相時，Maxwell方程推導出混合物的介電常數(shù) 一般式： 第三十三頁，共47頁。第三十四頁，共47頁。第三十五頁，共47頁。l內(nèi)電離 l材料中含有氣泡時，氣泡的及 很小，因此加上電壓后氣泡上的電場較高，而氣泡本身的抗電強度比固體介質(zhì)要低很多一般空氣的Eb，而陶瓷的Eb80kV/cm,所以首先氣泡擊穿，引起氣體放電電離，產(chǎn)生大量的熱，引起整個介質(zhì)擊穿l大量的氣泡放電，一方面導致介電-機械-熱擊穿；另一方面介質(zhì)引起不可逆的物理化學變化，使介質(zhì)擊穿電壓下降。這種現(xiàn)象稱為電壓老化或化學擊穿 l外表放電和邊緣擊穿 l外表放電：固體介質(zhì)的

16、外表放電屬于氣體放電；固體介質(zhì)常處于周圍氣體煤質(zhì)中，擊穿時，常發(fā)現(xiàn)本身并未擊穿，但有火花掠過它的外表l提高外表放電電壓，防止邊緣擊穿以發(fā)揮(fhu)材料介電強度的有效作用，這對于高壓下工作的元件，尤其是高頻、高壓下工作的元件，是極為重要的。l 如在瓷介外表施釉，一方面要增大外表放電途徑；另一方面要使邊緣電場均勻。 第三十六頁，共47頁。胞里存在固有電偶極矩。這類晶體通常稱為極性胞里存在固有電偶極矩。這類晶體通常稱為極性晶體晶體第三十七頁，共47頁。l在一定溫度范圍內(nèi)含有能自發(fā)極化Ps表示自發(fā)極化強度；自發(fā)極化方向可隨外電場作可逆轉(zhuǎn)動的晶體l鐵電晶體一定是極性晶體。并非所有的極性晶體都具有這種自

17、發(fā)極化可隨外電場而轉(zhuǎn)動的性質(zhì)；只有某些特殊的晶體結(jié)構(gòu)，在自發(fā)極化改變方向時，晶體構(gòu)造不發(fā)生大的畸變(jbin)，才能產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)動。鐵電體就具有這些特殊的晶體結(jié)構(gòu)。l在鐵電狀態(tài)下，晶體的極化與電場的關(guān)系鐵電電滯回線。見左圖第三十八頁，共47頁。第三十九頁，共47頁。壓電性某些晶體材料能按所施加的機械應力成比例地產(chǎn)生電荷的能力近年來，壓電陶瓷開展較快，在不少場合(chng h)已經(jīng)取代了壓電單晶，它在電、磁、光、聲、熱和力等交互效應的功能轉(zhuǎn)換器件中得到了廣泛的應用獲得壓電性所需要的極性，可以通過暫時施加強電場的方法，使原來各向同性的多晶陶瓷發(fā)生“極化，這種極化可以在鐵電陶瓷中發(fā)生，類似于永久磁鐵的磁化過程 第四十頁，共47頁。第四十一頁，共47頁。第四十二頁，共47頁。第四十