高介電常數(shù)電介質(zhì)

1、高介電陶瓷的介電響應(yīng)機(jī)理李濤2012.5.29 電容器的用途電容器的用途 （1）能量?jī)?chǔ)存 （2）調(diào)諧、振蕩 （3）濾波旁路一、高介電電介質(zhì)陶瓷的應(yīng)用一、高介電電介質(zhì)陶瓷的應(yīng)用陶瓷電容器（按介質(zhì)分類）鐵電陶瓷電容器反鐵電陶瓷電容器非鐵電陶瓷電容器半導(dǎo)體陶瓷電容器表層陶瓷電容器晶界層陶瓷電容器電容器的種類電解電容器有機(jī)介質(zhì)電容器無(wú)機(jī)介質(zhì)電容器可變電容器獨(dú)石電容器 云母電容器玻璃釉電容器陶瓷電容器平行板電容器示意圖無(wú)介質(zhì)0CCrVQC00有介質(zhì)VQQC0rdAC0介電常數(shù)：表征電介質(zhì)極化能力的參數(shù)介電常數(shù)：表征電介質(zhì)極化能力的參數(shù)二、電介質(zhì)的介電常數(shù)二、電介質(zhì)的介電常數(shù)I = iC0V理想電容器加上

2、交變電壓tiVV0回路電流：實(shí)際情況：物理意義：物理意義： 相對(duì)介電常數(shù)（實(shí)部和虛部）隨所加電場(chǎng)的頻率而變化。相對(duì)介電常數(shù)（實(shí)部和虛部）隨所加電場(chǎng)的頻率而變化。電介質(zhì)在恒定電場(chǎng)作用下，從建立極化到其穩(wěn)定狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間；建立電子位移極化和離子位移極化，到達(dá)其穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間約為10- 1 610- 1 2秒在無(wú)線電頻率（51012Hz以下）范圍，仍可認(rèn)為是極短的，因此這類極化又稱為無(wú)慣性極化或瞬時(shí)位移極化；這類極化幾乎不產(chǎn)生能量損耗；偶極子轉(zhuǎn)向極化和空間電荷極化，在電場(chǎng)作用下則要經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間（10-10秒或更長(zhǎng)）才能達(dá)到其穩(wěn)態(tài)，所以這類極化稱為有慣性極化或馳豫極化；這種極化損耗能量

3、；三、鐵電體BaTiO3的極化機(jī)理 一般鐵電體的晶體結(jié)構(gòu)和成鍵特點(diǎn)和電子分布 BaTiO3 的電子構(gòu)型 BaTiO3極化特性的解釋 對(duì)居里點(diǎn)的解釋 電滯出現(xiàn)的條件 外來(lái)離子的影響 BaTiO3晶體結(jié)構(gòu) 一般鐵電體的晶體結(jié)構(gòu)：一般為層狀鈣鈦礦型。 鐵電體的成鍵特點(diǎn)和電子分布：正離子一般為多層多電子型，以較弱的離子鍵成鍵。 Ti-O-Ti以網(wǎng)格狀分布與一層中，Ba離子單獨(dú)于一層中。（見(jiàn)圖）離子位移極化離子位移極化621062106262255444333221PSdPSdPSPSS6262233221PSPSSBa正離子:Ti正離：O負(fù)離子：622221PSSE作用下電子的偏移 Ba離子核外空軌道

4、：4f.5p.5d.6S。能量均較低，可以比較容易地容納電子。Ti-O-Ti層電子的丟失 ：Ba外層電子軌道俘獲從Ti-O-Ti層偏移來(lái)電子 電滯（Pr）出現(xiàn)：電子在Ba層中的滯留 BaTiO3 的電子構(gòu)型正反電滯的出現(xiàn)：BaTiO3晶體層狀對(duì)稱性，反向電場(chǎng)(-E)使電子偏向Ti-O-Ti層另一側(cè)的Ba層，表現(xiàn)為反向的電滯（-Pr）。Pr的出現(xiàn)使電滯回線不再沿開(kāi)始的極化曲線返回原點(diǎn) T(K)150200250300350400020004000600080001000010kHz Heating10kHz CoolingGGreremv0202214456BaTiO3的居里溫度：鐵電體向順電體

5、轉(zhuǎn)變的溫度。對(duì)居里點(diǎn)得解釋：對(duì)居里點(diǎn)得解釋：電子的能量也可以依靠熱運(yùn)動(dòng)來(lái)獲得。一定的溫度使得Ba的外層電子軌道無(wú)法再俘獲外來(lái)的電子，使得極化不再出現(xiàn)，這一溫度叫居里點(diǎn)。利用經(jīng)典的方法： 可見(jiàn) 越大居里點(diǎn)越高。當(dāng)然這只是一種趨向，不能由此計(jì)算居里點(diǎn)（經(jīng)典理論不適用于原子尺寸）。rn電滯出現(xiàn)的條件： 溫度在居里點(diǎn)以下 正離子為多質(zhì)子核，且n/r 足夠大 正離子核外有空的且能級(jí)比較低的軌道 負(fù)離子為非強(qiáng)電負(fù)性 晶體結(jié)構(gòu)為對(duì)稱的層狀結(jié)構(gòu) 如在Ba層中引入結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的離子如：La系，由于La系有(n-2)f,(n-1)d等能級(jí)更低的軌道，故電滯Pr較大；若在Ti-O-Ti層中引入La等，則電子不易偏向

6、Ba層，從而使Pr更小。（圖）。二、CCTO及陶瓷的介電、壓敏特性CCTO晶體結(jié)構(gòu)1. CCTO陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)非鐵電體非鐵電體無(wú)相變（目前未發(fā)現(xiàn)）無(wú)相變（目前未發(fā)現(xiàn)）極化主要是空點(diǎn)電荷極化極化主要是空點(diǎn)電荷極化2001年，Ramirez 和 Subramanian 等人發(fā)現(xiàn)具有類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CaCu3Ti4O12（CCTO）具有優(yōu)異的介電性能 u 介電常數(shù)高，可達(dá)105以上u 介電常數(shù)在100K600K范圍 幾乎不隨溫度而變化u 工藝簡(jiǎn)單，空氣中一次燒成u 無(wú)相變發(fā)生2.CCTO 陶瓷的介電性能陶瓷的介電性能3.優(yōu)良的壓敏特性優(yōu)良的壓敏特性 壓敏電阻器是一種具有瞬態(tài)電壓抑制功能的元件，可以用來(lái)代替瞬態(tài)抑制二極管、齊納二極管和電容器的組合。壓敏電阻器可以對(duì)IC及其它設(shè)備的電路進(jìn)行保護(hù)，防止因靜電放電、浪涌及其它瞬態(tài)電流（如雷擊等）而造成對(duì)它們的損壞。 （1）.壓敏電阻壓敏電阻“壓敏電阻是中國(guó)大陸的名詞，意思是在一定電流電壓范圍內(nèi)電阻值隨電壓而變，或者是說(shuō)電阻值對(duì)電壓敏感的阻器。相應(yīng)的英文名稱叫“Voltage Dependent Resistor” 3.CCTO 陶瓷的壓敏特性陶瓷的壓敏特性 非線性系數(shù)a是表征壓敏電阻器壓敏性能好壞的重要參數(shù)。 2004年S.Chung等人發(fā)現(xiàn)CCTO陶瓷樣品在 5100mA 的范圍內(nèi)測(cè)得的非線性系數(shù)a高達(dá)912。 200