材料物理-材料的介電性能.ppt

材料的介電性能,材料的所有性能，都取決于原子和電子的排布狀態(tài)。,如果外界環(huán)境波動得足夠劇烈，會擾動材料內部原子或者電子的排布。 1、施加電壓，導電材料內部的電子會發(fā)生定向遷移。,問題的引入,施加電壓，導電材料內部的電子會發(fā)生定向遷移,問題的引入,施加拉應力，材料會發(fā)生塑性變形或者斷裂,問題的引入,電阻率 導體： 10-3cm 例如：Cu10-6cm 半導體：10-2cm109cm Ge=0.2cm 絕緣體：109cm,問題的引入,如果給絕緣體施加電場，絕緣體內部的電子會不會重新排布？,問題的引入,如果施加的壓力（應變場）或者溫度（溫度場）呢？,1、介電材料在電場中的極化 2、介電材料在其它環(huán)境中的極化 3、極化機制 4、介電材料的應用,1、介電材料在電場中的極化,介電材料（dielectric material） 從英文詞意，di-有二的意思，可以理解為在外加條件下，具有兩個電荷中心的材料。當然，除了外加電場外，溫度場、應力場都會導致電荷中心一分為二-極化。,2、介電材料在其它環(huán)境中的極化,應變場中的極化-壓電效應,采用直徑為2.5毫米，高度為4毫米的壓電陶瓷，就可得到1020千伏的高電壓。,2、介電材料在其它環(huán)境中的極化,在完全黑暗的環(huán)境中，將一塊干燥的冰糖用榔頭敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬間，發(fā)出暗淡的藍色閃光，這是強電場放電所產生的閃光，產生閃光的機理是晶體的壓電效應,應變場中的極化-壓電效應,2、介電材料在其它環(huán)境中的極化,壓電效應：某些電介質，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，內部就產生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產生電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。,應變場中的極化-壓電效應,2、介電材料在其它環(huán)境中的極化,逆壓電效應：當在電介質的極化方向施加電場，這些電介質就在一定方向上產生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失的現(xiàn)象。,電能,機械能,正壓電效應,逆壓電效應,應變場中的極化-壓電效應,2、介電材料在其它環(huán)境中的極化,應變場中的極化-壓電效應,2、介電材料在其它環(huán)境中的極化,電荷對稱分布,應變場中的極化-壓電效應,2、介電材料在其它環(huán)境中的極化,電荷分布不對稱,應變場中的極化-壓電效應,2、介電材料在其它環(huán)境中的極化,應變場中的極化-壓電效應,2、介電材料在其它環(huán)境中的極化,溫度場中的極化-熱電效應,有極分子（Polar molecule） 在無外場作用下存在固有電矩 例如，H2O Hcl CO SO2 因無序排列對外不呈現(xiàn)電性。,電子云的 正電中心,極化面 電荷,取向極化,3、極化機制,電子位移極化,無極分子（Nonpolar molecule） 在無外場作用下整個分子無電矩。 例如，CO2 H2 N2 O2 He,極化面電荷,束縛電荷,3、極化機制,離子位移極化,離子在電場作用下偏移平衡位置的移動; 也可以理解為離子晶體在電場作用下離子間的鍵合被拉長, 例如堿鹵化物晶體就是如此。 由于離子質量遠高于電子質量, 因此極化建立的時間也較電子慢, 大約為10 - 12 10 - 13 s。,3、極化機制,電子弛豫極化,由于晶格的熱振動、晶格缺陷、雜質引入、化學成分局部改變等因素。使得在局部范圍內出現(xiàn)導帶，這樣一來，電子可在局部范圍內發(fā)生遷移。,3、極化機制,離子弛豫極化,在完整離子晶體中, 離子處于正常結點, 能量最低最穩(wěn)定, 它們在極化狀態(tài)時, 只能產生彈性位移, 離子仍處于平衡位置附近。而在玻璃態(tài)物質中, 結構松散的離子晶體或晶體中的雜質或缺陷區(qū)域, 離子自身能量較高, 易于活化遷移, 可以從一平衡位置移動到另一平衡位置。,3、極化機制,空間電荷極化,對金屬來說，電子被所以原子個共有，所以溶質原子、晶界等缺陷不會引起凈電荷。 對于離子晶體，各種缺陷會引起局部區(qū)域的凈電荷。,3、極化機制,空間電荷極化,離子晶體的晶界、位錯等缺陷處存在空間電荷。這些混亂分布的空間電荷, 在外電場作用下, 趨向于有序化, 即荷空間電荷的正、負電荷質點分別向外電場的負、正極方向移動, 從而表現(xiàn)為極化。,電子極化最靈敏，只要稍有風吹草動，就會做出響應,3、極化機制,極化得太過分電介質擊穿,在強電場作用下，電介質喪失電絕緣能力，電介質的電導突然增大甚至引起結構損壞或破碎，稱為介電擊穿。,熱擊穿 電擊穿 化學擊穿,3、極化機制,熱擊穿,在電場作用下，固體電介質承受的電場強度雖不足以發(fā)生電擊穿，但因電介質內部熱量積累、溫度過高而導致失去絕緣能力。 感應電荷會發(fā)生流動而消失。,電擊穿,如果電子在散射過程損失的能量，小于電場做的功。 電子的能量積累起相當大的動能，足以在電介質內部產生碰撞電離，形成電子雪崩現(xiàn)象。結果電導急劇上升，最后導致?lián)舸?3、極化機制,化學擊穿,在電場、溫度等因素作用下，固體電介質因緩慢的電化學反應，改變了電介質的組成。,固體電介質因離子電導而發(fā)生電解（離子化合物電解得到金屬），結果在電極附近形成導電的金屬樹狀物，甚至從一個電極伸展到另一個電極。結果在兩電極間構成導電的通路,3、極化機制,提高擊穿電壓措施,提高電介質材料的均勻性，使電場分布更為均勻。以免出現(xiàn)局部電壓過高的情況。,3、極化機制,4、介電材料的應用,A、電容材料 B、壓電材料 C、熱電材料 D、鐵電材料,32種點群- 20個點群具有壓電性 10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）,4、介電材料的應用,A、電容材料,I、存儲電能,電池供電穩(wěn)定，但是功率密度（爆發(fā)力）太小。所以在閃光燈中，需要利用電容來存儲能量。電容雖然爆發(fā)力很強，但是持續(xù)時間短，一閃而過。,A、電容材料,I、存儲電能,A、電容材料,I、存儲電能,A、電容材料,I、存儲電能,小型超級電容器,各種微處理機,玩具車,閃光燈,電動手工具,大型超級電容器 各種交通工具 電網UPS 醫(yī)院手術室 核反應堆控制 防護設備 航空通訊設備 無線電通訊系統(tǒng) 電力高壓開關的分合閘操作 電阻焊機及科研測試設備等,A、電容材料,I、存儲電能,根據(jù)存儲電荷的機理,超級電容器分為： A、雙電層電容器(Electrical Double LayerCapacitor, EDLC)。雙電層電容器利用電極材料和電解質界面形成的電荷分離存儲電荷。 B、準電容器(Pseudocapacitor贗電容器)。利用電化學活性物質的吸脫附或電化學氧化還原反應來存儲電荷。,A、電容材料,I、存儲電能,制備高性能的超級電容器有2個途徑: A、是增大電極材料比表面積,從而增大雙電層電容量; B、是提高電極材料的可逆法拉第反應的機率,從而提高準電容容量。 實際應用中,這2種儲能機理往往同時存在。,A、電容材料,I、存儲電能,A、電容材料,I、存儲電能,A、電容材料,：介質介電常數(shù) s ：極板面積 ：極板間距離,也可以通過減小極板間距來增加電容。,II、傳感器,A、電容材料,II、傳感器,變極距型(變間距型)電容傳感器,A、電容材料,II、傳感器,A、電容材料,II、傳感器,A、電容材料,II、傳感器,B、壓電材料,應變場中的極化-壓電效應,將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲在計算機內部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。,高分子壓電電纜的應用演示,B、壓電材料,B、壓電材料,B、壓電材料,B、壓電材料,利用逆壓電效應 將高頻交流電轉變?yōu)楦哳l聲波,B、壓電材料,壓電引爆裝置：壓電打火機的點火原理可應用于各個領域，特別是軍事領域。在反坦克炮彈上裝上壓電陶瓷元件，當炮彈擊中坦克時，陶瓷因受壓而產生高電壓，從而引燃炸藥，摧毀坦克。壓電陶瓷在非常強的機械沖擊波的作用下，儲存的能量在以微秒計的瞬間釋放出來，產生瞬間電流達10萬安培以上的高壓脈沖，可用于原子武器的引爆。,納米發(fā)電機創(chuàng)始人 （王中林）,1961年王中林出生于陜西省蒲城縣高陽鎮(zhèn)，王中林的初中和高中就是在這種大背景下度過的，三分之一的時間都在田里泡著，畢業(yè)于堯山中學。 進入大學校門的第一天，他就暗暗給自己定下一條標準，本科每門課程不能低于90分。,B、壓電材料-納米發(fā)電機,ZnO,ZnO納米線,B、壓電材料-納米發(fā)電機,氣相沉積法制作納米線,1、利用熱蒸發(fā)的方式，獲得ZnO蒸汽 2、在金納米顆粒的催化下，ZnO納米線沿垂直方向生長,B、壓電材料-納米發(fā)電機,氣相沉積工藝中，通過調節(jié)反應條件，例如溫度、氣流速度、壓強等方式可以調控納米線的形貌。,700度,750度,800度,850度,B、壓電材料-納米發(fā)電機,C、熱電材料,Seebeck效應：1823年，德國人Seebeck首先發(fā)現(xiàn)當兩種不同導體構成閉合回路時，如果兩個接點的溫度不同，則兩接點間有電動勢產生，且在回路中有電流通過，即溫差電現(xiàn)象或Seebeck效應。,I、熱電效應,C、熱電材料,I、熱電效應,Pettier效應：1834年，法國鐘表匠Pletier發(fā)現(xiàn)了Seebeck效應的逆效應，即電流通過兩個不同導體形成的接點時，接點處會發(fā)生放熱或吸熱現(xiàn)象，稱為Peltier效應。,C、熱電材料,II、研究現(xiàn)狀,C、熱電材料,II、研究現(xiàn)狀,C、熱電材料,II、研究現(xiàn)狀,增強熱電材料的熱電性能的有效方式是降低其晶格熱導率。所以在實際的實驗中往往會在材料中引入納米尺度孔洞，增強聲子散射，達到降低晶格熱導率的目的。,電導率,溫差,熱導率,空洞不能太多，也不能太少,C、熱電材料,II、研究現(xiàn)狀,不同空隙率下的熱導率,C、熱電材料,II、研究現(xiàn)狀,不同空隙率下的應力應變曲線,C、熱電材料,熱電致冷： 體積小 重量輕 結構簡單 堅固耐用 無需運動部件 無磨損 無噪音,III、應用,C、熱電材料,III、應用,C、熱電材料,美國、德國、日本、韓國等汽車公司（ GM、 BMW、HONDA、大眾、現(xiàn)代等）正在開展相關研發(fā)工作，可節(jié)省油耗5%；國內相關研究剛剛起步（上汽）,利用燃燒熱、地熱、體表溫差等熱源，為野外作業(yè)、偏遠山區(qū)、小型電器、植入式醫(yī)療器械等提供電能,III、應用,C、熱電材料,熱電偶的工作原理,熱電極A,自由端（參考端、冷端）,測量（工作端、熱端）,熱電極B,熱電勢,A,B,III、應用,D、鐵電材料,鐵電材料 ：具有自發(fā)極化，而且在一定 溫度范圍內，自發(fā)極化偶極矩能隨外施 電場的方向而改變。,推遲到磁性材料部分講解,D、鐵電材料,自發(fā)極化不是由外加引起的，它是由晶體的內部結構造成的。在此類晶體中，每個晶胞里存在固有電矩，此類晶體稱為極性晶體。 自發(fā)極化現(xiàn)象通常發(fā)生在一些具有特殊結構的晶體中。,I、自發(fā)極化與鐵電疇,D、鐵電材料,對于晶體：由于晶格的限制，取向無法隨機分布。所以在局部區(qū)域內形成鐵電疇。,I、自發(fā)極化與鐵電疇,鐵電疇,D、鐵電材料,I、自發(fā)極化與鐵電疇,對于BaTiO3，130以上，為立方結構。當溫度低于130 以后，Ba原子可以沿a（也可以是b或c）方向移動（極化）。在一個單晶內部，疇壁之間的夾角是固定的，只會出現(xiàn)90和 180 兩種情況。,D、鐵電材料,I、自發(fā)極化與鐵電疇,D、鐵電材料,I、自發(fā)極化與鐵電疇,例如：對于BaTiO3，當兩個電疇為180時。施加電場，橫向長大機制較弱。以在反向疇中形成新疇為主。,D、鐵電材料,I、自發(fā)極化與鐵電疇,電疇的觀測： 電子顯微鏡TEM 原子力顯微鏡AFM 液晶法 化學腐蝕法 粉末沉淀法 X射線形貌術 光的雙折射,D、鐵電材料,I、自發(fā)極化與鐵電疇,180疇,90疇,納米薄膜中的電疇的AFM照片,D、鐵電材料,鐵電材料（外部電場與內部電場的滯后效應） 鐵電材料并不一定含鐵，而是由于其電滯回線和鐵磁材料的磁滯回線相似。,I、自發(fā)極化與鐵電疇,D、鐵電材料,特性一 臨界溫度，即居里溫度(Tc)。溫度低于Tc時，鐵電體才表現(xiàn)鐵電性，而溫度高于Tc，鐵電體進入順電相，極化消失。 高的居里溫度，可以使得鐵電材料及其器件的處理和應用溫度范圍變得更寬。,D、鐵電材料,II、鐵電材料的特性,BaTiO3 居里溫度,替換濃度,特性二 是臨界尺寸。由于鐵電性質是一個集合效應，通常當鐵電材料的幾何尺寸超過某一個值時，才會表現(xiàn)出鐵電性，而當它的尺寸低于某一個值的時候，便不會再表現(xiàn)出鐵電特性。,D、鐵電材料,II、鐵電材料的特性,鐵電存儲器的優(yōu)點 讀寫速度快 操作電壓低 可擦寫次數(shù)多 工作溫度寬（-50-150）,D、鐵電材料,III、鐵電存儲,疲勞：晶格缺陷使得鐵電疇的翻轉變得困難。在設計電壓，部分電疇無法有效翻轉。,晶格缺陷,不同顏色區(qū)分不同電疇,D、鐵電材料,III、鐵電存儲,界面,界面電疇無法翻轉，成為死層 缺陷濃度大 界面應力,D、鐵電材料,缺陷聚集和擴散現(xiàn)象 缺陷隨著翻轉電場而遷移到界面發(fā)生界面聚集 界面元素的擴散包括兩個方面： 電極元素以雜質的形態(tài)進入鐵電層，釘扎電疇 鐵電層元素向電極層擴散，其本身因為化學劑