第三章_介電材料

1、一、介電材料顧文斌顧文斌電介質(zhì)功能材料電介質(zhì)功能材料介電材料介電材料鐵電材料鐵電材料壓電材料壓電材料敏感電介質(zhì)材料敏感電介質(zhì)材料電電功功能能材材料料電導(dǎo)體功能材料電導(dǎo)體功能材料導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料快離子導(dǎo)體快離子導(dǎo)體電阻材料電阻材料超導(dǎo)電體超導(dǎo)電體一、介電材料一、介電材料通常所說的電現(xiàn)象都是以材料中存在的電子、離子和空穴等載流子在電場作用下產(chǎn)生長程遷移而形成的。與此不同，存在另一類材料，即所謂的介電材料，它們是絕緣體，并不存在其中載流子在電場作用下的長程遷移，但仍然有電現(xiàn)象。這種電現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為材料中也存在荷電粒子，盡管這些荷電粒子被束縛在固定的位置上，但可以發(fā)生微小移動。這種微小移動起因于材

2、料中束縛的電荷，在電場作用下，正負束縛的電荷重心不再重合，從而引起電極化，如此將電荷作用傳遞開來。 可以說，介電材料的電學性質(zhì)是通過外界作用，其中包括電場、應(yīng)力、溫度等來實現(xiàn)的，相應(yīng)形成介電晶體、壓電晶體、熱釋電晶體和鐵電晶體，并且依次后者屬于前者的大類，其共性是在外力作用下產(chǎn)生極化。這幾類材料的屬于關(guān)系如右圖所示。1.1 1.1 介電材料（電介質(zhì)）介電材料（電介質(zhì)）介電材料又稱電介質(zhì)，是以電極化為特征的材料，是電的絕緣材料。分類：分類：氣體、液體、固體三大類。 氣體：氣體：天然電介質(zhì)：空氣 非極性電介質(zhì)：N2, He, O2, H2, CH4等 極性電介質(zhì)：HCl, NO 液體：液體：非極性

3、：苯，CCl4 弱極性：汽油，煤油，變壓器油 極性：極性：乙醇，水 固體：固體：非極性：金剛石、硫磺，聚四氟乙烯 極性：晶體，聚氯乙烯主要用途主要用途u介電材料 具有很高的電阻系數(shù)，主要的應(yīng)用是作為電的絕緣體與電容器。u絕緣體：用來隔絕電荷在電路中的傳導(dǎo)，如高壓輸電方面用的陶瓷礙子（bell）u電容器：用來儲存從電路中接收到的電荷的電子元件。極化極化(polarization)(polarization)1 1、在電場作用下，電介質(zhì)中束縛著的電荷發(fā)生位移或者極性按電場方向轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，稱為電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化。2 2、自發(fā)極化：、自發(fā)極化： 在沒有外電場作用時，晶體中存在著由于電偶極子的有序

4、排列而產(chǎn)生的極化，稱為自發(fā)極化。在垂直于極化軸的表面上，單位面積的自發(fā)極化電荷量稱為自發(fā)極化強度。單位面積的極化電荷量稱為極化強度，它是一個矢量，用P表示，其單位為C/m2。3 3、介電常數(shù)：、介電常數(shù)：表征材料極化并儲存電荷能力的物理量稱為介電常數(shù)，用表示，無量綱。介電材料的特征值介電材料的特征值：在電場作用下分子中正負電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生電偶極矩的現(xiàn)象在電場作用下，介電材料產(chǎn)生電偶極矩為分子極化率E電場Eu材料中原子核外電子云畸變產(chǎn)生的電子極化；u分子中正、負離子相對位移造成的離子極化;u分子固有電矩在外電場作用下轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向極化。無電場時施加電場時a . 電子極化b . 離子極化

5、c. 偶極子極化d. 空間電荷極化 偶極子極化：偶極子極化：由偶極分子結(jié)合成的共價化合物，偶極子在無電場時是隨機取向的，但在電場作用下，偶極子沿電場方向取向，產(chǎn)生的電極化稱作偶極極化。 無電場時施加電場時a . 電子極化b . 離子極化c. 偶極子極化d. 空間電荷極化離子化合物是由正負離子按照一定堆積方式形成的，正負離子之間依靠靜電引力形成離子鍵。離子晶體中，正負離子沒有平動和轉(zhuǎn)動，只有振動，粒子間距離雖有微動，但其方向和大小都是隨機的。因此，整體上正電和負電重心是重合在一起的，保持電中性。在電場作用下，正、負離子分別沿著不同電場方向取向，趨向于與外電場一致的方向，產(chǎn)生的極化稱作離子極化。n

6、VP極化強度極化強度P：介電材料的極化強度是單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和 極化效應(yīng)的大小通常用單位體積內(nèi)的電偶極矩或其介質(zhì)表面的極化電荷密度來衡量，稱作電極化強度P，相應(yīng)電場強度為E，那么有： P=E 式中定義為介電晶體的電極化率，決定于介電物質(zhì)的本質(zhì)。電極化率可以分解為電子極化率e、離子極化率i、偶極極化率d，總極化率是它們的總和： =e+i+d 這3種極化作用并非在任何類型的介電材料中都等額地存在。在一種類型的材料中，往往只有一種或二種極化起主導(dǎo)地位。一般說來，電子極化存在于一切類型的固體物質(zhì)中，離子極化主要存在電子極化存在于一切類型的固體物質(zhì)中，離子極化主要存在于離子晶體中，偶極極化主要存

7、在于具有永久偶極的物質(zhì)中，空間于離子晶體中，偶極極化主要存在于具有永久偶極的物質(zhì)中，空間極化則主要存在于那些結(jié)構(gòu)非理想的、內(nèi)部可以發(fā)生某種長程電荷極化則主要存在于那些結(jié)構(gòu)非理想的、內(nèi)部可以發(fā)生某種長程電荷遷移的介電物質(zhì)中。遷移的介電物質(zhì)中。例如氯化鈉晶體中存在陰離子空位時，陽離子可以優(yōu)先向負極方向遷移，因此在電極-NaCl界面處建立了一個雙電層。當然，這類效應(yīng)顯著時，則形成了導(dǎo)體或快離子導(dǎo)體，而不再是介電質(zhì)了。另外，上述4種極化率的大小程度也不相同，一般大小次序為：ei 7)大的材料稱為，而其k值比SiO2（k3.9）小的材料稱為。k的最小值為1(空氣中)，最大k值材料（鐵電體）為24700（頻率1kHz時）u高介電常數(shù)材料高介電常數(shù)材料 DRAM(動態(tài)隨機存取存儲器)上單個電容器的面積在急劇減小，解決這一問題的辦法是使用較薄的傳統(tǒng)電介質(zhì)SiO2和Si3N4。 隨著存儲器芯片（速度）超過64M（位），這一方法不再有效，因為欲達到所需元件電容量，材料需薄至1nm以下，這樣，它們（隨著現(xiàn)代存儲器芯片工作電壓的下降）就會產(chǎn)生不能承載的漏電流或嚴重的擊穿。 按電容器方程(C=S/4kd )，很明顯，只剩一個參數(shù)來調(diào)整，那就是介電常數(shù)。所以開發(fā)大介電常數(shù)材料，使電容器電介質(zhì)可維持其“堅固”的厚度，又能提供有效