功能材料學_周馨我.ppt

1、功 能 材 料 學,2014年10月19號,作者：霹靂火,功能材料學,授課學期：20072008學年第2學期 考核方式：閉卷考試 學 分：3學分 授課專業(yè)：2005級無機非金屬材料專業(yè) 總學時數(shù)：48學時 理論學時：48學時 實踐學時：0學時 課堂講授：46學時 輔導答疑：2學時,教學目標及基本要求,了解和掌握電功能材料、磁功能材料、光功能材料和特種物理功能材料的組分、結構、性能和發(fā)展動向； 拓寬知識視野，提升知識層次，培養(yǎng)和提高綜合素質(zhì)和應用能力； 為相關專業(yè)課程的學習和畢業(yè)后從事功能材料的生產(chǎn)、科研和教學工作打下較堅實基礎。,教學內(nèi)容與課時分配,緒論 2學時 第一章 導電材料 4學時 第二

2、章 介電材料 2學時 第三章 壓電材料 2學時 第四章 熱電材料 2學時 第五章 光電材料 2學時 第六章 磁性材料 4學時 第七章 磁信息材料 2學時 第八章 透光和導光材料 2學時,第九章 發(fā)光材料 2學時 第十章 激光材料 2學時 第十一章 非線性光學材料 2學時 第十二章 光調(diào)制用材料 2學時 第十三章 紅外材料 2學時 第十四章 光信息材料 2學時 第十五章 隱身材料 4學時 第十六章 梯度功能材料 4學時 第十七章 納米材料 2學時 第十八章 機敏材料和智能材料 2學時 輔導答疑 2學時,教學重點,功能材料的特征和分類； 導體材料、超導材料、半導體材料； 介電材料、鐵電材料； 壓電

3、效應及壓電材料的特征值； 溫差電動勢材料、熱電導材料、熱釋電材料； 光電子發(fā)射材料、光電導材料、光電動勢材料； 軟磁材料、硬磁材料、鐵氧體； 磁記錄材料、磁泡材料、矩磁材料； 透光材料、光纖材料；,材料的發(fā)光機理、光致發(fā)光材料、電致發(fā)光材料、射線致發(fā)光材料、等離子發(fā)光材料。 激光的基本原理、激光材料； 非線性光學材料的基本原理； 電光材料、磁光材料； 紅外線的基本規(guī)律、紅外輻射材料、透紅外材料； 全息材料、光盤材料； 隱身技術、微波隱身材料、紅外隱身材料、激光、聲和多功能隱身材料； 梯度功能材料的概念、梯度光折射率材料、熱防護梯度功能材料； 納米材料的概念、納米顆粒材料； 機敏材料和智能材料的

4、概念。,教學難點,導電材料的電導率、能帶結構和導電機理； 介電材料的特征值、鐵電體的特性； 壓電效應； 溫差電動勢效應、熱電導效應、熱釋電效應； 光電子發(fā)射原理、光電導原理、光電動勢原理； 磁性材料和磁信息材料的磁滯回線及特征值；,光纖材料的傳輸原理； 材料的發(fā)光機理； 激光的基本原理、產(chǎn)生及特點； 非線性光學材料的基本原理； 電光效應、磁光效應； 紅外線的基本規(guī)律； 微波隱身原理、紅外隱身原理、激光隱身原理； 梯度功能材料的概念； 納米材料的概念和特征； 機敏材料和智能材料的概念。,主要參考書目,馬如璋等編著，功能材料學概論，冶金工業(yè)出版社，1999年。 田蒔編著，功能材料，北京航空航天大學

5、出版社，1995年。 殷景華等主編，功能材料概論，哈爾濱工業(yè)大學出版社，1999年。 郭衛(wèi)紅等編著，現(xiàn)代功能材料及其應用，化學工業(yè)出版社，2002年。 貢長生等主編，新型功能材料，化學工業(yè)出版社，2001年。,緒 論,0.1 引言 0.2 功能材料的特征和分類 0.3 功能材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 0.4 功能材料學科的內(nèi)容和相關學科,教學目標及基本要求,掌握功能材料的概念、特征和分類； 了解功能材料的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及功能材料學科的內(nèi)容和相關學科。,教學重點和難點,（1）功能材料及其主要特征 （2）功能材料的化學成分分類和物理性質(zhì)分類,緒 論,功能材料是指具有優(yōu)良的物理、化學、生物或其相互轉(zhuǎn)化的

6、功能，用于非承載目的的材料。 功能材料學科是一門新興的綜合學科。 功能材料學是功能材料學科中的一門技術基礎課。本教材主要闡述了電、磁、光和特種物理功能材料的組成、結構、性能、應用和發(fā)展動向，未涉及核、熱、聲、分離、摩擦、密封等物理功能材料，以及化學和生物等功能材料。 本教材共有緒論和18章內(nèi)容，其中15章為電功能材料，67章為磁功能材料，814章為光功能材料，1518章為隱身材料、梯度功能材料、納米材料、機敏和智能材料等特種物理功能材料。,0.1 引言,材料是現(xiàn)代科技和國民經(jīng)濟的物質(zhì)基礎。材料與信息、能源構成現(xiàn)代文明的三大支柱。 新材料技術被視為新技術革命的基礎和先導。 材料包括人類有用的各種

7、物質(zhì)。具體地說，材料是用來制造各種產(chǎn)品的物質(zhì)，這些物質(zhì)能用來生產(chǎn)和構成功能更多、更強大的產(chǎn)品。 材料按其性質(zhì)及用途可分為結構材料和功能材料兩大類。 結構材料（工程材料）是指要求強度、韌性、塑性等機械性能的材料，混凝土、木材等建筑材料是典型的結構材料。結構材料被稱為第一代材料。,功能材料的概念是美國人Morton J A于1965年首先提出來的，是指具有一種或幾種特定功能的材料，如磁性材料等，它具有優(yōu)良的物理、化學和生物功能，在物件中起著“功能”的作用。 結構材料實際上是一種具有力學功能的材料，因此也是一種功能材料。但由于對應于力學功能的機械運動是一種宏觀物體的運動，它與對應于其他功能的微觀物體

8、的運動有著顯著的區(qū)別。因此，習慣上不把結構材料包括在功能材料范疇之內(nèi)。 由于宏觀運動和微觀運動之間是相互聯(lián)系的，在適當條件下還可以互相轉(zhuǎn)化。因此，結構材料和功能材料有共同的科學基礎，有時也很難截然劃分。此外，有時一種材料可同時具有結構材料和功能材料兩種屬性，如結構隱身材料。,對功能材料的研究和應用實際上遠早于1965年，但在相當長的時間內(nèi)發(fā)展緩慢。20世紀60年代以來，功能材料得到了迅速發(fā)展，其主要原因是： 微電子、激光等各種現(xiàn)代技術的興起及其對材料的需求； 固體物理、固體化學、量子理論、結構化學、生物物理和生物化學等學科的飛速發(fā)展； 各種制備功能材料的新技術和現(xiàn)代分析測試技術在功能材料研究和

9、生產(chǎn)中的實際應用。 目前結構材料和功能材料的關系發(fā)生了根本的變化，功能材料已和結構材料處于基本同等的地位。 功能材料迅速發(fā)展是材料發(fā)展第二階段的主要標志，因此把功能材料稱為第二代材料。,0.2 功能材料的特征和分類,一、功能材料的主要特征 功能材料是指具有優(yōu)良的物理、化學和生物或其相互轉(zhuǎn)化的功能，用于非承載目的的材料。也就是指那些要求以光、電、磁、熱、聲、核輻射等特殊性能為主要功用的材料，如光導纖維、磁盤。 與結構材料相比，功能材料有以下五大主要特征： 功能對應于材料的微觀結構和微觀物體的運動。 其聚集態(tài)和形態(tài)非常多樣化。 產(chǎn)品形式主要是材料元件一體化。 是利用現(xiàn)代科學技術，多學科交叉的知識密

10、集型產(chǎn)物。 采用許多新工藝和新技術進行制備與檢測。,二、功能材料的基本分類 1、按化學成分（化學鍵）分類，可分為金屬、無機非金屬、有機高分子和復合功能材料。 2、按物理性質(zhì)分類，可分為物理（如光、電、磁、聲、熱和力學功能材料等）、化學、生物、核功能材料和特殊功能材料。 3、按聚集狀態(tài)分類，可分為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、液晶態(tài)和混合態(tài)功能材料。 4、按維度分類，可分為三維、二維、一維和零維功能材料。 5、按材料形態(tài)分類，可分為體積、膜、纖維和顆粒等功能材料。 6、按用途分類，可分為電子、航空、航天、兵工、建筑、醫(yī)藥、包裝等材料。,三、功能材料的化學成分分類 （一）功能金屬材料 1、電性材料：導電、電阻

11、、電熱、熱電材料 2、磁性材料：金屬軟磁、金屬永磁、磁致伸縮、鐵氧體磁性材料 3、超導材料：常規(guī)、高溫、其他類型的超導材料 4、膨脹材料和彈性材料：膨脹合金、彈性合金 （二）功能無機非金屬材料 1、功能陶瓷：絕緣、介電和鐵電、壓電和熱釋電、熱敏、壓敏、氣敏、濕敏、導電陶瓷 2、功能玻璃材料：光學玻璃材料、電介質(zhì)玻璃材料、光電子功能玻璃材料 3、半導體材料：硅、鍺、砷化鎵、鎵砷磷、薄膜半導體材料、非晶半導體和非晶超晶格材料,（三）功能高分子材料 1、光功能高分子材料：感光性高分子材料、光致變色高分子材料、塑料光導纖維 2、電功能高分子材料：導電、光電導、高分子壓電材料、高分子超導體、結構型高分子

12、磁性材料 3、化學功能高分子材料及其其他功能高分子（高分子液晶、高分子分離膜材料、醫(yī)用高分子） （四）功能復合材料 1、磁性復合材料 2、電性復合材料 3、梯度功能復合材料 4、隱身復合材料 5、其他功能復合材料,（五）功能晶體材料 1、光學晶體 2、非線性光學晶體：激光頻率轉(zhuǎn)換晶體、紅外非線性光學晶體、有機非線性光學晶體 3、激光晶體：摻雜型激光晶體、自激活激光晶體、色心激光晶體、半導體激光器 4、電光和光折變晶體 5、其他交互效應功能晶體：壓電晶體、聲光晶體、磁光晶體、熱釋電晶體 （六）具有特殊結構的功能材料 1、非晶態(tài)合金；2、納米結構材料；3、儲氫材料；4、薄膜功能材料；5、形狀記憶材

13、料；6、智能材料與結構；7、減振材料；8、生物醫(yī)學材料,0.3 功能材料的現(xiàn)狀和展望,功能材料迅速發(fā)展，現(xiàn)已開發(fā)的功能材料主要有： （1）單功能材料，如導電材料、光信息材料等。 （2）功能轉(zhuǎn)換材料，如壓電材料、磁光材料等。 （3）多功能材料，如防振降噪材料等。 （4）復合和綜合功能材料，如隱身材料等。 （5）新形態(tài)和新概念功能材料，如梯度材料等。 功能材料的發(fā)展趨勢可歸納為如下方面。 （1）功能化、多功能化與智能化 結構材料趨向結構功能化；功能材料趨向功能多樣化；一般功能材料向智能材料發(fā)展。,（2）材料的尺寸、規(guī)格、成品形狀與加工制作 宏觀尺寸向細觀、介觀、微觀尺寸發(fā)展；常規(guī)材料向輕、薄、細、

14、短、小、微、超寬、超大、超長、高純等特種材料發(fā)展；規(guī)則形狀向異型材發(fā)展；材料元件一體化；通過加工和熱處理，控制和改變材料組織和結構，獲得所需的性質(zhì)和功能。 （3）材料的材質(zhì)和復合 功能材料向“四高一智一集”（即：高性能、高靈敏度、高精度、高可靠性，智能化、功能集成化）的方向發(fā)展；硅材料的進一步發(fā)展；單一材質(zhì)的材料向多種材質(zhì)的材料方向發(fā)展；簡單復合材料向復雜體系復合材料的方向發(fā)展。,（4）材料的結構、組成與功能 納米材料的發(fā)展；稀土功能材料的發(fā)展；超導材料的發(fā)展。 （5）信息、生物、環(huán)境材料將成為新世紀的研究熱點 （6）關于材料的性能表征、檢測手段與專題研究 （7）改造傳統(tǒng)材料，著力新材料的規(guī)模

15、化、工程化與產(chǎn)業(yè)化 傳統(tǒng)材料向“兩高一低”發(fā)展，即高性能、高品質(zhì)和低成本；能源材料與能源產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。,0.4 功能材料學科的內(nèi)容和相關學科,功能材料學科的內(nèi)容包括以下三個方面： （1）功能材料學是研究功能材料的成分、結構、性能、應用及其間的關系，在此基礎上，研究功能材料的設計和發(fā)展途徑。 （2）功能材料工程學是研究功能材料的合成、制備、提純、改性、儲存和使用的技術和工藝。 （3）功能材料的表征和測試技術是研究一般通用的理化測試技術在功能材料上的應用和各類功能材料特征功能的測試技術和表征。,本章小結,1、功能材料及其主要特征？ 功能材料是指具有優(yōu)良的物理、化學、生物或其相互轉(zhuǎn)化的功能，用于非

16、承載目的的材料。 其主要特征：功能對應于材料的微觀結構和微觀物體的運動；其聚集態(tài)和形態(tài)非常多樣化；產(chǎn)品形式主要是材料元件一體化；是利用現(xiàn)代科學技術，多學科交叉的知識密集型產(chǎn)物；采用許多新工藝和新技術進行制備與檢測。,2、功能材料的化學成分分類和物理性質(zhì)分類？ 按化學成分（化學鍵）分類，功能材料可分為金屬、無機非金屬、有機高分子和復合功能材料。 按物理性質(zhì)分類，功能材料可分為物理（如光、電、磁、聲、熱和力學功能材料等）、化學、生物、核功能材料和特殊功能材料。,第一章 導電材料,1.1 導體材料 1.2 超導材料 1.3 半導體材料 1.4 高分子導電材料 1.5 離子導電材料,教學目標及基本要求

17、,掌握導體的能帶結構和導電機理，超導材料的特征值和超導機理，半導體的能帶結構和導電機理，離子導電材料的導電機理和特征值。 了解高分子導電材料，導體材料、超導材料、半導體材料、離子導電材料的種類、應用和發(fā)展趨勢。,教學重點和難點,（1）導體的能帶結構和導電機理 （2） Meissner效應、超導材料的特征值和超導機理 （3）半導體、本征半導體和雜質(zhì)半導體的能帶結構和導電機理 （4）離子導電材料的導電機理和特征值,第一章 導電材料,導電材料按導電機理可分為電子導電材料和離子導電材料兩大類。 電子導電材料的導電起源于電子的運動。電子導電材料包括導體、超導體和半導體。導體的電導率105S/m；超導體的

18、電導率為無限大；半導體的電導率為10-7104S/m；絕緣體的電導率10-7S/m時。導體、超導體、半導體和絕緣體的區(qū)別在于電導率、能帶結構和導電機理三方面。 電導率 =J/E 電阻率 =E/J 傳統(tǒng)的高分子材料的電導率10-20S/m。 離子導電材料的導電則主要是起源于離子的運動。其電導率最高不超過102S/m，大多100S/m。,1.1 導體材料,一、導體的能帶結構 導體的能帶結構如圖11所示，有三種結構： （a）類，未滿帶+重帶+空帶；（b）類，滿帶+空帶；（c）類，未滿帶+禁帶+空帶。,圖11 導體的能帶結構,滿帶：全部被電子占滿的能級。 空帶：未被電子占住，全部空著的能級。 未滿帶：

19、部分被電子占住的能級。 重帶：空帶與未滿帶重疊的能級。 禁帶：在準連續(xù)的能譜上出現(xiàn)能隙Eg。 價帶：原子基態(tài)價電子能級分裂而成的能帶。 導帶：相應于價帶以上的能帶（即第一激發(fā)態(tài)）。 不論何種結構，導體中均存在電子運動的通道即導帶。即（a）類的導帶由未滿帶、重帶和空帶構成；（b）類的導帶由空帶構成；（c）類的導帶由未滿帶構成。電子進入導帶運動均不需能帶間躍遷。,二、導體的導電機理 導體導電機理的經(jīng)典理論是自由電子理論，認為電子在金屬導體中運動時不受任何外力作用，也無互相作用，即金屬導體中電子的勢能是個常數(shù)。因此，可用經(jīng)典力學來導出電導率公式。 實際上，不論是金屬，還是非金屬導體中電子的運動是在以

20、導體空間點陣為周期的勢場中運動，電子的勢能是個周期函數(shù)，而不是常數(shù)，因此，它不是自由電子，這就是能帶理論。 但導體的周期勢場和變化都比電子平均動能小得多，按量子力學，可當微擾來處理，這種理論稱準自由電子理論，認為導體中的電子可看作準自由電子，其運動規(guī)律可視為和自由電子相似。,晶體中并非所有電子，也并非所有的價電子都參與導電，只有導帶中的電子或價帶頂部的空穴才能參與導電（圖12）。,根據(jù)能帶理論，金屬中自由電子是量子化的，構成準連續(xù)能譜，金屬中大量自由電子的分布服從費密狄拉克統(tǒng)計規(guī)律。,禁帶越寬，電子由價帶到導帶需要外界供給的能量越大，才能使電子激發(fā)，實現(xiàn)電子由價帶到導電的躍遷。因而，通常導帶中

21、導電電子濃度很小。 導體的Eg0eV，半導體：0Eg2eV，絕緣體Eg2eV。,圖12 半導體的能帶結構,三、導體材料的種類 導體材料按化學成分主要有以下三種： （1）金屬材料。這是主要的導體材料，電導率在107108S/m之間，常用的有銀、銅和鋁。 （2）合金材料。電導率在105107S/m之間，如黃銅、鎳鉻合金。 （3）無機非金屬材料。電導率在105108S/m之間，如石墨，C3K、C16AsF5、C24S6F5。 四、導體材料的應用 導體材料在電力、電器、電子、信息、航空、航天、兵器、汽車、儀器儀表、核工業(yè)和船舶等行業(yè)有著廣泛的用途。,1.2 超導材料,一、超導現(xiàn)象 1911年Onnes

22、 H K在研究極低溫度下金屬導電性時發(fā)現(xiàn)，當溫度降到4.20K時，汞的電阻率突然降到接近于零。這種現(xiàn)象稱為汞的超導現(xiàn)象。其后又發(fā)現(xiàn)許多元素、合金和化合物都具有超導性。從此，超導材料的研究引起了廣泛的關注，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)上千種超導材料。 二、超導體的幾個特征值 超導體的幾個特征值為臨界溫度Tc，臨界磁場強度Hc，臨界電流密度Jc。,（一）臨界溫度Tc 由圖13可見，T有特征值Tc。當TTc時，導體的0，即失去超導性。圖中汞的Tc=4.20K。,圖13 與溫度關系示意圖,某些金屬、金屬化合物及合金，當溫度低到一定程度時，電阻突然消失，把這種處于零電阻的狀態(tài)叫做超導態(tài)。有超導態(tài)存在的導體叫超導體。 超導體

23、從正常態(tài)過渡到超導態(tài)的轉(zhuǎn)變叫做正常超導轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變時的溫度Tc稱為這種超導體的臨界溫度。顯然Tc高，有利于超導體的應用。 （二）臨界磁場強度Hc 除溫度外，足夠強的磁場也能破壞超導態(tài)。使超導態(tài)轉(zhuǎn)變成正常態(tài)的最小磁場Hc(T)叫做此溫度下該超導體的臨界磁場。絕對零度下的臨界磁場記作Hc(0) 。經(jīng)驗證明Hc(T)與T具有如下關系：,超導體的HT關系如圖14所示。如果施加磁場給正處于超導態(tài)的超導體后，可使其電阻恢復正常，即磁場可以破壞超導態(tài)。也就是說，磁場的存在可以使臨界溫度降低，磁場越大，臨界溫度也越低。對于所有的金屬， HcT曲線幾乎有相同的形狀。,圖14 H與溫度關系示意圖,（三）臨界電流密度

24、Jc 實驗證明當超導電流超過某臨界值Jc時，也可使金屬從超導態(tài)恢復到正常態(tài)。Jc稱為臨界電流密度，臨界電流密度Jc本質(zhì)上是超導體在產(chǎn)生超導態(tài)時臨界磁場的電流。 若TTc并有外加磁場HHc時，Jc=f(T,H)即臨界電流密度是溫度和磁場的函數(shù)，如圖15所示。Jc實質(zhì)是無阻負載的最大電流密度。,圖15 J與溫度關系示意圖,（四）Meissner（邁斯納）效應 邁斯納和奧克森菲爾德由實驗發(fā)現(xiàn)，從正常態(tài)（圖16a）到超導態(tài)（圖16b）后，原來穿過樣品的磁通量完全被排除到樣品外，同時樣品外的磁通密度增加。不論是在沒有外加磁場或有外加磁場下使樣品變?yōu)槌瑢B(tài)，只要TTc，在超導體內(nèi)部總有B=0。,圖16 超

25、導體對磁通排斥,當施加一外磁場時，在樣品內(nèi)不出現(xiàn)凈磁通量密度的特性稱為完全抗磁性。這種完全的抗磁性即Meissner效應。 處于超導態(tài)的材料，不管其經(jīng)歷如何，磁感應強度始終為零。超導體是一種抗磁體。因此具有屏蔽磁場和排除磁通的功能。 這與完全導體的性質(zhì)迥然不同。完全導體（或無阻導體）中不能存在電場即E=0，于是有,這就是說，在完全導體中不可能有隨時間變化的磁感應強度，即在完全導體內(nèi)部保持著當它失去電阻時樣品內(nèi)部的磁場。,三、超導機理 1934年Gorter和Casimir提出的二流體模型。 金屬處于超導態(tài)時，導電電子分為兩部分：一部分為正常傳導電子nN，它占總數(shù)的1-wB=nN/n；另一部分為

26、超導電子nS，它占總數(shù)的wB=nS/n，n=nS+nN。這兩部分電子占據(jù)同一體積，在空間上互相滲透，彼此獨立地運動，兩種電子的相對數(shù)目wB與(1-wB)都是溫度的函數(shù)。 正常電子受到晶格散射做雜亂運動，所以對熵有貢獻。 超導電子處在一種凝聚狀態(tài)，即nS凝聚到某一個低能態(tài)，這是因為超導態(tài)自由能比正常態(tài)低，設這種狀態(tài)的電子不受晶格散射，又因超導態(tài)是取低能量狀態(tài)，所以對熵沒有貢獻，即它們的熵等于零。,由于超導相變是二級相變，所以超導態(tài)是某個有序化的狀態(tài)。 當溫度低于Tc時，電阻突然消失是由于出現(xiàn)超導電子，它的運動是不受阻的，金屬中如果有電流則完全是超導電子造成的。出現(xiàn)超導電子后，金屬內(nèi)就不能存在電場

27、，正常電子不載電荷電流，所以沒有電阻效應。 當T=Tc時，電子開始凝聚，出現(xiàn)有序化，而W則是有序化的一個量度，稱為有序度。溫度越低，凝聚的超導電子越多，有序化越強，到T=0時，全部電子凝聚，則有序度為1。 盡管二流體模型比較簡單，但能夠解釋許多超導現(xiàn)象。因此，是一種比較成功的唯象物理模型。由于其局限性，并不能從本質(zhì)上解決問題。,而揭示出超導電性的微觀本質(zhì)的理論是由巴丁、庫柏和施里弗三人建立的BCS理論。 BCS理論認為，在絕對零度下，對于超導態(tài)、低能量的電子仍與在正常態(tài)中的一樣。但在費米面附近的電子，則在吸引力的作用下，按相反的動量和自旋全部兩兩結合成庫柏對，這些庫柏對可以理解為凝聚的超導電子

28、。它是兩個電子之間有凈的相互吸引作用形成的電子對，形成了束縛態(tài)，兩個電子的總能量將降低。在有限溫度下，一方面出現(xiàn)不成對的單個熱激發(fā)電子，另一方面，每個庫柏對的吸引力也減弱，結合程度較差。這些不成對的熱激發(fā)電子，相當于正常電子。溫度愈高，結成對的電子數(shù)量愈少，結合程度愈差。達到臨界溫度時，庫柏對全部拆散成正常電子，此時超導態(tài)即轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。,四、超導材料的種類 已知元素、合金、化合物等超導體共有千余種，按其成分和Meissner效應可將超導材料分類如下： （一）按成分分類 1、元素超導體 已知有24種元素具有超導性。除堿金屬、堿土金屬、鐵磁金屬、貴金屬外，其它金屬元素都具有超導性。其中鈮的Tc=

29、9.26K，為最高的臨界溫度。 2、合金和化合物超導體 合金和化合物超導體包括二元、三元和多元的合金及化合物。TlRBaCuO的Tc達125K。 3、有機高分子超導體 有機高分子超導體主要是非碳高分子(SN)x。,（二）按Meissner效應分類 1、第一類超導體（軟超導體） 超導體在磁場中有不同的規(guī)律，如圖17所示，當HHc時，B=H。即在超導態(tài)內(nèi)能完全排除外磁場，且Hc只有一個值。除釩、鈮、釕外，元素超導體都是第一類超導體，它們又被稱為軟超導體。,圖17 第一類超導體的BH曲線,2、第二類超導體（硬超導體） 如圖18所示，第二類超導體的特點是：當HHc2時，B=H，磁場完全穿透。也就是在超

30、導態(tài)和正常態(tài)之間有一種混合態(tài)存在，Hc有兩個值Hc1和Hc2。鈮、釩和釕及大部分合金或化合物超導體都屬于第二類超導體，它們又被稱作為硬超導體。 第二類超導體的Tc、Hc、Jc都比第一類超導體高。,圖18 第二類超導體的BH曲線,五、超導材料的應用 超導的應用分為強電強磁和弱電弱磁兩大類。 （一）超導強電強磁應用 超導強電強磁的應用，是基于超導體的零電阻特性和完全抗磁性以及非理想第二類超導體所特有的高臨界電流密度和高臨界磁場。 （二）超導弱電弱磁的應用 以Josephson（約瑟夫森）效應為基礎，建立極靈敏的電子測量裝置為目標的超導電子學，發(fā)展了低溫電子學。超導弱電弱磁將主要應用于無損檢測、超導

31、微波器件、超導探測器、超導計算機。,1.3 半導體材料,一、半導體的能帶結構 本征半導體能帶結構如圖19所示。,圖19 本征半導體的能帶結構,下面是價帶，由于純半導體的原子在絕對零度時，其價帶是充滿電子的，因此是一個滿價帶。上面是導帶，而導帶是空的。滿價帶和空導帶之間是禁帶，由于它的價電子和原子結合得不太緊，其禁帶寬度Eg比較窄，一般在1eV左右。價帶中的電子受能量激發(fā)后，如果激發(fā)能大于Eg，電子可從價帶躍遷到導帶上，同時在價帶中留下一個空穴，空穴能量等于激發(fā)前電子的能量。,二、半導體的導電機理 半導體價帶中的電子受激發(fā)后從滿價帶躍到空導帶中，躍遷電子可在導帶中自由運動，傳導電子的負電荷。 同

32、時，在滿價帶中留下空穴，空穴帶正電荷，在價帶中空穴可按電子運動相反的方向運動而傳導正電荷。因此，半導體的導電來源于電子和空穴的運動，電子和空穴都是半導體中導電的載流子。 激發(fā)既可以是熱激發(fā)，也可以是非熱激發(fā)，通過激發(fā)，半導體中產(chǎn)生載流子，從而導電。,三、半導體的分類 （一）按成分分類 按成分可分為元素半導體和化合物半導體。元素半導體又可分為本征半導體和雜質(zhì)半導體?；衔锇雽w又可分為合金、化合物、陶瓷和有機高分子四種半導體。 （二）按摻雜原子的價電子數(shù)分類 按摻雜原子的價電子數(shù)可分為施主型（又叫電子型或n型）和受主型（又叫空穴型或p型）。前者摻雜原子的價電子多于純元素的價電子，后者正好相反。

33、（三）按晶態(tài)分類 按晶態(tài)可分為結晶、微晶和非晶半導體。,四、本征半導體 （一）本征半導體的導電機理 半導體中價帶上的電子借助于熱、電、磁等方式激發(fā)到導帶叫本征激發(fā)。滿足本征激發(fā)的半導體叫本征半導體。 本征半導體的導電載流子是由本征激發(fā)所形成的導帶中的電子和價帶中的空穴。通過載流子的運動來實現(xiàn)導電。 本征半導體的電導率應由電子運動和空穴運動兩部分引起的電導率構成，按照量子力學的微擾處理，本征半導體的電導率公式如下。你,（二）本征半導體材料的性質(zhì)和應用 1、本征半導體的性質(zhì) 本征半導體是高純度、無缺陷的元素半導體，其雜質(zhì)小于十億分之一個。 本征半導體中，主要的是硅、鍺和金剛石。金剛石可看作是碳元素

34、半導體，它的半導體性質(zhì)是1952年由Custer發(fā)現(xiàn)的。除了硅、鍺、金剛石外，其余的半導體元素一般不單獨使用，而且除了硅、鍺、硼和碲外，其余的半導體元素均有兩種或兩種以上同素異形體，只有一種是半導體。 2、本征半導體的應用 由于單位體積內(nèi)載流子數(shù)目（ni）較少，需要在高溫下工作，才大，故目前本征半導體應用不多。,五、雜質(zhì)半導體 （一）定義 將雜質(zhì)元素摻入純元素中，把電子從雜質(zhì)能級（帶）激發(fā)到導帶上或者把電子從價帶激發(fā)到雜質(zhì)能級上，從而在價帶中產(chǎn)生空穴的激發(fā)叫非本征激發(fā)或雜質(zhì)激發(fā)。這種半導體叫雜質(zhì)半導體。雜質(zhì)半導體既有雜質(zhì)激發(fā)，又有本征激發(fā)。一般雜質(zhì)半導體中摻雜雜質(zhì)的濃度很小，十億分之一即可達到

35、目的。 （二）雜質(zhì)半導體的種類 一般在A族元素中摻A族或A族元素。按摻雜元素的價電子和純元素價電子的不同進行分類，可分為n型和p型半導體：,1、n型半導體（電子型，施主型） A族元素（C，Si，Ge，Sn）中摻入A族元素（P，As，Sb，Bi）后，造成摻雜元素的價電子多于純元素的價電子，其導電機理是電子導電占主導，因而這類半導體是n型或電子型或施主型。 2、p型半導體（空穴型，受主型） A族元素摻以A族元素（如B）時，摻雜元素價電子少于純元素的價電子，它們的原子間形成共價鍵后，還缺少一個電子，從而在價帶中產(chǎn)生逾量空穴。以空穴導電為主，摻雜元素是電子受主，這類半導體稱p型或空穴型或受主型。,（三

36、）雜質(zhì)半導體的能帶結構 n型雜質(zhì)半導體的能帶結構如圖110所示。,圖110 n型的能帶結構,逾量電子處于施主能級，施主能級與導帶底能級之差為Ed，而Ed大大小于禁帶寬度Eg。因此，雜質(zhì)電子比本征激發(fā)更容易激發(fā)到導帶，而導帶在通常溫度下，施主能級是解離的，即電子均激發(fā)到導帶。Eg比Ed相差近三個數(shù)量級。,p型雜質(zhì)半導體的能帶結構如圖111所示。,圖111 p型的能帶結構,其逾量空穴處于受主能級。由于受主能級與價帶頂端的能隙Ea遠小于禁帶寬度Eg，價帶上的電子很容易激發(fā)到受主能級上，在價帶中形成空穴導電。,六、淺能級雜質(zhì)和深能級雜質(zhì) 半導體中的雜質(zhì)，按它的能級在禁帶中的位置，可分為淺能級和深能級。

37、 對于施主雜質(zhì)（ A族），其中電子擺脫束縛產(chǎn)生電離需要一定能量，這就是電離能。同樣對于受主雜質(zhì)（族）也存在一個電離能。由于這些雜質(zhì)的電離能較?。?時，就會產(chǎn)生兩個或兩個以上的解離能級。第二個或第二個以上的能級一般均在禁帶深處（0.1eV），稱為深能級，此種雜質(zhì)稱為深能級雜質(zhì)。深能級產(chǎn)生的載流子很少，而散射卻增加，因此對影響不大甚至還有所降低。,七、化合物半導體 化合物半導體的種類繁多，性質(zhì)各異，前景廣闊。 （一）化合物半導體的分類 （1）按成分可分為合金、化合物、陶瓷、高分子半導體。 （2）按摻雜原子的價電子數(shù)分為n型和p型半導體。 （3）按組分可分為二元和多元化合物半導體。 二元化合物半導體

38、有-族半導體，其化學式為AB的金屬間化合物，如GaAs、GaN等。 （二）化合物半導體材料的一些性質(zhì) 化合物半導體最突出的特點是禁帶和遷移率范圍寬，禁帶在0.130.30eV；遷移率在-7.625+0.010范圍。最有用的是以GaAs為代表的-族化合物。,八、非晶態(tài)半導體 （一）什么是非晶態(tài)半導體 非晶態(tài)物質(zhì)和晶態(tài)物質(zhì)差別在于長程無序。 （二）非晶態(tài)半導體的特點 對雜質(zhì)的摻入不敏感，具有本征半導體的性質(zhì)；非結晶性的，因此無方向性。 （三）非晶態(tài)半導體的種類 非晶態(tài)半導體按結構可分為共價鍵型和離子鍵型。 （四）非晶態(tài)半導體的應用 九、高溫半導體 目前，一般半導體的工作溫度200，而航空航天工業(yè)要

39、求500600，半導體高溫工作時易被熱擊穿和燒壞。因此，要研制Eg大和耐高溫的半導體。目前研究的有碳化硅和人造金剛石膜。,十、半導體材料的應用及新進展 半導體材料應用非常廣泛，主要用途為： 半導體材料在集成電路上的應用； 半導體材料在光電子器件、微波器件和電聲耦合器上的應用。 半導體材料在傳感器上的應用。 半導體材料的發(fā)展十分迅速，半導體的研究對象將從晶態(tài)逐步轉(zhuǎn)向非晶態(tài)，從體相轉(zhuǎn)向表面，從天然存在的材料轉(zhuǎn)向人工設計的材料。 近年對半導體物理的新發(fā)展主要有三個方面： 研究種類繁多的半導體新材料； 表面研究的蓬勃發(fā)展； 半導體結構和表面結構的計算。,1.4 高分子導電材料,高分子導電材料包括結構型

40、高分子導電材料和復合型高分子導電材料兩大類。 一、結構型高分子導電材料 結構型高分子導電材料通常簡稱導電高分子。它們是高分子本身結構或摻雜后，就可以導電的。 迄今，導電高分子已有研究的有：共軛高聚物、高分子傳荷（CT）復合物、共鹽聚合物、金屬高聚物和非碳高聚物等。 （一）共軛高聚物 1、共軛高聚物的導電機理 純的共軛髙聚物電導率大都處于絕緣體水平，只有摻雜的共軛髙聚物的電導率才能達到半導體，甚至導體的水平。,摻雜共軛聚合物的導電載流子不是電子和空穴。隨后提出了孤子理論、極化子和雙極化子理論。 （1）孤子理論。在原來的價帶和導帶之間形成孤子能級，導電載流子為荷電孤子。 （2）極化子和雙極化子理論

41、。形成極化子或雙極化子，導電載流子為極化子或雙極化子。 2、共軛髙聚物的種類 主要有聚乙炔、聚苯乙炔、聚對苯、聚苯胺、聚吡咯聚噻吩、聚丙烯腈和聚對亞苯乙烯等。 （二）高分子傳荷（CT）復合物 傳荷復合物由電子給體D和電子受體A構成DA DA DA DA型復合物，起初D和A都是低分子有機物，以后發(fā)現(xiàn)了高分子傳荷復合物 。,1、傳荷復合物的導電機理 傳荷復合物中，電子由給體D轉(zhuǎn)移到受體A，由于電荷轉(zhuǎn)移的相互作用產(chǎn)生的庫侖力和范德華力而形成穩(wěn)定的復合物。 根據(jù)電荷轉(zhuǎn)移量的大小，不同D與A組合可以得到從非離子型復合物到離子型化合物。主要取決于給體的電離能及受體的電子親和能之差。 電荷轉(zhuǎn)移比較小的非離子

42、型CT復合物導電性大多屬于半導體或絕緣體范圍。完全電荷轉(zhuǎn)移的離子型CT復合物在基態(tài)時兩個組分均為離子自由基，導電性一般較好。 2、高分子傳荷復合物的種類 主要由電子給體型聚合物如聚苯乙烯、聚萘乙烯、聚蒽乙烯、聚芘乙烯及其衍生物等和小分子電子受體如含氰和硝基的有機化合物及髙氯酸鹽組成。,（三）離子自由基鹽聚合物（共鹽聚合物） 1、導電機理 離子自由基鹽聚合物是電荷轉(zhuǎn)移型聚合物中具有較好電導率的一類，因而其導電機理與電荷轉(zhuǎn)移型聚合物類似。 2、離子自由基鹽聚合物的種類 正離子、負離子自由基鹽型聚合物。 （四）金屬髙聚物 將金屬原子引進到高分子鏈上，成為帶金屬原子的髙聚物分子鏈，稱這種髙聚物為金屬髙

43、聚物。 1、金屬髙聚物的種類 金屬共軛髙聚物：金屬引入共軛髙聚物上； 金屬非共軛髙聚物：金屬引入非共軛的髙聚物上。,2、金屬髙聚物的導電機理 金屬共軛髙聚物是由于金屬原子增加了導電通道。 金屬非共軛髙聚物是由于電子在不同金屬價態(tài)之間的躍遷以傳導電子而導電。 （五）非碳髙聚物 （六）結構型導電高分子的發(fā)展趨勢 1、可溶性導電高分子 2、自摻雜或不摻雜導電高分子 3、共混型導電高分子 4、超髙導電高分子 5、分子導電型導電高分子 6、兼光或磁的多功能導電高分子 7、導電生物高分子,二、復合型高分子導電材料 復合型高分子導電材料又叫導電高分子復合材料，是由高分子材料和各種導電物質(zhì)以均勻分散復合、層疊

44、復合或形成表面（界面）膜等方式制得的。 按高分子基體，導電高分子復合材料可分為導電橡膠、導電塑料、導電彈性體、導電涂料等。 按導電填料，導電高分子復合材料可分為金屬類填料和非金屬類填料高分子復合材料。 按導電性能，導電高分子復合材料可分為半導電性、防靜電、導電和髙導電復合材料。 復合型高分子導電材料的導電機理：導電通道學說；隧道效應學說；場發(fā)射學說。 三、高分子導電材料的應用,1.5 離子導電材料,一般具有離子結構的材料都有離子電導現(xiàn)象存在，但大部分材料的離子電導率都很低，達不到導電的要求。離子電導材料一般指的是電導率10-4S/m，且其電子電導對總電導率的貢獻可忽略不計的材料，又稱快離子導體

45、。,一、離子導電材料的導電機理 離子導電主要發(fā)生在離子固體中，離子在固體中通過晶格的缺陷（肖脫基空位、弗蘭克爾空位、間隙原子）進入穴位而發(fā)生導電，如圖112所示。,圖112 離子晶體中的缺陷,離子晶體中的熱缺陷主要有四種：正填隙離子、正空格點、負填隙離子和負空格點，以一價的離子晶體為例，正填隙離子帶電荷+e，正空格點帶電荷-e，負填隙離子帶電荷-e，負空格點帶電荷+e。設電場的方向為正。這個電場的方向是從左指向右，相反的方向為負。則電場對各種缺陷的作用力的方向，各種缺陷的運動方向，以及它們產(chǎn)生的電流方向列于下表。,由表可見，離子晶體中四種缺陷所產(chǎn)生的電流方向都是正的，即電場的方向。在無電場的情

46、況下，離子在晶體中以擴散方式取代晶格空位進行運動，這種運動是無序的，因而不給出凈的電荷流動。而各種缺陷的擴散也是無序的，因而不產(chǎn)生電流。在外電場作用下，離子取代空位沿電場方向運動的概率大大增加，如表所示，因而產(chǎn)生沿電場方向的離子電流。據(jù)此機理可導出其電導率的公式：,式中n單位體積離子的數(shù)目；z離子的價數(shù)；e電子電荷；k玻耳茲曼常數(shù)；T絕對溫度；D擴散系數(shù)。,二、離子導電材料的特征值 1、電導率 要求10-4S/cm，且e/0（為電子電導率）。 2、活化能 用的離子電導率公式為Arrhenius式：,式中0指前因子；Ea活化能；T絕對溫度；k氣體常數(shù)。 由該公式可知，Ea越小，越大，離子導電材料

47、的Ea一般小于0.5eV。,三、離子導電材料的種類 一般按離子的種類分，主要有以下幾種。 （一）銀銅離子導體 1、銀離子導體：AgI、Ag2S、Ag2Se、Ag2Te等。 2、銅離子導體：RbCu4Cl13I2和Rb4Cu16Cl13I7。 （二）鈉離子導體：-Al2O3。 （三）鋰離子導體：-硅酸鋁鋰、鎢酸鈮鋰等。 （四）氫離子導體：無機和有機氫離子導體。 （五）氧離子導體：有螢石型和鈣鈦礦型。 （六）氟離子導體：螢石結構和氟鈰礦結構型。 （七）高分子離子導體：主鏈型聚醚；聚酯型；聚亞胺型；聚醚網(wǎng)絡型；側(cè)鏈型聚醚。,四、離子導體的應用和發(fā)展趨勢 離子導體主要應用于以下幾方面： 1、固態(tài)離子選

48、擇電極 2、固體電化學器件 3、全固體電池和電色顯示器的電解質(zhì) 快離子導體的發(fā)展趨勢是： （1）研究更高離子電導率的快離子導體，目標是使室溫電導率達到102103S/cm。 （2）研究新型高分子離子導體，使其導電機制類似于無機離子導體。 （3）研究高分子單離子導體。,本章小結,1、導體的能帶結構和導電機理？ 導體的能帶結構有三類：未滿帶+重帶+空帶；滿帶+空帶；未滿帶+禁帶+空帶。 導體導電機理的經(jīng)典理論是自由電子理論，認為電子在金屬導體中運動時不受任何外力作用，也無互相作用。實際上，不論是金屬，還是非金屬導體中電子的運動是在以導體空間點陣為周期的勢場中運動，電子的勢能是個周期函數(shù)，而不是常數(shù)

49、，因此，它不是自由電子。但導體的周期勢場和變化都比電子平均動能小得多，按量子力學，可當微擾來處理，導體中的電子可看作準自由電子，其運動規(guī)律可視為和自由電子相似。,2、超導體的特征值、Meissner效應、超導機理？ 某些金屬、金屬化合物及合金，當溫度低到一定程度時，電阻突然消失，把這種處于零電阻的狀態(tài)叫做超導態(tài)。有超導態(tài)存在的導體叫超導體。 根據(jù)電阻率、外加磁場強度H、導體的電流密度J、磁感應強度B與溫度T的關系，超導體的特征值為臨界溫度Tc、臨界磁場強度Hc、臨界電流密度Jc、完全抗磁性。 不論是否有外加磁場使樣品從正常態(tài)變?yōu)槌瑢B(tài)，只要TTc，原來穿過樣品的磁通量完全被排除到樣品外，同時樣

50、品外的磁通密度增加，超導體內(nèi)部總有B=0。當施加一外磁場時，在樣品內(nèi)不出現(xiàn)凈磁通量密度的特性稱為完全抗磁性。這種完全的抗磁性即Meissner效應。,超導機理有二流體模型和BCS理論。 二流體模型認為當導體內(nèi)部存在超導電子導電和正常導電。當溫度低于Tc，導體處于超導態(tài)時，電阻突然消失是由于出現(xiàn)超導電子，它的運動是不受阻的，導體中如果有電流則完全是超導電子造成的。出現(xiàn)超導電子后，導體內(nèi)就不能存在電場，正常電子不載電荷電流，所以沒有電阻效應。 BCS理論認為，TTc，對于超導態(tài)、低能量的電子仍與正常態(tài)中的一樣。但在費米面附近的電子，則在吸引力的作用下，按相反的動量和自旋全部兩兩結合成庫柏對，這些庫

51、柏對可以理解為凝聚的超導電子。溫度愈高，結成對的電子數(shù)量愈少，結合程度愈差。達到臨界溫度時，庫柏對全部拆散成正常電子，此時超導態(tài)即轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。,3、半導體、本征半導體和雜質(zhì)半導體的能帶結構和導電機理？ （本征）半導體的能帶結構是滿（價）帶+禁帶+空（導）帶，0Eg2eV。 半導體價帶中的電子受激發(fā)后從滿帶躍到空帶中，躍遷電子可在空帶中自由運動，傳導電子的負電荷。滿帶中留下的空穴按電子運動相反的方向運動傳導正電荷。半導體的導電來源于電子和空穴的運動，電子和空穴都是半導體中導電的載流子。 半導體中滿帶上的電子借助于熱、電、磁等方式激發(fā)到導帶叫本征激發(fā)。滿足本征激發(fā)的半導體叫本征半導體。本征半導體

52、的導電載流子是由本征激發(fā)所形成的空帶中的電子和滿帶中的空穴。通過載流子的運動來實現(xiàn)導電。,n型雜質(zhì)半導體的能帶結構是滿帶+禁帶+施主能級+空帶，逾量電子處于施主能級，Ed遠小于Eg。 雜質(zhì)電子比本征激發(fā)更容易激發(fā)到空帶，躍遷電子可在空帶中自由運動，傳導電子的負電荷。n型半導體的導電主要來源于從施主能級激發(fā)到空帶上的雜質(zhì)電子的運動，電子是n型半導體中導電的主要載流子。 p型雜質(zhì)半導體的能帶結構是滿帶+禁帶+受主能級+空帶，逾量空穴處于受主能級，Ea遠小于Eg。 滿帶上的電子很容易激發(fā)到受主能級上，滿帶上留下的空穴按電子運動相反的方向運動傳導正電荷。p型半導體的導電主要來源于激發(fā)到受主能級上的電子

53、在滿帶上所留下的空穴的運動，空穴是p型半導體中導電的主要載流子。,4、離子導電材料的導電機理和特征值？ 離子導電主要發(fā)生在離子固體中，離子在固體中通過晶格的缺陷進入穴位而發(fā)生導電。離子晶體中的熱缺陷主要有四種：帶電荷+e的正填隙離子、帶電荷-e的正空格點、帶電荷-e的負填隙離子和帶電荷+e負空格點。在無電場的情況下，離子在晶體中以擴散方式取代晶格空位進行無序運動，因而不給出凈的電荷流動，即不產(chǎn)生電流。在電場作用下，離子取代空位沿電場方向運動的概率大大增加，離子晶體中四種缺陷所產(chǎn)生的電流方向都是正的，即產(chǎn)生沿電場方向的離子電流。 離子導電材料的特征值：電導率10-4S/cm，且e/0（為電子電導

54、率）；活化能Ea越小，越大，離子導電材料的Ea一般小于0.5eV。,作業(yè)1,1、功能材料及其主要特征？ 2、功能材料的化學成分分類和物理性質(zhì)分類？ 3、電子導電材料中的超導體、導體、半導體和絕緣體的區(qū)別？ 4、超導材料及其特征值？ 5、離子導電材料及其特征值？,作業(yè)1,答：導體、超導體、半導體和絕緣體的區(qū)別在于電導率、能帶結構和導電機理三方面。（1）電導率：導體的電導率105S/m；超導體的電導率為無限大；半導體的電導率為10-7104S/m；絕緣體的電導率10-7S/m。（2）能帶結構：導體和超導體的能帶結構有三類：未滿帶+重帶+空帶；滿帶+空帶；未滿帶+禁帶+空帶。半導體和絕緣體的能帶結構

55、是滿（價）帶+禁帶+空（導）帶，半導體的禁帶寬度為0Eg2eV，而絕緣體的禁帶寬度大于2eV。（3）導電機理：導體是通過自由電子的運動而導電的，導體中均存在電子運動的通道即導帶，電子進入導帶運動均不需能帶間躍遷。超導體的導電是因為超導電子的存在，它的運動是不受阻的。半導體價帶中的電子受激發(fā)后從滿帶躍到空帶中，躍遷電子可在空帶中自由運動，傳導電子的負電荷，滿帶中留下的空穴按電子運動相反的方向運動傳導正電荷；半導體的導電來源于電子和空穴的運動，電子和空穴都是半導體中導電的載流子。絕緣體不導電。,第二章 介電材料,2.1 介電材料 2.2 鐵電材料,教學目標及基本要求,掌握介電材料的特征值，鐵電體及

56、其特性。 熟悉介電材料和鐵電體的種類。 了解反鐵電體的基本概念。,教學重點和教學難點,（1）介電材料及其特征值 （2）鐵電體及其特性 （3）分子極化率、電子極化率、原子（離子）極化率和取向極化率 （4）損耗角正切 （5）電滯回線,第二章 介電材料,介電材料又叫電介質(zhì)，是以電極化為特征的材料。電極化是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。 電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象。 極化：介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點（原子、分子、離子）正負電荷重心的分離，從而轉(zhuǎn)變成偶極子。也就是說，在電場作用下，構成質(zhì)點的正負電荷沿電場方向在有限范圍內(nèi)短程移動，組成一個偶極子，如圖21所示。,

57、設正電荷與負電荷的位移矢量為l，則定義此偶極子的電偶極距,圖21 偶極子,規(guī)定其方向為負電荷指向正電荷，即電偶極距的方向與外電場E的方向一致。,2.1 介電材料,一、介電材料的特征值 1、分子極化率 在電場作用下，介電材料的分子產(chǎn)生電偶極矩，而,分子極化率一般由電子極化率e、原子（離子）極化率a和取向極化率0三部分構成：,電子極化率：在外電場作用下，原子外圍的電子軌道相對于原子核發(fā)生位移（如圖22所示），原子中的正負電荷重心產(chǎn)生相對位移，這種極化稱為電子位移極化。,圖22 電子軌道位移,根據(jù)玻爾原子模型，經(jīng)典理論可以計算出電子的平均極化率e。,離子極化率：離子在電場作用下偏移平衡位置的移動，相

58、當于形成一個感應偶極距。也可理解為離子晶體在電場作用下離子間的鍵合被拉長。圖23所示是離子位移極化的簡化模型。根據(jù)經(jīng)典彈性振動理論可以估計出離子位移極化率a,由于離子質(zhì)量遠高于電子質(zhì)量，因此極化建立的時間也較電子慢，大約為10-1210-13s。,圖23 離子位移極化的簡化模型,取向極化率：沿外場方向取向的偶極子數(shù)大于與外場反向的偶極子數(shù)，因此電介質(zhì)整體出現(xiàn)宏觀偶極距，這種極化稱為取向極化。取向極化率0,2、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：,3、靜態(tài)介電常數(shù) 靜態(tài)介電常數(shù)和極化強度p的關系為,從上式中可以看出，介質(zhì)的極化強度P越大，也越大。常用相對靜態(tài)介電常數(shù)r=/

59、0，稱為絕對介電常數(shù)。,4、動態(tài)介電常數(shù)* 電介質(zhì)分子的極化需要一定的時間，完成極化的時間叫馳豫時間，其倒數(shù)稱馳豫頻率f，電子極化的f約1015Hz，相當于紫外頻率，原子（離子）極化的f約1012Hz，處于紅外區(qū)，取向極化的在1001010Hz之間，處于射頻和微波區(qū)。,在交變電場作用下，由于電場頻率不同，極化對電場變化的反應也不同。f越大，越小，極化建立需要的：電子極化離子極化取向極化。 當f1001010Hz時，三種極化都可建立。 當1010f1013Hz時，取向極化來不及建立，只有離子極化和電子極化能建立。 當1013f1015Hz時，取向極化和離子極化均來不及建立，只有電子極化能建立，這叫極化的滯后。 極化強度與交變電場頻率的關系如圖24所示。在交變電場中，由于極化滯后，介電常數(shù)要用復數(shù)*表示，又叫動態(tài)介電常數(shù)。,式中： 為實部，即電容充電放電過程中，沒有能量損耗，=0r。 ”為虛部，即電流與電壓同相位，對應于能量損耗部分，它由復介電常數(shù)的虛部”r描述，故稱之為介質(zhì)相對損耗因子”，因”=0”r，則”稱為介質(zhì)損耗因子。,圖24 極化強度和電場頻率的關系,現(xiàn)定義,損耗角正切tan表示為獲得給定的存儲電荷要消耗的能量的大小，可以稱之為“利率”。 ”r或者r tan有時稱為總損耗因子，它是電介質(zhì)作為絕緣材料使用評價的參數(shù)。為了減少絕緣材