第三章_介電材料.ppt

1、,電介質(zhì)功能材料,介電材料 鐵電材料 壓電材料 敏感電介質(zhì)材料,電功能材料,電導(dǎo)體功能材料,導(dǎo)電材料 快離子導(dǎo)體 電阻材料 超導(dǎo)電體,介電材料 本章前幾節(jié)中討論的電現(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(chǎng)作用下產(chǎn)生長(zhǎng)程遷移而形成的。與此不同，存在另一類(lèi)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(chǎng)作用下的長(zhǎng)程遷移，但仍然有電現(xiàn)象。這種電現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因?yàn)椴牧现幸泊嬖诤呻娏Ｗ樱M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(dòng)。這種微小移動(dòng)起因于材料中束縛的電荷，在電場(chǎng)作用下，正負(fù)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(kāi)來(lái)。,可以說(shuō)，介電材料

2、的電學(xué)性質(zhì)是通過(guò)外界作用，其中包括電場(chǎng)、應(yīng)力、溫度等來(lái)實(shí)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(lèi)，其共性是在外力作用下產(chǎn)生極化。這幾類(lèi)材料的屬于關(guān)系如圖4.20所示。,第三章 介電材料（電介質(zhì)） dielectric materials,又稱(chēng)電介質(zhì)，是以電極化為特征的材料，是電的絕緣材料。 分類(lèi)：可分氣體、液體、固體三大類(lèi)。 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：非極性：苯，CCl4 弱極性：二甲苯，汽油，煤油，變壓器油 極性：乙醇，水 固體：非極性：金剛石、硫磺，聚四氟乙烯P

3、TFE 極性：晶體，聚氯乙烯 用途：主要用于制造電容器,主要用途,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。 絕緣體：用來(lái)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） 電容器：用來(lái)儲(chǔ)存從電路中接收到的電荷的電子元件。,Market impact of FE “Smart Cards” 地鐵票、行李標(biāo)簽、免接觸的信用卡等,1 極化 polarization,在電場(chǎng)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(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，稱(chēng)為電介質(zhì)的極化。,2 自發(fā)極化 spontaneous polarization,在沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí)，晶體中存在著由于電偶極子

4、的有序排列而產(chǎn)生的極化，稱(chēng)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(chēng)為自發(fā)極化強(qiáng)度。,單位面積的極化電荷量稱(chēng)為極化強(qiáng)度，它是一個(gè)矢量，用P表示，其單位為C/m2。,3 介電常數(shù) dielectric constant,表征材料極化并儲(chǔ)存電荷能力的物理量稱(chēng)為介電常數(shù)，用表示，無(wú)量綱。,介電材料的特征值 電極化：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 1.分子極化率 在電場(chǎng)作用下，介電材料產(chǎn)生電偶極矩,電場(chǎng)E,電介質(zhì)的極化有3種主要基本過(guò)程，即: 材料中原子核外電子云畸變產(chǎn)生的電子極化； 分子中正、負(fù)離子相對(duì)位移造成的離子極化; 分子固有電矩在外電場(chǎng)作

5、用下轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向極化。,1電極化現(xiàn)象 介電材料本身不荷電荷，但將其置于電場(chǎng)中，在其體積內(nèi)部和表面會(huì)感應(yīng)出一定量的電荷。這種現(xiàn)象稱(chēng)作電極化現(xiàn)象。這種極化現(xiàn)象可以分為4類(lèi)，如圖4.21所示。 電子極化 任何材料都是由原子和分子或離子構(gòu)成的。原子可以看作是由荷正電荷原子實(shí)和其外荷負(fù)電的電子云所構(gòu)成的。無(wú)電場(chǎng)時(shí)，原子時(shí)的正電重心和電子云的負(fù)電重心是重合在一起的。在電場(chǎng)存在時(shí)，正電重心和負(fù)電重心發(fā)生輕微錯(cuò)位，形成的極化稱(chēng)作電子極化。,偶極子極化 由偶極分子結(jié)合成的共價(jià)化合物，偶極子在無(wú)電場(chǎng)時(shí)是隨機(jī)取向的，但在電場(chǎng)作用下，偶極子沿電場(chǎng)方向取向，產(chǎn)生的電極化稱(chēng)作偶極極化。,離子極化 離子化合物是由正負(fù)離子

6、按照一定堆積方式形成的，正負(fù)離子之間依靠靜電引力形成離子鍵。離子晶體中，正負(fù)離子沒(méi)有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，只有振動(dòng)，粒子間距離雖有微動(dòng)，但其方向和大小都是隨機(jī)的。因此，整體上正電和負(fù)電重心是重合在一起的，保持電中性。在電場(chǎng)作用下，正、負(fù)離子分別沿著不同電場(chǎng)方向取向，趨向于與外電場(chǎng)一致的方向，產(chǎn)生的極化稱(chēng)作離子極化。,2. 極化強(qiáng)度P 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,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(lái)衡量，稱(chēng)作電極化強(qiáng)度P，相應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度為E，那么有： P=E 4.4.1 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

7、子極化率i、偶極極化率d，總極化率是它們的總和： =e+i+d 4.4.2,這3種極化作用并非在任何類(lèi)型的介電材料中都等額地存在。在一種類(lèi)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(shuō)來(lái)，電子極化存在于一切類(lèi)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(zhǎng)程電荷遷移的介電物質(zhì)中。例如氯化鈉晶體中存在陰離子空位時(shí)，陽(yáng)離子可以?xún)?yōu)先向負(fù)極方向遷移，因此在電極-NaCl界面處建立了一個(gè)雙電層。當(dāng)然，這類(lèi)效應(yīng)顯著時(shí)，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

8、小次序?yàn)椋?ei d 4.4.3,3. 靜態(tài)介電常數(shù),介電常數(shù) 表征介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下極化程度的物理量，介電常數(shù)代表了電介質(zhì)的極化程度，也就是對(duì)電荷的束縛能力，介電常數(shù)越大，對(duì)電荷的束縛能力越強(qiáng)。用表示 ，其單位是Fm-1。,介電常數(shù)的大小 用于衡量絕緣體儲(chǔ)存電能的性能. 它是兩塊金屬板之間以絕緣材料為介質(zhì)時(shí)的電容量與同樣的兩塊板之間以空氣為介質(zhì)或真空時(shí)的電容量之比。,靜態(tài)介電常數(shù)與極化強(qiáng)度P的關(guān)系為,4. 相對(duì)介電常數(shù) r (有時(shí)用或K表示),其中 是指介質(zhì)的絕對(duì)介電常數(shù), 而0 是指真空介電常數(shù) 8.8510-12 F/m,5. 動(dòng)態(tài)介電常數(shù) 實(shí)際上，介電常數(shù)并不是一個(gè)不變的數(shù)，在不同的條

9、件下，其介電常數(shù)也不相同。在交變電場(chǎng)作用下，介質(zhì)的介電常數(shù)是復(fù)數(shù)，虛數(shù)部分反映了介質(zhì)的損耗）。,極化強(qiáng)度與電場(chǎng)頻率的關(guān)系圖,6. 介電損耗 在交變電場(chǎng)中，在每秒內(nèi)，每立方米電介質(zhì)消耗 的能量稱(chēng)介電損耗,7. 電導(dǎo)率 漏電電導(dǎo)率和位移電導(dǎo)率引起,8. 擊穿電壓 電介質(zhì)承受的電壓超過(guò)一定值后，就喪失了電 介質(zhì)的絕緣性，這個(gè)電壓叫做擊穿電壓,高介電常數(shù)材料和低介電常數(shù)材料 介電常數(shù)k比Si3N4(k7)大的材料稱(chēng)為高介電常數(shù)材料，而其k值比SiO2（k3.9）小的材料稱(chēng)為低介電常數(shù)材料。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(shí)） 高介電常數(shù)材料 DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)

10、存取存儲(chǔ)器)上單個(gè)電容器的面積在急劇減小，解決這一問(wèn)題的辦法是使用較薄的傳統(tǒng)電介質(zhì)SiO2和Si3N4。隨著存儲(chǔ)器芯片（速度）超過(guò)64M（位），這一方法不再有效，因?yàn)橛_(dá)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(chǔ)器芯片工作電壓的下降）就會(huì)產(chǎn)生不能容忍的漏電流或嚴(yán)重的,擊穿，按電容器方程(C=S/4kd )，很明顯，只剩一個(gè)參數(shù)來(lái)調(diào)整，那就是介電常數(shù)。所以開(kāi)發(fā)大介電常數(shù)材料，使電容器電介質(zhì)可維持其“堅(jiān)固”的厚度，又能提供有效的電荷存儲(chǔ)，僅管其面積和存儲(chǔ)電壓在繼續(xù)下降。 低介電常數(shù)材料或稱(chēng)low-K材料 通過(guò)降低集成電路中使用介電材料的介電常數(shù)，可以降低集成電路的漏電電流及寄

11、生電容。 傳統(tǒng)半導(dǎo)體使用二氧化硅作為介電材料，二氧化硅的介電常數(shù)約為4。,鐵電材料發(fā)展歷史 166（5）5年前后 法國(guó)La Rochelled地方人 Pierre de la Seignette最早試制成功羅息鹽（RS） （酒石酸甲鈉,NaKC4H4O64H2O） Sodium Potassium Tartrate Tetrahydrate 1920年 法國(guó)人Valasek發(fā)現(xiàn)羅息鹽的 特異的 非線性介電性能，導(dǎo)致了“鐵電性”概念的出現(xiàn). 1920年成為鐵電物理學(xué)研究開(kāi)始的象征？ 目前，世界上存在200多種鐵電體,鐵電材料 ferro-electric materials 1920年Valas

12、ek(France) 酒石酸鉀鈉NaKC4H4O64H2O 所謂鐵電材料，是指材料的晶體結(jié)構(gòu)在不加外電場(chǎng)時(shí)就具有自發(fā)極化現(xiàn)象，其自發(fā)極化的方向能夠被外加電場(chǎng)反轉(zhuǎn)或重新定向。鐵電材料的這種特性被稱(chēng)為“鐵電現(xiàn)象”或“鐵電效應(yīng)”。 其特點(diǎn)是不僅具有自發(fā)極化，而且在一定溫度范圍內(nèi)，自發(fā)極化偶極矩能隨外加電場(chǎng)的方向而改變。它的極化強(qiáng)度P與外施電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系曲線如圖所示，與鐵磁材料的磁通密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線（B-H曲線）極為相似。極化強(qiáng)度P滯后于電場(chǎng)強(qiáng)度E,稱(chēng)為電滯曲線。電滯曲線是鐵電材料的特征。,即當(dāng)鐵電晶體二端加上電場(chǎng)E后，極化強(qiáng)度P 隨E 增加沿OAB曲線上升，至B點(diǎn)后P 隨E的變化呈線性(B

13、C線段)。E下降，P不沿原曲線下降，而是沿CBD曲線下降。當(dāng)E為零時(shí),極化強(qiáng)度P不等于零而為Pb,稱(chēng)為剩余極化強(qiáng)度。只有加上反電場(chǎng)EH時(shí)P方等于零,EH稱(chēng)為鐵電材料的矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度。CBDFGHIC構(gòu)成整個(gè)電滯曲線。,鐵電晶體是由許多小區(qū)域(電疇)所組成，每個(gè)電疇內(nèi)的極化方向一致，而相鄰電疇的極化方向則不同。在外電場(chǎng)作用下，極化沿電場(chǎng)方向的電疇擴(kuò)大。 在某一溫度以上，鐵電材料的自發(fā)極化即消失，此溫度稱(chēng)為居里點(diǎn)。 典型鐵電材料有：鈦酸鋇（BaTiO3）、磷酸二氫鉀(KH2PO4)等。過(guò)去對(duì)鐵電材料的應(yīng)用主要是利用它們的壓電性、熱釋電性、電光性能以及高介電常數(shù)。近年來(lái)，由于新鐵電材料薄膜工藝的發(fā)展，

14、鐵電材料在信息存儲(chǔ)、圖像顯示和全息照像中的編頁(yè)器、鐵電光閥陣列作全息照像的存儲(chǔ)等已開(kāi)始應(yīng)用。 這些材料可以是單晶、陶瓷、聚合物等。與鐵元素沒(méi)有直接關(guān)系.,DRAM 鐵電現(xiàn)象是在一種名為鈣鈦礦的材料中發(fā)現(xiàn)的，而鈣鈦礦材料的晶格點(diǎn)陣中的離子，是在某一方向上被分離成的正負(fù)離子，也就是在鈣鈦礦晶體內(nèi)部產(chǎn)生了一個(gè)電耦極子。當(dāng)給這種晶體加上一個(gè)電壓時(shí)，這些耦極子就會(huì)在電場(chǎng)作用下排列。改變電壓的方向，可使耦極子的方向反轉(zhuǎn)。耦極子的這種可換向性，意味著它們可以在記憶芯片上表示一個(gè)“信息單元”。而且，即使在電壓斷開(kāi)時(shí)，這些耦極子也會(huì)保持在原來(lái)的位置，使鐵電存儲(chǔ)器不用電就能保存數(shù)據(jù)。這與大多數(shù)計(jì)算機(jī)中使用的隨機(jī)存

15、取存儲(chǔ)器的記憶芯片明顯不同，后者需要用電才能保存數(shù)據(jù)。,電疇 ferroelectric domain,鐵電體內(nèi)自發(fā)極化相同的小區(qū)域稱(chēng)為電疇，10m； 電疇與電疇之間的交界稱(chēng)為疇壁,兩種：90疇壁和180疇壁,鐵電晶體內(nèi)自發(fā)極化一致的區(qū)域稱(chēng)為電疇。鐵電體中一般包含著多個(gè)電疇。兩個(gè)相鄰電疇自發(fā)極化間的夾角可以為180或90 ，分別稱(chēng)為180 疇和90 疇。,BaTiO3陶瓷材料的鐵電性能在1942年被人們發(fā)現(xiàn)，由于其性能優(yōu)良，工藝簡(jiǎn)便，很快被應(yīng)用于介電、壓電元器件。1954年人工法成功制備出BaTiO3單晶，至今， BaTiO3陶瓷仍是應(yīng)用的最廣泛和研究得比較透徹的一種鐵電材料。,BaTiO3陶

16、瓷材料,120，立方晶胞,6120，四方晶胞,-906，斜方晶胞,-90，三方晶胞,BaTiO3 晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的變體，四方相、斜方相和三方相為鐵電相，立方相為順電相。,BaTiO3的晶體結(jié)構(gòu),BaTiO3在室溫附近（20）為鐵電相，當(dāng)溫度高于居里溫度（120），鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤?。順電相BaTiO3的結(jié)晶學(xué)原胞如圖所示：,順電相BaTiO3的結(jié)晶學(xué)原胞,整個(gè)BaTiO3晶格可以看成是由Ba、Ti、O、O、O各自構(gòu)成的簡(jiǎn)單立方格子套構(gòu)而成。,在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，有一種非常重要的結(jié)構(gòu)-氧八面體結(jié)構(gòu)。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中氧八面體結(jié)構(gòu)和金剛石結(jié)構(gòu)中的正四面體結(jié)構(gòu)是固體物理學(xué)中兩類(lèi)非常重要的典型結(jié)構(gòu)。,BaTiO3的介電-溫度特性,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30005000，在居里溫度處（120）發(fā)生突變，可達(dá)10000以上。,世界首次實(shí)現(xiàn)硅基板上光學(xué)晶體對(duì)紅外光的傳