介電特性--中山大學

1、1介介 電電 特特 性性Oct.22, 2010包包 定定 華華中山大學理工學院中山大學理工學院E-mail: 2 介電常數(shù)、介電損耗介電常數(shù)、介電損耗 介電頻譜、溫譜介電頻譜、溫譜 介電材料的主要物理性質及測量介電材料的主要物理性質及測量 介電材料的應用簡介介電材料的應用簡介主要內容主要內容3介電常數(shù)、介電損耗介電常數(shù)、介電損耗4表征材料導電性的大小表征材料導電性的大小 電學性質電學性質1. 1. 電導率電導率5電學性質電學性質歐姆定律歐姆定律微分形式?jīng)Q定電導率的基本參數(shù)決定電導率的基本參數(shù) 載流子載流子(n, 個個/m3)：電子、空穴、正離子、負離子 載流子遷移率載流子遷移率 (載流子在單

2、位電場中的遷移速度) =/E m2/(v.s) 電流密度電流密度（單位時間通過單位截面積的電荷量） Jnqv 電導率電導率 =J/E=nqvE =nq6理解材料的電導現(xiàn)象，必須明確幾個問題：理解材料的電導現(xiàn)象，必須明確幾個問題：1）參與遷移的是哪種載流子有關載流子的類別2）載流子的數(shù)量有多大-有關載流子濃度、載流子的產(chǎn)生過程3）載流子遷移速度的大小-有關載流子輸運過程電導機制：電導機制：1）離子電導：一些電介質、絕緣材料2）電子電導：半導體、導電、超導電學性質電學性質7電介質電容、介電常數(shù)電介質電容、介電常數(shù) 真空電容真空電容 Co=Qo/V os/d 電介質電容電介質電容 CQ/V=r os

3、/d 相對介電常數(shù)相對介電常數(shù) r = C / C0 電學性質電學性質 介電常數(shù)是表征電介質的最基本的參量。是衡量電介質在電場下的極化行為或儲存電荷能力的參數(shù)。2. 2. 介電常數(shù)介電常數(shù)8 在實際應用中，通常用損耗角正切表示電介質在交變電場下的損耗tanrr電學性質電學性質 電介質在電場作用下,電導和部分極化過程會將一部分電能轉變?yōu)槠渌问降哪埽ㄈ鐭崮埽?，即發(fā)生電能的損耗。常將電介質在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介質損耗。 (由電導和極化過程引起) 單位體積的介質損耗功率：2EtgP94. 4. 電介質的擊穿電介質的擊穿 - - 絕緣強度絕緣強度電介質的擊穿電介質的擊穿 一般外電場不太強

4、時，電介質只被極化，不一般外電場不太強時，電介質只被極化，不影響其絕緣性能。影響其絕緣性能。 當其處在很強的外電場中時，電介質分子的正負電荷中當其處在很強的外電場中時，電介質分子的正負電荷中心被拉開，甚至脫離約束而成為自由電荷，電介質變?yōu)閷щ娦谋焕_，甚至脫離約束而成為自由電荷，電介質變?yōu)閷щ姴牧?。當施加在電介質上的電壓增大到一定值時，使電介質材料。當施加在電介質上的電壓增大到一定值時，使電介質失去絕緣性的現(xiàn)象稱為擊穿失去絕緣性的現(xiàn)象稱為擊穿( (breakdown)breakdown)。 外加電場強度超過某一臨界值時，介質由介電狀態(tài)變?yōu)橥饧与妶鰪姸瘸^某一臨界值時，介質由介電狀態(tài)變?yōu)閷щ姞顟B(tài)

5、的現(xiàn)象。導電狀態(tài)的現(xiàn)象。電學性質電學性質10介電強度：相應的臨界電場強度介電強度：相應的臨界電場強度熱擊穿熱擊穿熱擊穿的本質：熱擊穿的本質：處于電場中的介質，由于介質損耗而受熱；處于電場中的介質，由于介質損耗而受熱；當外加電壓足夠高時，散熱和發(fā)熱從平衡狀態(tài)轉入非平衡當外加電壓足夠高時，散熱和發(fā)熱從平衡狀態(tài)轉入非平衡狀態(tài)，介質的溫度將越來越高，直至出現(xiàn)永久性破壞。狀態(tài)，介質的溫度將越來越高，直至出現(xiàn)永久性破壞。擊穿電場強度擊穿電場強度 E=V/hE=V/h V擊穿電壓；h 材料厚度擊穿電壓擊穿電壓電介質（或電容器）擊穿時兩極板的電壓電介質（或電容器）擊穿時兩極板的電壓11電擊穿電擊穿 固體介質電

6、擊穿的碰撞電離理論：固體介質電擊穿的碰撞電離理論： 在強電場作用下，固體導帶中可能因冷或熱發(fā)射存在一些在強電場作用下，固體導帶中可能因冷或熱發(fā)射存在一些電子，這些電子被加速，獲得動能；電子，這些電子被加速，獲得動能； 高速電子與晶格振動相互作用，把能量傳遞給晶格；高速電子與晶格振動相互作用，把能量傳遞給晶格； 上述兩個過程在一定溫度和場強下平衡時，固體介質有穩(wěn)上述兩個過程在一定溫度和場強下平衡時，固體介質有穩(wěn)定的電導；定的電導； 當電子從電場中獲得能量大于傳遞給晶格振動能量時，電當電子從電場中獲得能量大于傳遞給晶格振動能量時，電子動能越來越大；子動能越來越大； 大到一定值，電子與晶格振動的相互

7、作用導致電離產(chǎn)生新大到一定值，電子與晶格振動的相互作用導致電離產(chǎn)生新電子，使電子數(shù)目迅速增加，電導進入不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生擊穿。電子，使電子數(shù)目迅速增加，電導進入不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生擊穿。載流子數(shù)目迅速增加。載流子數(shù)目迅速增加。12電介質電介質：在電場作用下，能建立極化的物質。通常是指電在電場作用下，能建立極化的物質。通常是指電阻率大于阻率大于1010 cm的一類在電場中以感應而并非傳導的方式的一類在電場中以感應而并非傳導的方式呈現(xiàn)其電學性能的物質。呈現(xiàn)其電學性能的物質。電介質的主要性能電介質的主要性能： 介電常數(shù)介電常數(shù) 介電損耗介電損耗 介電強度介電強度132 2 極化極化 polarizatio

8、n 在電場作用下，電介質中束縛著的電荷發(fā)生位移或者極在電場作用下，電介質中束縛著的電荷發(fā)生位移或者極性隨電場方向改變的現(xiàn)象，稱為性隨電場方向改變的現(xiàn)象，稱為電介質的極化電介質的極化。3 3 自發(fā)極化自發(fā)極化 spontaneous polarization 在沒有外電場作用時，晶體中存在著由于電偶極子的在沒有外電場作用時，晶體中存在著由于電偶極子的有序排列而產(chǎn)生的極化，稱為有序排列而產(chǎn)生的極化，稱為自發(fā)極化自發(fā)極化。1 1 介電常數(shù)介電常數(shù) dielectric constant表征材料極化并儲存電荷能力的物理量稱為表征材料極化并儲存電荷能力的物理量稱為介電常數(shù)介電常數(shù)，用用表示，無量綱。表示

9、，無量綱。14 電介質在電場作用下的極化程度用極化強度矢量P P表示，極化強度P P是電介質單位體積內的感生偶極矩，可表示為： 極化強度的單位為庫侖/米2 (C/m2)VV 宏觀上無限小微宏觀上無限小微觀上無限大的體積觀上無限大的體積元元pi i 每個分子的電偶每個分子的電偶極矩極矩P=limpiV電偶極矩電偶極矩15電偶極矩電偶極矩 ： =ql（單位：庫侖單位：庫侖 米）米）電偶極矩的方向：電偶極矩的方向：負電荷指向正電荷。電偶極矩的方負電荷指向正電荷。電偶極矩的方向與外電場的方向一致。向與外電場的方向一致。介質的極化強度介質的極化強度P：P= /V單位介質體積內的電偶極單位介質體積內的電偶

10、極矩總和?；蚴`電荷的面密度。矩總和。或束縛電荷的面密度。 -q+qlE偶極子偶極子16電介質的極化材料可按其對外電場的響應方式區(qū)分為兩類：導電材料：以電荷長程遷移即傳導的方式對外電場作出響應 導體中的自由電荷自由電荷在電場作用下定向運動，形成傳導電流。電介質：以感應的方式對外電場作出響應，即沿著電場方向產(chǎn)生電偶極矩或電偶極矩的改變，這類材料稱為電介質，這種現(xiàn)象稱為電介質的極化。 在電介質中，原子、分子或離子中的正負電荷以共價鍵或離子鍵的形式被相互強烈地束縛著，通常稱為束縛電荷束縛電荷。在電場作用下，正、負束縛電荷只能在微觀尺度上作相對位移，不能作定向運動。正負束縛電荷間的相對偏移，產(chǎn)生感應偶

11、極矩。在外電在外電場作用下場作用下, , 電介質內部感生偶極矩的現(xiàn)象，稱為電介質的極化。電介質內部感生偶極矩的現(xiàn)象，稱為電介質的極化。17電介質分為非極性電介質和極性電介質兩大類。 非極性電介質由非極性分子組成，在無外電場時分子的正負電荷重心互相重合，不具有電偶極矩。只是在外電場作用下正負電荷出現(xiàn)相對位移，才出現(xiàn)電偶極矩。 極性電介質由極性分子組成，即使在無外場時每個分子的正負電荷重心也不互相重合，具有固有電矩，它與鐵電性有密切關系。18基本概念基本概念真空真空平行板電容器平行板電容器 介電材料介電材料電場 電位移 極化強度 金屬板表面的(正的與負的)自由電荷 介電材料表面的束縛電荷 真空介電

12、常數(shù)(8.8510-12As/Vm) 相對介電常數(shù) 電容19電位移矢量電位移矢量真空電位移真空電位移材料極化材料極化強度強度極化率極化率相對介電相對介電 常數(shù)常數(shù)非極化非極化極化極化介電性質介電性質適用于：適用于：電電機械機械熱熱極化極化極化響應極化響應20極化類型極化類型電子極化電子極化 電子云與原子核的相對位移誘導電偶極電子云與原子核的相對位移誘導電偶極子子 離子極化離子極化 陰、陽離子的相對位移誘導電偶極子陰、陽離子的相對位移誘導電偶極子 轉向極化轉向極化 固有電偶極子的指向在外場中轉向固有電偶極子的指向在外場中轉向 空間電荷極化空間電荷極化 在絕緣體界面移動載流子形成的極化在絕緣體界面

13、移動載流子形成的極化電介質的極化21電子極化電子極化電子極化由電子云構成的負電電子極化由電子云構成的負電荷中心荷中心(-Ze(-Ze0 0) )在外電場中相對在外電場中相對于帶正電的原子荷于帶正電的原子荷(+Ze(+Ze0 0) )的位的位移引起的移引起的電位移電位移誘導偶極子誘導偶極子微觀極化率微觀極化率電極化率：電極化率：原子原子/ /分子密度分子密度22離子極化是由離子晶體中陽離子離子極化是由離子晶體中陽離子( (Q)Q)與陰離子與陰離子(-Q)(-Q)的位移引起的的位移引起的電位移電位移誘導偶極子誘導偶極子微觀極化率微觀極化率電極化率：電極化率：原子原子/ /分子密度分子密度離子電荷離

14、子電荷K Ki i描述了晶格的反描述了晶格的反作用力，作用力，K Ki i取決于取決于晶格參數(shù)晶格參數(shù)( (離子間離子間距，晶體結構，束距，晶體結構，束縛能縛能.) .) 離子極化離子極化23取向極化取向極化電偶極矩電偶極矩pipi分子電偶極矩分子電偶極矩pipi電極化強度電極化強度P P平均微觀極化率平均微觀極化率a aoror線性近似線性近似電極化率電極化率coror2425介電損耗的形式介電損耗的形式電介質在電場作用下，內部通過的電流包括：電介質在電場作用下，內部通過的電流包括：1 1）電容電流：由樣品的幾何電容充電引起電流（位移電流）；電容電流：由樣品的幾何電容充電引起電流（位移電流）

15、；2 2）介質極化的建立引起電流：與極化弛豫有關；介質極化的建立引起電流：與極化弛豫有關；3 3）介質的電導（漏導）造成的電流：與自由電荷有關。介質的電導（漏導）造成的電流：與自由電荷有關。 能量損耗：極化弛豫損耗、電導損耗、振動損耗能量損耗：極化弛豫損耗、電導損耗、振動損耗介電損耗介電損耗26損耗因子損耗因子在真空中的平行平板式電容器兩極板上加交變電壓在真空中的平行平板式電容器兩極板上加交變電壓V=VV=Vo oe ei i t t，電容上的電流與外電壓相差電容上的電流與外電壓相差9090o o的位相。的位相。由由 Q=CQ=Co oV V V=Q/C V=Q/Co o= = Idt/CId

16、t/Co o I=C I=Co odV/dtdV/dt電容上的電流：電容上的電流： I Io o=i=i C Co oV V兩極板間充入非極性完全絕緣的材料，兩極板間充入非極性完全絕緣的材料， 電容上的電流：電容上的電流：I=iI=i CV= iCV= ir rC Co oV= V= r rI Io o 27如果介質有微弱的導電，則其中有一個與外加電壓相位相同的小電如果介質有微弱的導電，則其中有一個與外加電壓相位相同的小電流（流（I= i CV+GV）通過通過Vi CV設電導設電導G僅由自由電荷產(chǎn)生，則僅由自由電荷產(chǎn)生，則: G= S/d , 由于電容由于電容: C= l S/d則電流密度則電

17、流密度: j=(il + )E= *E= il* E復電導率復電導率 * 的定義：的定義： *= il + 復介電常數(shù)的定義：復介電常數(shù)的定義： l*= * / i = l - i / 損耗角損耗角 的定義：的定義：tg =損耗項損耗項/電容項電容項= / l 得：得： = l tg （ l tg 僅與介質有關）僅與介質有關）損耗因子：損耗因子： l tg （其大小作為絕緣材料的判據(jù)）其大小作為絕緣材料的判據(jù)） 復電導率復電導率 * 的定義：的定義： *= il + 復介電常數(shù)的定義：復介電常數(shù)的定義： l*= * / i = l - i / 損耗角損耗角 的定義：的定義：tg =損耗項損耗項

18、/電容項電容項= / l 得：得： = l tg （ l tg 僅與介質有關）僅與介質有關）損耗因子：損耗因子： l tg （其大小作為絕緣材料的判據(jù)）其大小作為絕緣材料的判據(jù)）復電導率復電導率 * 的定義：的定義： *= il + 復介電常數(shù)的定義：復介電常數(shù)的定義： l*= * / i = l - i / 損耗角損耗角 的定義：的定義：tg =損耗項損耗項/電容項電容項= / l 得：得： = l tg （ l tg 僅與介質有關）僅與介質有關）損耗因子：損耗因子： l tg （其大小作為絕緣材料的判據(jù)）其大小作為絕緣材料的判據(jù)）復電導率復電導率 * 的定義：的定義： *= il + 復介

19、電常數(shù)的定義：復介電常數(shù)的定義： l*= * / i = l - i / 損耗角損耗角 的定義：的定義：tg =損耗項損耗項/電容項電容項= / l 得：得： = l tg （ l tg 僅與介質有關）僅與介質有關）損耗因子：損耗因子： l tg （其大小作為絕緣材料的判據(jù)）其大小作為絕緣材料的判據(jù)）28 時間時間介電弛豫介電弛豫理想電介質理想電介質實際電介質實際電介質VQIVQI電荷累積與電流特性電荷累積與電流特性29極化強度隨時間變化的速率與其最終數(shù)值和某時刻實際極化強度隨時間變化的速率與其最終數(shù)值和某時刻實際值之差有以下關系：值之差有以下關系：d(Pt Po)/dt=(P Po) (Pt

20、Po)/ PtPo=(P Po) (1e-t/ ) 時間時間P理想理想實際實際PoP 30考慮自由電荷與束縛電荷的弛豫對介電常數(shù)的影考慮自由電荷與束縛電荷的弛豫對介電常數(shù)的影響，復介電常數(shù)普通表達式：響，復介電常數(shù)普通表達式： l*= l - i l 則：則：tg = l/ l 有：有： = ltg = l tg = l （ = l介質的等效電導率）介質的等效電導率）31空間電荷極化空間電荷極化轉向極化轉向極化離子極化離子極化電子極化電子極化色散色散損耗損耗等效電路等效電路微波微波紅外紅外紫外紫外馳豫馳豫空間電荷極化空間電荷極化轉向極化轉向極化共振共振離子極化離子極化電子極化電子極化相對介電常

21、數(shù)的頻率相關性相對介電常數(shù)的頻率相關性32電子極化電子極化轉向極化轉向極化共振與馳豫共振與馳豫33介電頻譜、溫譜介電頻譜、溫譜3435德拜公式：德拜公式： r( )= + (0) - /(1+i ) r = + (0) - /(1+ 2 2) （ r( )實部）實部） r = (0) - /(1+ 2 2) （ r( )虛部）虛部） tg = r/ r 其中：其中： (0) -低或靜態(tài)的相對介電常數(shù)低或靜態(tài)的相對介電常數(shù) - 時的相對介電常數(shù)時的相對介電常數(shù)德拜研究了電介質的介電常數(shù)德拜研究了電介質的介電常數(shù) r r 、反映介電損耗的反映介電損耗的 r r、所加電場的角頻率及松弛時間間的關系。

22、所加電場的角頻率及松弛時間間的關系。36 =1， r最大，大于或小于最大，大于或小于1 時，時， r都小，都小，即：松弛時間和所加電場的頻率相比，較大時，偶極子來不即：松弛時間和所加電場的頻率相比，較大時，偶極子來不及轉向，及轉向， r就?。凰沙跁r間比所加電場的頻率還要迅速，就??；松弛時間比所加電場的頻率還要迅速， r也小。也小。37383940損耗的原因：由于共振使電流與電壓同位相。411 1 復介電常數(shù)與頻率的關系復介電常數(shù)與頻率的關系42434445462 2 復介電常數(shù)與溫度的關系復介電常數(shù)與溫度的關系 由于隨溫度變化劇烈，因而復介電常數(shù)與溫度密切相關。并且嚴格地講，s和也與溫度有關。

23、光頻介電常數(shù)是彈性位移極化貢獻的介電常數(shù)，可表示為：00000(1)()111eieEnEPEEE 設EeE，則上式近似可表示為：)(100ien 因為e和 i與溫度無關，因此隨溫度變化主要是由于單位體積中極化離子數(shù)n0隨溫度變化引起的，即由電介質密度變化引起的。由于材料密度在一定范圍內與溫度成線性關系，且變化不大，因此隨溫度升高略微線性下降。 靜態(tài)介電常數(shù)s可表示為：0/srPE0aa/saT，474849介電溫譜介電溫譜50復合電介質 21A2A1 理想復合電介質，電導率 0并聯(lián)：并聯(lián)： 21CCCdAC1101dAC2202dAACe)(21051復合電介質令 為復合電介質等效介電常數(shù)

24、e221121)(AAAAePPeyyAAAAAA2211212221112111AAAyP2122AAAyP121PPyy52復合電介質串聯(lián)：串聯(lián)： 21111CCC)(210ddACe22112111ddddeSSeyy22111112d1d2153復合電介質2111dddyS2122dddyS121SSyy對于對于m種介質并聯(lián)種介質并聯(lián) miiiPey1對于對于m種介質串聯(lián)種介質串聯(lián) iSmiiey11154實際雙層電介質 加上電壓u )()(2211tEtE穩(wěn)態(tài)時 )()(2211tEtEj在達到穩(wěn)態(tài)之前，雙層介質的電場隨時間發(fā)生變化，其傳導電流密度隨時間發(fā)生變化：)()(111tEt

25、j)()(222tEtj)()(21tjtj55復合電介質盡管傳導電流在界面上不連續(xù)，但全電流連續(xù) dtdEtEdtdEtEj2202211011)()(位移電流位移電流 直流電壓： 2211dEdEu56復合電介質tuedddduddtE)()(1221212212122121tuedddduddtE)()(1221112211122112)()()(1221212212121221122121dddduedduddjt57復合電介質等效電導率等效電導率 12212121)(ddddtueddtjtjj1221122121)()(雙層介質界面上自由電荷面密度雙層介質界面上自由電荷面密度 ud

26、ddttjtj211212210021)()()(58介電材料主要物理性質的測量介電材料主要物理性質的測量59測量儀器舉例測量儀器舉例606162636465666768697071Pyroelectric measurement72重要介電材料的結構重要介電材料的結構73介質的極化特性與其晶體結構的內在聯(lián)系 按照晶體對稱性，其可分為7 7大晶系大晶系，32種點群。 其中有20種點群不具有中心對稱，它們的電偶極矩可因彈性形變而改變，因而具有壓電性并稱為壓電體。 在壓電體中具有唯一極軸（又稱為自發(fā)極化軸）的10種點群可出現(xiàn)自發(fā)極化，即在無外電場存在的情況下也存在電極化。它們因受熱產(chǎn)生電荷，故稱為

27、熱釋電體。 在這些極性晶體中，因外加電場作用而改變自發(fā)極化方向的晶體便是鐵電體。因此，凡是鐵電體必然是熱釋電體，而熱釋電體也必然是壓電體。74+ + +- - - - -+ + +未加應力未加應力加應力正負電荷中心不分開，不產(chǎn)生極化加應力正負電荷中心不分開，不產(chǎn)生極化結構含有正負離子結構含有正負離子 含有對稱中心的結構含有對稱中心的結構- -75極化極化+-+ -未加應力未加應力加應力產(chǎn)生極化，加應力產(chǎn)生極化，正負電荷中心分開正負電荷中心分開不具有自發(fā)極化特性，但不具有自發(fā)極化特性，但為不對稱中心結構，在外為不對稱中心結構，在外力的作用下，產(chǎn)生極化。力的作用下，產(chǎn)生極化。76自發(fā)極化自發(fā)極化鐵

28、電體的位移性理論：鐵電體的位移性理論：自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置，使單位晶自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置，使單位晶胞中出現(xiàn)了偶極矩，偶極矩之間的相互作用使偏離平衡位置的胞中出現(xiàn)了偶極矩，偶極矩之間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新的位置上穩(wěn)定下來，同時晶體結構發(fā)生了畸變。離子在新的位置上穩(wěn)定下來，同時晶體結構發(fā)生了畸變。鈦酸鋇的結構：鈦酸鋇的結構： 鈣鈦礦型結構鈣鈦礦型結構 77等軸晶系（大于等軸晶系（大于120 oC） ： 晶胞常數(shù)：晶胞常數(shù)：a=4.01 A 氧離子的半徑：氧離子的半徑：1.32 A 鈦離子的半徑：鈦離子的半徑： 0.64 A鈦離子處于氧八面

29、體中，鈦離子處于氧八面體中，兩個氧離子間的空隙為：兩個氧離子間的空隙為：4.012 1.32= 1.37鈦離子的直徑：鈦離子的直徑：2 0.64= 1.2878結果：結果： 氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。 較高溫度時，熱振動能比較大，鈦離子難于在偏離中心的較高溫度時，熱振動能比較大，鈦離子難于在偏離中心的某一個位置上固定下來，接近六個氧離子的幾率相等，晶體保某一個位置上固定下來，接近六個氧離子的幾率相等，晶體保持高的對稱性，自發(fā)極化為零。持高的對稱性，自發(fā)極化為零。 溫度降低，鈦離子平均熱振動能降低，因熱漲落，熱振動溫度

30、降低，鈦離子平均熱振動能降低，因熱漲落，熱振動能特別低的離子占很大比例，其能量不足以克服氧離子電場作能特別低的離子占很大比例，其能量不足以克服氧離子電場作用，有可能向某一個氧離子靠近，在新平衡位置上固定下來，用，有可能向某一個氧離子靠近，在新平衡位置上固定下來，并使這一氧離子出現(xiàn)強烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著這并使這一氧離子出現(xiàn)強烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著這個方向延長，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。個方向延長，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。79 鈦、氧離子的位移鈦、氧離子的位移固固有有偶偶極極子子自發(fā)極化：自發(fā)極化：這種極化狀態(tài)并非由外電場引起，而是由晶體的內部結構引

31、起。在這類晶體中，每一個晶胞內存在有固有電矩，通常將這類晶體稱為極性晶體。 一般介電極化，是介質在外電場作用下引起，沒有外電場，這些介質的極化強度為0。80電介質材料電介質材料壓電材料壓電材料熱釋電材料熱釋電材料鐵電材料鐵電材料3232種點群種點群- - 20 20個點群具有壓電性個點群具有壓電性 10 10個含單一對稱軸，具有自發(fā)極化（熱釋電）個含單一對稱軸，具有自發(fā)極化（熱釋電） 自發(fā)極化能被電場轉向（鐵電）自發(fā)極化能被電場轉向（鐵電）818283848586871. 鐵電鐵電材料材料的鈣鈦礦結構的鈣鈦礦結構ABO3型鈣鈦礦結構鈣鈦礦結構 鈣鈦礦結構以BaTiO3的結構為代表，許多鐵電、介

32、電、壓電、光電以及高溫超導材料都具有鈣鈦礦結構，如： BaTiO3, PbZrO3(Na1/2Bi1/2)TiO3，(K1/2Bi1/2)TiO3Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O388ABO3型鈣鈦礦晶胞結構型鈣鈦礦晶胞結構 離子A、B、O的半徑RA、RB、RO滿足下列關系才能組成ABO3結構： RA+RO=2 t （RB+RO） 式中t為容差因子，可以在0.91.1范圍內，這樣A離子半徑約為1.001.40 A，B離子半徑約為0.450.75 A，氧離子半徑為1.32A89 鐵電體的定義是指在某溫度范圍內具有自發(fā)極化且極化強度可以因外電場而反向的晶體。 鐵電體

33、的兩個主要特點是：一是具有電滯回線，另一個是具有許多電疇。 鐵電晶體內自發(fā)極化一致的區(qū)域稱為電疇。鐵電體中一般包含著多個電疇。兩個相鄰電疇自發(fā)極化間的夾角可以為180或90，分別稱為180 疇和90 疇。鐵電性：在一定溫度范圍內具有自發(fā)極化，在外電場鐵電性：在一定溫度范圍內具有自發(fā)極化，在外電場作用下，自發(fā)極化能重新取向，電位移矢量與電場強作用下，自發(fā)極化能重新取向，電位移矢量與電場強度間的關系呈電滯回線特征。度間的關系呈電滯回線特征。90 電滯回線 Hysteresis loop 電疇結構 Domain structure 居里溫度 Curie temperature Tc 介電反常 Die

34、lectric anomaly鐵電體的主要特征鐵電體的主要特征911. 鐵電體的電滯回線 電滯回線是鐵電體的一個特征。它是鐵電體的極化強度P隨外加電場強度E的變化軌跡。 Ps 飽和極化飽和極化 Pr 剩余極化剩余極化 Ec 矯頑電場矯頑電場92PolarizationVoltage+VcPrPsFCDBADFACBDomain movementP = -PrP = 0P = +PsP = +PrP = -Ps Domain : the region which has the same polarity Vc (Coercive Voltage ) : the voltage where th

35、e net polarization is zero93 電滯回線表明，鐵電體的極化強度與外電場之間呈現(xiàn)非線性關系，而且極化強度隨外電場反向而反向。 極化強度反向是電疇反轉的結果，所以電滯回線表明鐵電體中存在電疇。 所謂電疇就是鐵電體中自發(fā)極化方向一致的小區(qū)域，電疇與電疇之間的邊界稱為疇壁。 鐵電晶體通常多電疇體，每個電疇中的自發(fā)極化具有相同的方向。 942 2、 電疇電疇 ferroelectricferroelectric domaindomain鐵電體內自發(fā)極化相同的小區(qū)域稱為鐵電體內自發(fā)極化相同的小區(qū)域稱為電疇電疇，電疇與電疇之間的交界稱為電疇與電疇之間的交界稱為疇壁疇壁兩種重要的疇結

36、構：兩種重要的疇結構：9090疇壁疇壁180180疇疇9596 無外加電場時，電疇在晶體中分布雜亂無章，無外加電場時，電疇在晶體中分布雜亂無章，使整個晶體表現(xiàn)為電中性，宏觀上無極性。使整個晶體表現(xiàn)為電中性，宏觀上無極性。 外電場作用時，沿電場方向極化疇長大，逆電外電場作用時，沿電場方向極化疇長大，逆電場方向的疇消失，其它方向分布的電疇轉到電場方場方向的疇消失，其它方向分布的電疇轉到電場方向，極化強度隨外加電場的增加而增加，一直到整向，極化強度隨外加電場的增加而增加，一直到整個結晶體成為一個單一的極化疇為止。個結晶體成為一個單一的極化疇為止。97 某些材料在機械力作用下產(chǎn)生變形，會引起表面帶電的

37、現(xiàn)象，而且其表面電荷密度與應力成正比，這稱為正壓電效應。 反之，在某些材料上施加電場，會產(chǎn)生機械形變，而且其應變與電場強度成正比，這稱為逆壓電效應。 正壓電效應和逆壓電效應統(tǒng)稱為壓電效應。 如果施加的是交變電場，材料將隨著交變電場的頻率作伸縮振動。施加的電場強度越強，振動的幅度越大。3 3、 壓電效應壓電效應 piezoelectric effectpiezoelectric effect 力形變電壓 正壓電效應電壓形變 逆壓電效應98電致伸縮效應電致伸縮效應 electrostrictive effect 晶體在受到外電場晶體在受到外電場E E激勵下產(chǎn)生形變激勵下產(chǎn)生形變S S，但二者呈非但

38、二者呈非線性關系，形變線性關系，形變S S與電場的平方與電場的平方E E2 2呈線性關系，即：呈線性關系，即： SESE2 2這種效應稱為這種效應稱為電致伸縮效應電致伸縮效應。與壓電效應的區(qū)別與壓電效應的區(qū)別： 壓電效應產(chǎn)生的應變與電場成正壓電效應產(chǎn)生的應變與電場成正比，當電場反向時，應變改變符號，比，當電場反向時，應變改變符號，即正向電場使材料伸長，反向電場使即正向電場使材料伸長，反向電場使材料縮短。材料縮短。 電致伸縮效應產(chǎn)生的應變與電場的電致伸縮效應產(chǎn)生的應變與電場的平方成正比，當電場反向時，應變不平方成正比，當電場反向時，應變不改變符號，即無論正向電場或反向電改變符號，即無論正向電場或

39、反向電場均使試樣伸長（縮短）。場均使試樣伸長（縮短）。994 4、熱釋電效應、熱釋電效應 pyroelectric effect 由于溫度的變化，晶體出現(xiàn)結構上的電荷中心相對位由于溫度的變化，晶體出現(xiàn)結構上的電荷中心相對位移，使自發(fā)極化強度發(fā)生變化，從而在兩端產(chǎn)生異號的束移，使自發(fā)極化強度發(fā)生變化，從而在兩端產(chǎn)生異號的束縛電荷，這種現(xiàn)象稱為縛電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應熱釋電效應。100 當晶體從高溫降溫經(jīng)過Tc時，要經(jīng)過一個從非鐵電相（有時稱順電相）到鐵電相的結構相變。溫度高于Tc時，晶體不具有鐵電性，溫度低于Tc時，晶體呈現(xiàn)出鐵電性。 通常認為晶體的鐵電結構是由其順電結構經(jīng)過微小畸變而成，

40、所以鐵電相的晶格對稱性總是低于順電相的對稱性。 如果晶體存在兩個或多個鐵電相時，只有順電-鐵電相變溫度才稱為居里點；晶體從一個鐵電相到另一個鐵電相的轉變溫度稱為相變溫度或過渡溫度。 5 5、 居里溫度居里溫度Tc Tc Curie temperature 晶體順電相晶體順電相-鐵電相的鐵電相的臨界臨界轉變溫度轉變溫度Tc稱為稱為居里溫度居里溫度101鐵電體的介電性質、彈性性質、光學性質和熱學性質等在居里點附近都要出現(xiàn)反常現(xiàn)象，其中研究的最充分的是“介電反?！?。大多數(shù)鐵電體的介電常數(shù)在居里點附近具有很大的數(shù)值，其數(shù)量級可達，104-105，此即鐵電體在臨界溫度的“介電反?！薄?當溫度高于居里點時

41、，鐵電體的介電常數(shù)與溫度的關系服從居里-外斯定律：式中：C為居里-外斯常數(shù)；T為絕對溫度；T0為順電居里溫度，或稱居里-外斯溫度。 0TTC102 BaTiO3陶瓷材料的鐵電性能在陶瓷材料的鐵電性能在1942年被人們年被人們發(fā)現(xiàn)，由于其性能優(yōu)良，工藝簡便，很快被應用發(fā)現(xiàn)，由于其性能優(yōu)良，工藝簡便，很快被應用于介電、壓電元器件。于介電、壓電元器件。1954年人工法成功制備出年人工法成功制備出BaTiO3單晶，至今，單晶，至今， BaTiO3陶瓷仍是應用的最陶瓷仍是應用的最廣泛和研究得比較透徹的一種鐵電材料。廣泛和研究得比較透徹的一種鐵電材料。BaTiO3陶瓷材料陶瓷材料103120120，立方晶

42、胞，立方晶胞00120120，四方晶胞，四方晶胞-80-8000，正交晶胞，正交晶胞-80-80，三角晶胞，三角晶胞 BaTiO3 晶體結構有立方相、四方相、斜方相和三方相晶體結構有立方相、四方相、斜方相和三方相等晶相，均屬于鈣鈦礦型結構的變體，四方相、斜方相和等晶相，均屬于鈣鈦礦型結構的變體，四方相、斜方相和三方相為鐵電相，立方相為順電相。三方相為鐵電相，立方相為順電相。BaTiO3的晶體結構的晶體結構104 105106 介電常數(shù)隨溫度的變化顯示明顯的非線性，室溫介介電常數(shù)隨溫度的變化顯示明顯的非線性，室溫介電常數(shù)一般為電常數(shù)一般為30005000，在居里溫度處（，在居里溫度處（120）發(fā)

43、生突變，可達發(fā)生突變，可達10000以上。以上。BaTiOBaTiO3 3的介電的介電- -溫度特性溫度特性107改變居里溫度使介電常數(shù)峰值處于改變居里溫度使介電常數(shù)峰值處于可利用的溫度范圍?？衫玫臏囟确秶?。摻雜摻雜SrSr2+2+取代取代BaBa2+2+可降低居里溫度?？山档途永餃囟?。摻雜摻雜PbPb2+2+取代取代BaBa2+2+則升高居里溫度。則升高居里溫度。 BaTiOBaTiO3 3的晶粒尺寸一般為的晶粒尺寸一般為3 31010mm，采用高價陽離子取代會抑采用高價陽離子取代會抑制晶體成長。如：制晶體成長。如： 摻雜摻雜LaLa3+3+取代取代BaBa2+2+或或NbNb5+5+取代

44、取代TiTi4+4+減小晶粒尺寸。減小晶粒尺寸。晶粒尺寸對晶粒尺寸對BTBT介電常數(shù)的影響介電常數(shù)的影響108在居里溫度以上，在居里溫度以上， BaTiOBaTiO3 3的介電常數(shù)隨溫度的變化遵從的介電常數(shù)隨溫度的變化遵從居里居里- -外斯定律：外斯定律：CTTTA其中：其中：A AT T為居里為居里外斯常數(shù)；外斯常數(shù)；T Tc c為居里溫度（為居里溫度（120120）TCTATTA11T1上式化為：上式化為：109表征介電常數(shù)溫度穩(wěn)定性的容溫變化率如下式所示：表征介電常數(shù)溫度穩(wěn)定性的容溫變化率如下式所示： %1002020CCCCCT其中：其中：C20為陶瓷樣品在為陶瓷樣品在20時的電容（時

45、的電容（1KHz）；）； CT為陶瓷樣品在溫度為陶瓷樣品在溫度T時的電容（時的電容（1KHz） Z5V型電容器瓷料，型電容器瓷料，1085，-56%C/C+22% Y5U型電容器瓷料，型電容器瓷料，-2585，-80%C/C+30% X7R型電容器瓷料，型電容器瓷料，-55125，-15%C/C+15% 110Type of ferroelectric structuresBi Ti OBiTiO4123BaBi Ti OBiTiOBa4415SrBi Ta O (SBT)SrBiTaO292Octahedral 2 groupOctahedral 3 groupOctahedral 4 gr

46、oupOctahedral 1 group ABO3A SiteOxygenB Siteex) Pb(TixZr1-x)O3(PZT)Bi-layer structurePerovskite structurePP111Perovskite, subsymmetry of cube (tetragonal, rhombohedral) polar, ferroelectricHigh dielectric constant (600 . 1300),Rel. high dielectric loss angle (film: 2.4 %)Rel. good insulator (Eg=3.5

47、eV) Softer, not as good rf acoustic material (losses due to domain relaxations at 100 MHz)Important Ferroelectric MaterialsRhombohedralTetragonalPbZrO3PbTiO3MPB350 oCPsacaPsa aaaCubicPerovskiteSrOTiPbOZr, Ti112 弛豫鐵電陶瓷，是鐵電材料大家族中的一重要分支，弛豫鐵電陶瓷，是鐵電材料大家族中的一重要分支，其獨特的弛豫特性將傳統(tǒng)理論認為互無聯(lián)系的弛豫現(xiàn)象和其獨特的弛豫特性將傳統(tǒng)理論認為互無聯(lián)

48、系的弛豫現(xiàn)象和鐵電現(xiàn)象聯(lián)系到一起。鐵電現(xiàn)象聯(lián)系到一起。介電常數(shù)高（介電常數(shù)高（10000100004000040000）相對低的燒結溫度（相對低的燒結溫度（12001200）電致伸縮效應大（電致伸縮效應大（ L/LL/L達達1010-3-3）剩余極化小剩余極化小電致應變滯后小電致應變滯后小容溫變化率低（容溫變化率低（10%10%）主要是含鉛的主要是含鉛的Pb(BPb(B1 1B B2 2)O)O3 3系系列復合鈣鈦礦結構材料，列復合鈣鈦礦結構材料，其中：其中：B B1 1為典型的低價陽離子，為典型的低價陽離子，如如MgMg2+2+，ZnZn2+2+，NiNi2+2+，F(xiàn)eFe3+3+，ScSc

49、3+3+等；等；B B2 2為典型的高價陽離子，為典型的高價陽離子，如如TiTi4+4+，NbNb5+5+，TaTa5+5+，W W6+6+等。等。弛豫鐵電陶瓷弛豫鐵電陶瓷113 最早發(fā)現(xiàn)的鉛系弛豫鐵電陶瓷是最早發(fā)現(xiàn)的鉛系弛豫鐵電陶瓷是Pb(Mg1/3Nb2/3)O3（簡稱簡稱PMN），），該材料于該材料于50年代由前蘇聯(lián)科學家年代由前蘇聯(lián)科學家G.A.Smolensky等人最先制備出來，此后又發(fā)展出多種復合鈣鈦礦型弛豫等人最先制備出來，此后又發(fā)展出多種復合鈣鈦礦型弛豫鐵電陶瓷材料，代表性的有：鐵電陶瓷材料，代表性的有： Pb(Zn1/3Nb2/3)O3、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3、Pb

50、(Fe1/2Nb1/2)O3、Pb(Sc1/2Ta1/2)O3（簡稱簡稱PZN、PNN、PFN、PST)等。等。 傳統(tǒng)理論認為弛豫現(xiàn)象和鐵電現(xiàn)象是互不相關的兩種現(xiàn)傳統(tǒng)理論認為弛豫現(xiàn)象和鐵電現(xiàn)象是互不相關的兩種現(xiàn)象，普通鐵電體和極性介質弛豫體是完全不同、互無聯(lián)系象，普通鐵電體和極性介質弛豫體是完全不同、互無聯(lián)系的兩大類材料。但是復合鈣鈦礦結構化合物既有明顯的鐵的兩大類材料。但是復合鈣鈦礦結構化合物既有明顯的鐵電性質，又呈現(xiàn)強烈的弛豫特點。也就是說，這一類材料電性質，又呈現(xiàn)強烈的弛豫特點。也就是說，這一類材料將正常鐵電體和極性介質弛豫體聯(lián)系起來。將正常鐵電體和極性介質弛豫體聯(lián)系起來。 114普通鐵

51、電體普通鐵電體BaTiOBaTiO3 3和弛豫鐵電體和弛豫鐵電體Pb(MgPb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3的介溫性能曲線的介溫性能曲線弛豫鐵電體與正常鐵電體相比，主要特征有：弛豫鐵電體與正常鐵電體相比，主要特征有： 彌散相變，即順電鐵電相變是逐漸的變化而非突變，表現(xiàn)為介電常數(shù)與溫度的關系曲線中介電峰的寬化，高于居里溫度附近仍存在自發(fā)極化和電滯回線； 頻率色散，即在Tm附近低溫側介電峰和損耗峰隨測試頻率的提高，而略向高溫方向移動，而介電峰值和損耗峰分別隨頻率增加而略有降低和增加。115 相變不是發(fā)生于一個溫度點，而是發(fā)生于一個溫度區(qū)間，相變不是發(fā)生于一個溫度點，而是發(fā)生于

52、一個溫度區(qū)間，因而電容率特性不顯示尖銳的峰，而呈現(xiàn)出相當寬的平緩因而電容率特性不顯示尖銳的峰，而呈現(xiàn)出相當寬的平緩的峰的峰 電容率呈現(xiàn)極大值的溫度隨測量頻率的升高而升高電容率呈現(xiàn)極大值的溫度隨測量頻率的升高而升高 電容率虛部呈現(xiàn)峰值的溫度低于實部呈現(xiàn)峰值的溫度，而電容率虛部呈現(xiàn)峰值的溫度低于實部呈現(xiàn)峰值的溫度，而且測量頻率越高，峰值差別越大且測量頻率越高，峰值差別越大Kighelman, Damjanov and N Setter, J Appl Phys 90(2001) 4684116 電容率于溫度的關系不符合居里電容率于溫度的關系不符合居里- -外斯定律，而外斯定律，而可表示為類居里可表

53、示為類居里- -外斯定律外斯定律 即使順電相具有對稱中心，在以上相當高的溫度即使順電相具有對稱中心，在以上相當高的溫度仍可觀測到壓電性和二次諧波發(fā)生等效應；仍可觀測到壓電性和二次諧波發(fā)生等效應； 有場致相變，在一定的電場強度下會出現(xiàn)鐵電相有場致相變，在一定的電場強度下會出現(xiàn)鐵電相； 有很大的電致伸縮系數(shù)，而且無明顯滯后效應。有很大的電致伸縮系數(shù)，而且無明顯滯后效應。117 典型材料：鈮鎂酸鉛典型材料：鈮鎂酸鉛 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，鈮鋅鈮鋅酸鉛酸鉛Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 ，B-位復合鈣鈦礦結構（位復合鈣鈦礦結構（complex perovskite） 鈦酸鉍鈉鈦酸鉍鈉 (

54、Na1/2Bi1/2)TiO3，A-位復合鈣鈦礦結位復合鈣鈦礦結構構 其它材料：鎢青銅結構其它材料：鎢青銅結構(tungsten bronze)118 介電 壓電 鐵電 熱釋電 電光 非線性光學介電材料的應用舉例介電材料的應用舉例119 : MLCC : : : : Applications of ferroelectric materials 高介電常數(shù)的電容器（鉛基鐵電陶瓷） 陶瓷圖像儲存-顯示器（PLZT陶瓷） 精密位移器和應力計（PMN基陶瓷）120Standard Multilayer Chip CapacitorsUp to 12 FUp to 500 VDCDielectric

55、Applications121122獨石電容器結構圖獨石電容器結構圖陶瓷介質陶瓷介質中間中間Ni電極電極底層底層Ag電極電極 PbAg內電極內電極片式結構片式結構外層純外層純Sn電極電極123IR Sensors and ferroelectric materialsRemote controlGarage openerNightvisionThermal sensor124壓電材料的應用壓電材料的應用 氣體點火器 Gas Ignitors 超聲換能器 Ultrasonic Transducers 聲頻換能器 Audio Transducers 揚聲器 Speakers 醫(yī)用超聲 Medica

56、l Ultrasound 測量器件 Measurement Devices 濾波器和諧振器 Filters and Resonators 高壓器件/變壓器 High Voltage Devices 傳感器和壓電馬達 Sensors and Actuators125壓電陶瓷材料壓電陶瓷材料126Piezoelectric Gas Ignitors壓電陶瓷廣泛用于日常生活中。用兩個直徑毫米、高毫米的壓電陶瓷柱取代普通的火石制成的氣體電子打火機,可連續(xù)打火幾萬次。利用同一原理制成的電子點火槍是點燃煤氣爐極好的用具。打火元件十年前日本攏斷世界生產(chǎn)，而今中國產(chǎn)量最大。 127在潛入深海的潛艇上,都裝有人

57、稱水下偵察兵的聲納系統(tǒng)。它是水下導航、通訊、偵察敵艦、清掃敵布水雷的不可缺少的設備,也是開發(fā)海洋資源的有力工具,它可以探測魚群、勘查海底地形地貌等。在這種聲納系統(tǒng)中,有一雙明亮的“眼睛”,壓電陶瓷水聲換能器。當水聲換能器發(fā)射出的聲信號碰到一個目標后就會產(chǎn)生反射信號,這個反射信號被另一個接收型水聲換能器所接收,于是,就發(fā)現(xiàn)了目標。目前,壓電陶瓷是制作水聲換能器的最佳材料之一。還有一種用壓電陶瓷元件制作的兒童玩具,比如在玩具小狗的腳中安裝壓電陶瓷制作的蜂鳴器,玩具就會發(fā)出逼真有趣的聲音。128 與普通電磁馬達相比，壓電馬達具有結構簡單、啟動快、體積小、功耗低等特點。另外，由于它是從電能直接轉換為機

58、械能而不通過磁電轉換，因此，不產(chǎn)生磁干擾也不怕磁干擾。它還可以低速運行而不用減速機構。這種微型電機在航空、航天、精密機械、儀器儀表、自動控制、機器人、掃描電鏡微動臺、照相機自動聚焦、磁頭移動、機動車輛刮水器和電動開關車窗等許多技術領域有廣闊的應用前景。壓電馬達壓電馬達129掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡130思考題思考題1）從介電溫譜的測量結果可以得到哪些 物理信息？2）介電極化有哪幾種類型？131Thank you very much!END132電介質材料的介電常數(shù)及損耗電介質材料的介電常數(shù)及損耗的頻率特性的頻率特性 -實驗測量測量幾種介質材料的介電常數(shù)和介質損耗角正切（tan）與頻率的關系，從而了解它們的、tan 的頻率特性。133原理原理介電常數(shù)，又稱電容率，是電位移D與電場強度E之比 = D/E ，其單位為F/m ，而相對介電常數(shù)為同一尺寸的電容器中充入電介質時的電容和不充入電介質時真空下的電容之比。介電常數(shù)小的電介質，其分子為非極性或弱極性結構，介電常數(shù)大的電介質，其分子為極性或強極性結構。 在交變電場作用下，電介質的介電常數(shù)為復數(shù)，復介電常數(shù)的實部與上述介電常數(shù)的意義是一致的，而虛部表示損耗。介質的介電損耗是指由于導電或交變