納米級電介質(zhì)的主要特征(1)

1、納米級電介質(zhì)的主要特征- 界面摘要有人認(rèn)為，電介質(zhì)粒子的行為，因?yàn)樗麄冊谕ㄟ^規(guī)?？s水微米級到納米級時(shí)，由性質(zhì)越來越多的占主導(dǎo)地位他們與環(huán)境的界面。決定這些界面的結(jié)構(gòu)各種原子和分子間力的電性質(zhì)都通過特別強(qiáng)調(diào)它們的的審查。許多在被動和動態(tài)的介電性能可溯源到納米界面性能的情況下予以考慮。它也表明，這種界面是納米級機(jī)電（NEM）系統(tǒng)，集體行動也是在宏觀系統(tǒng)解釋壓電性。界面自然納米實(shí)體必須在納米技術(shù)未來發(fā)展的重要作用。在生命系統(tǒng)的中無處不在雇傭注意到和比較，表明協(xié)同機(jī)會。關(guān)鍵詞 - Nanodielectrics，復(fù)合材料，界面，界面張力，雙層，界面的介電元件，NEM，壓電性。1. 簡介科學(xué)文化的發(fā)展中

2、，制度和制度要素的屬性被認(rèn)為是在納米尺度快速地增長。在一開始，但是，它可以說，很多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，如果不整，已經(jīng)牢固建立在納米，確實(shí)是子納米概念。特別是化學(xué)和很多生物和物理都基于我們認(rèn)為在規(guī)模小的分子和原子水平的屬性詞匯。在這些已建立的科學(xué)不過元素的屬性通常集成在宏觀量達(dá)到解釋的宏觀性質(zhì)。經(jīng)典的電介質(zhì)的情況，例如，是要考慮的分子的性質(zhì)ZA偶極子納米概念。并適當(dāng)?shù)乜偨Y(jié)他們獲得的介電常數(shù)ZA宏觀的概念。納米科學(xué)和技術(shù)的新發(fā)展停止短的最終整合，并考慮哪些特殊的性能是目前在納米級水平，以及他們可能如何被利用。這是一個(gè)在量子和連續(xù)的科學(xué)之間的中觀世界。在電介質(zhì)的情況下，這項(xiàng)工作涉及到基本單元，如大分子，單

3、層和膜和納米和mesometric粒子的性質(zhì)。造型設(shè)備和渺小的這個(gè)命令的系統(tǒng)元素意味著，他們開始采取在日常的現(xiàn)實(shí)，但實(shí)際上這與常規(guī)經(jīng)驗(yàn)相距甚遠(yuǎn)。這是驚人的表現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)將1g100納米直徑的球形鋁粒子就足以提供每個(gè)人今天活著約3×105粒子和一個(gè)3納米簇直徑比一個(gè)句號在打印一個(gè)典型的線路更小的106倍。不過，在這些方面的集成電路設(shè)備，甚至更小的常規(guī)使用在無數(shù)的數(shù)字。為電介質(zhì)的系統(tǒng)，其中的長度尺度是下面200納米左右。納米電介質(zhì)W1X或nanodielectrics，介電元件之間的表面和界面，自己納米尺寸，越來越突出。微觀和宏觀世界的正常標(biāo)度律不再能夠用于預(yù)測性能和力，如常見于膠體系統(tǒng)接管

4、。由于界面主宰介質(zhì)的情況下在這個(gè)水平，nanodielectrics和界面成為不可分割的。在平衡電界面一個(gè)特點(diǎn)是，他們很可能會承受較大的電場。但是很少承認(rèn)是從機(jī)械力和化學(xué)和熵產(chǎn)生的梯度在其中等互動領(lǐng)域的存在。這些都得到了很好的強(qiáng)調(diào)不過在目前的在配置和訂購的界面組合場中生命系統(tǒng)的細(xì)胞內(nèi)外界面的情況下產(chǎn)生的離子和分子生命的必要通量。 分子組織和非炫酷對稱性，這是電介質(zhì)界面的共同特點(diǎn)和性質(zhì)，從這些它派生，使他們成為對感測和轉(zhuǎn)換角色有吸引力的候選人。MEMS和NEMS機(jī)電問世在微納米尺度器件凸顯認(rèn)可的界面技術(shù)可開發(fā)的潛力。在下面的界面介電特性進(jìn)行審查，并在他們的系統(tǒng)在規(guī)模小的納米尺度的主導(dǎo)地位將被強(qiáng)調(diào)

5、。2. 納米級條件考慮設(shè)立兩個(gè)其他材質(zhì)均勻階段A和B之間的界面。在兩相系統(tǒng)中的每個(gè)原子或分子會與周邊平衡通過套短和長程力。深藏在每個(gè)階段的勢力，雖然在原子間距波動，基本上是恒定的并且相位的特性。與其它相的界面但是接近它們將變得越來越修改。超過該力是從“散裝”的值不同的范圍定義了一個(gè)界面AB與力有關(guān)的任何性能的強(qiáng)度I會改變。界面的范圍，由I的變化定義并取決于有利的性能。這可能是該系統(tǒng)中，諸如分子，原子或離子物種或電子濃度的成分的濃度，但也可以是任何物理或化學(xué)性能如能量密度或電介質(zhì)極化。一個(gè)密集的屬性I1的更新可能被作為如圖1所示，其中它從一個(gè)值I1A在甲由于I1的在其甲限制的漸近性質(zhì)改變?yōu)镮1B

6、在B，歷經(jīng)其通常不明確的有效距離t1和B。一個(gè)組成部分，它是有點(diǎn)表面活性的性質(zhì)，可能是由具有不同輪廓和厚度t2 I2來表示。（因?yàn)閺腁的屬性，以那些B的轉(zhuǎn)變發(fā)生在一個(gè)有限的物理區(qū)域AB界面或許應(yīng)該被稱為相間，但前者是比較常見的名字。）有效厚度可以小于1納米，如果只有短程力存在，但多達(dá)10納米或更大，如果界面被充電。圖1是一些常見情況的概括。一個(gè)例子將是一個(gè)金屬 - 電介質(zhì)接觸，其中該屬性是自由電子的濃度。其他可能是在半導(dǎo)體pn結(jié)的電子或空穴濃度，穿過一個(gè)硅二氧化硅中的氧濃度接觸或在一種氧化的金屬如鋁的表面。另一個(gè)是將水分子或離子中的一個(gè)絕緣層 - 空氣界面的濃度。非電氣的情況可能是機(jī)械應(yīng)力或界

7、面（表面）的能量。圖1表示沿特定正常條件到界面和如果作為很可能在許多情況下，有是變化的結(jié)構(gòu)在界面的橫向面積這些都可以在所選擇的正常強(qiáng)烈依賴。因而雖然界面納米的法線方向，它是在界面面廣泛，所以定義與特性由不同的散裝的片狀A(yù)B區(qū)域A或B，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦翁卣?。這個(gè)橫向準(zhǔn)相位已接收相對較少的關(guān)注，但其性能可能在某些顯著情況是重要的，這將在下面討論。界面性質(zhì)日益凸顯，如果A相為有限大小的顆粒，并經(jīng)B與它們之間的AB界面包圍4。這是一個(gè)復(fù)合電介質(zhì)的情況，正如圖2所示，總界面貢獻(xiàn)可以變得非常顯著隨著粒徑減小。如果接口只有短程力量決定，并0.5納米厚，其量超過當(dāng)粒徑減小到低于5nm的整個(gè)的50。如果該接口擴(kuò)

8、展到10nm或更大，因?yàn)樗鼈兛赡軙霎?dāng)界面被充電時(shí)，它們將成為主導(dǎo)，當(dāng)d小于100納米。很顯然界面的性質(zhì)可以強(qiáng)烈地影響復(fù)合材料的整體介電性能。這是一種情況完全不同于一個(gè)假設(shè)在傳統(tǒng)的麥克斯韋 - 瓦格納處理這些系統(tǒng)。各種復(fù)合的情況下可以得到承認(rèn)。微粒A可以是固體，液體或氣體浸沒介質(zhì)可以是固體，液體或氣體相。許多這些組合將如下所述表現(xiàn)出膠體性質(zhì)的特殊功能。他人其中B為固相可以在制備過程中要經(jīng)過的膠體形式。圖3顯示了從在納米系統(tǒng)有限維的界面的存在而產(chǎn)生的另一個(gè)重要特征。由于顆粒在縮小尺寸和更多的粒子來存在于界面態(tài)從大量力不同界面力的影響下的元素的屬性典型的大部分A的將逐漸喪失。兩種截然不同的例子，它

9、說明了這種情況，都值得詳細(xì)描述。在第一階段，即所謂的量子點(diǎn)5，這個(gè)功能是由顆粒大小來調(diào)整發(fā)光。在硒化鎘晶體的價(jià)帶和導(dǎo)帶的數(shù)目和電子能態(tài)的分布開始取決于晶體大小時(shí)，它是小于10納米。作為原子被除去的頻帶不再狀態(tài)的連續(xù)體和由量子化能級被替換和帶隙增大。當(dāng)適當(dāng)?shù)赜肬V光照射這些小晶體或“量子點(diǎn)”的發(fā)光的顏色變成直接相關(guān)的大小，從紅色變?yōu)樗{(lán)色，當(dāng)尺寸從6納米縮小到2納米。不必要的特征是，一些被吸收的紫外線能量的劣化在通過電子 - 聲子相互作用和熱輻射到周圍環(huán)境的界面。這成為隨著粒徑的縮小更加嚴(yán)重，但可以通過涂覆顆粒硫化鋅它修改的界面的原子環(huán)境被反擊。第二個(gè)非常不同的界面影響的例子是出現(xiàn)在下一代微電子硅

10、集成電路技術(shù)的發(fā)展中。對于不斷增加的電路密度的需求，需要晶體管尺寸縮小，但后果是再該減少的信道長度和柵極電介質(zhì)區(qū)域是必需的。后者是特別麻煩的，因?yàn)樗档土似骷碾娙莺拖拗乞?qū)動電流，這是不可接受的。情況可能通過降低柵極電介質(zhì)的厚度來補(bǔ)救對付面積減小，但這種介質(zhì)對柵極和硅通道的接口，那么變得越來越占優(yōu)勢。該情況示于圖4。在SiO2柵極電介質(zhì)界面與多晶硅在一側(cè)上的柵極和在另一硅襯底的場致通道?！吧⒀b”的完全絕緣帶隙的SiO2要求至少2細(xì)胞單層的氧化物存在，厚度為0.35至0.4納米。在從Si溝道小于這個(gè)距離有氧原子不足和氧化物的帶隙被降解。在界面上出現(xiàn)類似情況的多晶硅柵。對于氧化層厚度小于這個(gè)結(jié)果將

11、是道和澆口之間的有效短。由于電荷的兩個(gè)質(zhì)心與在溝道的柵極和反相層相關(guān)聯(lián)的分別增加多達(dá)0.40.6毫微米的電厚度，柵極系統(tǒng)保持絕緣完整性的有效最小寬度變?yōu)榧s1.4納米。替代電介質(zhì)具有較高的介電常數(shù)（例如氧化鋁或二元氧化物，例如氧化鋯的SiO 2）。正在考慮中，但此功能必須通過密切與界面相關(guān)的因素進(jìn)行平衡。電介質(zhì)必須具有低的缺陷濃度，誘導(dǎo)一些界面狀態(tài)和穩(wěn)定，反應(yīng)性與硅接觸。來控制漏電流和擊穿它也有以提供大的障礙，電子隧穿穿過界面。目前鈦酸鍶表明承諾，生產(chǎn)與Si和電子能量勢壘大于1.2電子伏特的突然兩顆原子彈層接口7。對于需要高permittivy柵介質(zhì)的對比生動地與另一個(gè)同樣舉足輕重的要求微電子的

12、未來，互連延遲時(shí)間即減少。電介質(zhì)與整體介電常數(shù)要求小于2 8?；谏婕坝袡C(jī)-無機(jī)聚合物，各種溶膠-凝膠系多孔系統(tǒng)硅與孔徑大小在納米級范圍內(nèi)被考慮，因?yàn)橛型耆挠袡C(jī)聚合物。周期性介孔有機(jī)硅酸酯與介電常數(shù)低至2是有希望的候選9。這些是上述（圖2）所討論的兩相體系的實(shí)例。其中A相現(xiàn)共有在矩陣B持有的空隙。納米孔隙復(fù)合材料界面性能的充分利用需要訪問空隙，這使孔隙連通成為一個(gè)關(guān)鍵因素。這種情況是由沸石例證10。這些都是基于SiO44-和具有納米尺寸的空腔AlO4 4-四面體的三維蜂窩狀結(jié)構(gòu)成分子陽離子可以通過連接的納米尺寸的通道也被吸附。許多吸附劑之中，水具有這些材料具有強(qiáng)親和力的事實(shí)，暗示，以及作為強(qiáng)

13、大的吸附劑，它們具有潛在的能夠承載活性介質(zhì)分子的復(fù)合物。3 界面力強(qiáng)度的空間變化我一個(gè)組成部分的屬性（圖1）來自原子和分子間力的網(wǎng)絡(luò)中的變化會W11X從A相到B相通過接口AB。這些力有幾種。有硬核力，是非常短的范圍內(nèi)，量子力學(xué)和排斥性的。它們產(chǎn)生于單個(gè)原子的電子云重疊的相互作用。所有其他的力是涉及負(fù)電子和系統(tǒng)的陽性細(xì)胞核基本上吸引力/排斥力的靜電相互作用。他們采取的形式取決于單個(gè)原子或分子是否是中性的或有凈電荷，使它們成為供體或受體離子。中性形式的電子和原子核中的分子或原子的任何不對稱分布將產(chǎn)生多極勢力的偶極子元件將成為主導(dǎo)。幾種相互作用是可能的。離子之間的力是強(qiáng)的庫侖和遠(yuǎn)距離。當(dāng)永久偶極子的

14、存在將有弱iondipole和偶極 - 偶極力和各種離子和偶極誘導(dǎo)偶極力量。德拜和Keesom力12是這一類。所有的偶極相關(guān)的偏光力是溫和的范圍內(nèi)，一般有吸引力在自然界中和被統(tǒng)稱為范德華力。一個(gè)特別的短程靜電力，但是特殊結(jié)構(gòu)的重要性高度定向的，因此，是一種給予體（一個(gè)氫氣原子共價(jià)鍵合到電負(fù)性原子和受電負(fù)性原子）之間的氫鍵。重要的是在納米尺度確定介電現(xiàn)象電荷存在時(shí)而發(fā)生了強(qiáng)烈的長程相互作用。一個(gè)帶電部件會導(dǎo)致兩個(gè)電子極化（離子（誘導(dǎo)偶極子）interactionx和任何永久偶極子的方向，離子偶極相互作用。與這些相關(guān)的能量由兩部分組成：一個(gè)內(nèi)一項(xiàng)涉及量子力學(xué)相互作用與近鄰原子和分子和一個(gè)外，可以在

15、電容方面經(jīng)典的考慮。在后者的改變在通過A到B之間的界面可以為電介質(zhì)界面的圖像法來評價(jià)12。一種常見的情況在納米介系統(tǒng)是其中的表面或顆粒A的表面的至少一部分變成有效的充電及周邊B相響應(yīng)，建立一個(gè)篩選相反電荷，面對A上的電荷。粒子A和電荷計(jì)數(shù)器電荷在B中的發(fā)展是可區(qū)分的過程中，將被單獨(dú)考慮。假設(shè)為A被收取的那一刻，篩選相反電荷可以通過兩種方式獲得。第一是由偏振乙及同時(shí)涉及電子極化和任何永久偶極的取向。這是電化學(xué)的所謂的重組過程13，并且是當(dāng)B具有極性組分尤其顯著。在AB界面的相互作用能有上面所述的內(nèi)量子力學(xué)和經(jīng)典外組件。后者通常是由表達(dá)式表示： 其中a（?。┦羌{米顆粒離子的有效半徑。Q是其電荷量。

16、0是自由空間的介電常數(shù)r是B的相對介電常數(shù)。在成立畫面在瞬態(tài)條件下，r 值介于光頻下和穩(wěn)態(tài)下s值之間。重組和訂購這引起了r涉及熵因素以及B相分子的能量。內(nèi)和外組件可以通過任何空間要求被顯著地影響期B周圍A的分子堆積。如果B包含移動的離子，這下庫侖力，將遷移到周圍建立粒子A的擴(kuò)散雙電層發(fā)生第二次篩選作用。當(dāng)A具有密度正電荷的情況示于圖5a（為清楚起見，A的表面的一部分膨脹并顯示平面）。雙電層由負(fù)一熱活化波動分布反擊和積極的合作，離子和相應(yīng)的波動局部場。這是習(xí)慣用平均場近似來代替后者，并確定一個(gè)電位分布函數(shù)，（圖5b）必須同時(shí)滿足泊松和波爾茲曼方程。分配的屬性，然后方便地假設(shè)有橫向?qū)ΨQ的（至少在大

17、尺寸與雙電層相比A的表面被均勻充電），只有在法線方向向外A的表面出現(xiàn)變化說明。合并后泊松 - 玻爾茲曼方程變?yōu)椋浩渲?，（r）表示電位分布，是到A表面距離r的函數(shù)，Zi是化合價(jià)，ni（）是距離界面A較遠(yuǎn)的B中的離子濃度，等式（2）使用漸近法的三維溶液已經(jīng)給出14但是，如果在從A和B遠(yuǎn)端電荷中性可以假定然后在適用于單一離子和1:1電解質(zhì)的Gouy-查普曼形式的溶液獲得11。對于非對稱電解質(zhì)的溶液也是可能的。對于案件沒有在A的表面導(dǎo)致的潛在的（0）的高值，該解決方案可進(jìn)一步以簡單的德拜形式減少其中，k-1徳拜長度，定義了雙電層的指數(shù)衰減的程度。K-1的值取決于批量離子濃度和大約30納米的10 -4M

18、電解質(zhì)。在雙電層對應(yīng)的電荷濃度可表示為一個(gè)簡單的表達(dá)式收費(fèi)和混合他們的熵之間的相互排斥的復(fù)雜組合。在顆粒表面，R=0時(shí)，“接觸”的值是和經(jīng)由格雷厄姆方程12相關(guān)的表面電勢0其中是表面的離子的電荷密度。為1:1的電解質(zhì)的計(jì)數(shù)器和共同離子濃度會發(fā)生變化，如圖6所示。如上述在出生偏振層的情況下所討論的，人們認(rèn)識到，有可能是通過力結(jié)合到表面的分子尺寸的離子層不同于通常比擴(kuò)散層的靜電那些強(qiáng)。這是跨越時(shí)產(chǎn)生的電位差小的所謂斯特恩層。在表面處的電勢變得s和電勢0的雙層正確，這將是略微不同的，開始于從A的表面上的分子距離。在情況下，B相是液體，這是傳統(tǒng)上認(rèn)為，在相對于A的B面?zhèn)认蜻\(yùn)動只有在從A（剪切面）。這個(gè)

19、距離成為可能和0被稱為電動或電勢。有新的證據(jù)然而，在斯特恩層離子可以確切向地移動，并且圍繞每一粒子的雙電層的范圍。在膠體情況可具有良好的顆粒的標(biāo)稱半徑以外的流體動力學(xué)影響15。如上一個(gè)穩(wěn)定的雙電層的存在提的是隊(duì)伍在那里是不完全中和的電荷反訴的粒子A。最初上的電荷可能會出現(xiàn)adventitiously，例如通過在與外部接觸的電子轉(zhuǎn)移代理B相和的，隨后中通過短距離“接觸”電荷轉(zhuǎn)移是大力非常不利的。的情況的原則，一個(gè)明顯的例子是在硅穩(wěn)定的pn結(jié)的，因?yàn)槟芰繝顟B(tài)，電子在n型的差異，相位都無法消除在p型相孔至少在正常的溫度和過現(xiàn)實(shí)的壽命。另一種情況是，當(dāng)粒子A的統(tǒng)稱單個(gè)或多個(gè)極性結(jié)構(gòu)域和接口問題是域的一

20、極，另一極是足夠遠(yuǎn)是相對不產(chǎn)生影響。在這種情況下，雙層成立由B計(jì)數(shù)器充電非常穩(wěn)定的，因?yàn)橹泻椭挥谐蔀榭赡芷茐臉O地領(lǐng)域。在另一極域，如果它暴露A的表面上，并且相B的電解質(zhì)含量是合適的，雙相反極性的層可以形成。請注意，由于粒子A在縮小尺寸和對立的兩極走到一起的雙層將會減弱。這些特性成為重要在優(yōu)化的機(jī)電性質(zhì)復(fù)合材料，這將在第5章的說明。該微流體越來越大的興趣，尤其是16在傳感器應(yīng)用中，也強(qiáng)調(diào)了重要性的泊松玻爾茲曼條件和電雙層微通道。這些通道，準(zhǔn)備通過微機(jī)械加工，具有矩形橫截面其表面支持雙電層。二維PB方程此溶液的幾何形狀，特別是在角部區(qū)域是困難的，但可用17。它表明，在拐角處的雙層很可能會提供一個(gè)強(qiáng)

21、大的阻力。當(dāng)另外，這是常有的情況下，機(jī)加工，蓋板微通道是從靜止不同的材料，zeta電勢，雙層的條件和相應(yīng)的液體的流動變得極其復(fù)雜。一納米介電復(fù)合材料的制備將頻繁涉及納米粒子A的混合在液體矩陣B的相位。如果顆粒保持電中性那么有吸引力顆粒間的范德華力將鼓勵和聚結(jié)的均勻性納米結(jié)構(gòu)將受到損害。如果它們不過充電，由篩分雙層包圍，干擾雙層之間的排斥力會產(chǎn)生如顆粒相互接近。這種情況示于圖7。取決于相對范德華的優(yōu)勢和雙層迫使它可以看出，結(jié)合力可以穩(wěn)定的復(fù)合在對應(yīng)于一個(gè)最小能量在一個(gè)間距M。當(dāng)?shù)掳蓍L度是這樣的情況，鼓勵大（小k）隨后的B凝固，然后可能以產(chǎn)生一種均勻的復(fù)合材料，其中的電荷在A和周圍的雙層依然存在，

22、并且將繼續(xù)以穩(wěn)定該系統(tǒng)。當(dāng)然，ALS在注量該復(fù)合材料的介電性能。該平衡吸引力的極化和排斥雙層勢力給一個(gè)穩(wěn)定的能量最小的是所謂的Derjaguin，朗多，維爾威和膠體理論Overbeek的精髓18。納米粒子的介電復(fù)合材料所用的相同的方式加以考慮。電介質(zhì)在高溫下的極化是在制作有源器件的一個(gè)通用程序。對于復(fù)合電介質(zhì)，這將增加在B相移動電荷載體的濃度，從而提高穩(wěn)定大約A顆粒雙層的產(chǎn)生。這將進(jìn)一步在第5節(jié)中討論。一個(gè)立體性的幾個(gè)界面相互作用會干擾與DLVO力量。其中的一些已經(jīng)上面提到的。如果B的分子具有結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在A顆粒的表面有序結(jié)合，兩個(gè)A粒子的close方法會干擾這個(gè)順序，改變的力量在分子的距離。這

23、種類型的介質(zhì)情況下意義的情況是在水化A的水分子存在于B相表面。如果該粒子的表面是親水性的，他們將保持一個(gè)有序的水層，這將削弱它們之間的吸引力，因?yàn)樗麄冏叩揭黄穑▓D8）。另一方面，如果它們是疏水性的，水將被排除和吸引力增強(qiáng)。在B相因而殘留的水可以在影響復(fù)合結(jié)構(gòu)是重要的。在科學(xué)活動有關(guān)納米系統(tǒng)的增加導(dǎo)致了在水的鄰位的方面在界面重新產(chǎn)生了興趣。尤其令人驚奇的性質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的粒子相接觸的表面水的輪廓包圍密閉空間界面納米尺寸。例如單個(gè)文件通道水分子被發(fā)現(xiàn)發(fā)生在2納米直徑碳納米管，這是疏水性的。氫鍵水分子鏈滑倒來來回回在管中19。類似的合作現(xiàn)象的發(fā)生沿橫向界面被用來解釋在生物膜蛋白納米孔內(nèi)襯選擇性功能20。橫

24、向界面過程中的重要作用將在與介電連接在下面進(jìn)一步考慮復(fù)合材料的性能。這可能是說順便指出似乎有水在納米管和水樹聚乙烯的實(shí)際情況之間有一些驚人的相似之處。聚乙烯球晶的間層狀空間延伸的納米尺寸的疏水性通道，沿著該水分子的合作運(yùn)動可以預(yù)料在所述碳納米管。在許多復(fù)合材料的B相將有機(jī)聚合物，這引入了重要的空間特征在與A顆粒的界面，特別是在當(dāng)復(fù)合被構(gòu)成階段。在這一點(diǎn)上，聚合物很可能是高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在這一點(diǎn)上聚合物很可能是高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，聚合物鏈（也許100nm以上）的回轉(zhuǎn)半徑Rg，很可能是大于有效范圍范德華力和雙電層的力。因此，即使在聚合物鏈只作弱（但多個(gè)）鍵合與顆粒表面2顆粒的附近方法很可能誘發(fā)大

25、量失真在干預(yù)的聚合物鏈（圖9）。隨之而來的要求在增加的構(gòu)象熵的鏈將導(dǎo)致顆粒之間的斥力。A顆粒的分散液從而取決于Rg和因此，在B相的溶劑性能的控制鏈延伸。A的分散會進(jìn)一步影響，如果有聚合物之間的特異性結(jié)合組和所述顆粒的表面，從而可以改變鏈的配置。當(dāng)B相是聚電解質(zhì)，如在例如生物的情況下，與聚離子相關(guān)的靜電引力會造成任何相反電荷的表面集體互動在A相和聚電解質(zhì)的將作為巨抗衡。4 作為被動介質(zhì)的界面以上已經(jīng)建立了納米尺寸的顆粒的性質(zhì)在很大程度上，如果不是完全，通過其與環(huán)境的界面相互作用來確定。由于這些相互作用的結(jié)果是一定程度的界面中的極化和電荷分離，納米粒子確實(shí)nanodielectrics。顆粒也彌補(bǔ)

26、了更多種類的宏觀復(fù)合系統(tǒng)中可被利用的A，B相（并不總是電器）集體性質(zhì)。當(dāng)顆粒是納米尺寸的，并在界面使該復(fù)合材料的顯著體積貢獻(xiàn)（圖2），可以預(yù)見，該界面的屬性將極大地影響介電行為。在這些情況下，有必要考慮如何nanodielectrics即接口將要留下深刻的印象電場作出反應(yīng)。之前專門考慮界面方面，應(yīng)該注意的是，已經(jīng)有相當(dāng)發(fā)展，介電復(fù)合材料的理論分析超越了傳統(tǒng)的麥克斯韋 - 瓦格納法21這源于由MaxwellGarnett22專門為納米復(fù)合材料提供的分析金屬球在眼鏡。因此，高和古23已考慮雙組分體系中的介電常數(shù)其中隨機(jī)分布的顆粒橢圓形分布。相關(guān)的治療已經(jīng)由Sareni等人給出。在微觀結(jié)構(gòu)和拓?fù)潆S機(jī)

27、和定期有序復(fù)合材料，包括觸摸球方面24,25。在位于聚合物的無定形相中特定的碳納米顆粒，其中界面效應(yīng)可能是重要的考慮了25。最近已經(jīng)提供由薛26模型，用于計(jì)算包含在均相矩陣隨機(jī)分布和薄薄地涂覆橢圓顆粒復(fù)合材料的有效介電常數(shù)。該涂層被表示為有限厚度的被動界面與指定介電常數(shù)。盡管該簡化行為的一個(gè)不同的范圍取決于電介質(zhì)的顆粒，涂層和基體和對顆粒形狀，大小，體積分?jǐn)?shù)和涂層的厚度常量預(yù)測與實(shí)驗(yàn)一致。如預(yù)期的涂層施加在宏觀有效介電常數(shù)，這也變化非線性地與顆粒的體積分?jǐn)?shù)有很大的影響。復(fù)合材料組成的玻璃基質(zhì)，古典研究法拉第27的主題，后來由麥克斯韋-加內(nèi)特22金屬納米粒子，已收到重新關(guān)注作為新的光學(xué)系統(tǒng)局部發(fā)

28、展的一部分282930。在這些復(fù)合材料產(chǎn)生時(shí)，受到電磁輻射的強(qiáng)烈的顏色是自由電子的金屬顆粒和誘導(dǎo)在其表面上的相關(guān)聯(lián)的極化電荷場致集體振蕩的結(jié)果。粒子經(jīng)營作為一個(gè)集體偶極子。振蕩的波長，因此顏色不僅取決于金屬（如金，銀或銅），但是靈敏地也對粒徑和球形度從任何偏離。橢球形納米粒子與極化的兩軸可以呈現(xiàn)兩種顏色29。如可預(yù)期的，因?yàn)樵摲椒ㄒ蕾囉谄衩妫诖_定顏色和強(qiáng)度，與周圍的介質(zhì)的界面的性質(zhì)也很重要30。最后的顆粒間力開始發(fā)揮作用，通過粒子之間的相對遠(yuǎn)距離dipoler/偶極相互作用，使得金屬基體中的體積分?jǐn)?shù)是重要的。金屬納米粒子摻入復(fù)合材料給設(shè)計(jì)師特有的屬性的許多變化的一個(gè)非常有用的總結(jié)已經(jīng)由翁給

29、予等31。例如15nm的Au顆粒包封在二氧化硅殼和包封在顏色的聚電解質(zhì)的變化從藍(lán)色到紅色的粒子濃度下降。更多的工作需要做，以了解形狀影響，顆粒/基體界面和顆粒間的相互作用之前，這些光學(xué)納米介系統(tǒng)可以充分利用。金屬納米球摻入在一個(gè)電介質(zhì)基體的技術(shù)31被轉(zhuǎn)移在一個(gè)有趣的和潛在的重要方式進(jìn)入該集成電路域。一個(gè)最新的這些關(guān)注基于MOSFET的幾何形狀的存儲裝置32。金納米粒子包埋在SiO2基質(zhì)中的一個(gè)層沉積到所述晶體管的Si溝道和覆蓋絕緣有機(jī)LB膜膜和Al柵。這樣的安排是這樣類似于圖4的。在柵極之間的電壓脈沖和通道，否則絕緣Au顆粒變得傳導(dǎo)充電并生成該移動設(shè)備的操作閾值，并創(chuàng)建一個(gè)存儲器中的字段。反向

30、脈沖放電粒子和擦除內(nèi)存。那些關(guān)注與電介質(zhì)的高電壓極化，形成駐極體可以在這里認(rèn)識了相同的基本機(jī)制，但精確確定的條件下。在同一時(shí)間的空間電荷積聚在絕緣性在高場，這從根本上也必須是納米介情況工業(yè)聚合物的相關(guān)的問題，可能會更好地通過在納米類似實(shí)驗(yàn)，或至少一個(gè)微米級尺度的理解。5 作為主動介質(zhì)的界面到目前為止，重點(diǎn)一直放在界面處于相對被動的角色。在活躍納米介情況其響應(yīng)于外加電場，必須考慮到。在這方面的界面的雙電荷層組件具有兩個(gè)非常重要的特征。在橫向方向上它是一個(gè)高度可極化的區(qū)域。如方程表示（4）雙電層的電荷濃度至電勢0非常敏感，因此，該字段。在橫向方向上的層，這將是主要的抗衡離子（圖6）中，離子可被預(yù)期

31、具有顯著流動性。這兩個(gè)功能被連接在一個(gè)橫向感應(yīng)電流i可接著由電位進(jìn)行調(diào)制整個(gè)升0雙電層（圖10），一個(gè)重要的但至今很少利用情況，另一個(gè)相似之處是一個(gè)場效應(yīng)管的。雙層活動已經(jīng)突出了一些關(guān)于復(fù)合材料的介電行為的貢獻(xiàn)。O'Konski33作出關(guān)于界面?zhèn)鲗?dǎo)的一個(gè)隨機(jī)懸浮球形顆粒的每一個(gè)具有規(guī)定的表面導(dǎo)電性的整體介電性能的影響早期的貢獻(xiàn)。復(fù)合系統(tǒng)的參數(shù)示于圖11。在低頻率或高的表面電導(dǎo)率S，電荷載流子被有效地的界面周圍由導(dǎo)致的感應(yīng)極化在其中成為一個(gè)大偶極如圖11中的粒子的極性端的字段傳送。有效介電常數(shù)s，就可以大大超過1。在高頻率或低S這不會發(fā)生和s具有1和s和顆粒的體積濃度的相對值所決定的常規(guī)

32、值。這種模式已經(jīng)發(fā)展更加進(jìn)一步通過媒體及森34。強(qiáng)調(diào)在雙層反離子的主導(dǎo)地位，這些都顯示，除了到極化電荷的粒子的中性云電荷也產(chǎn)生雙電層，如圖12之外。充電，然后通過擴(kuò)散和傳導(dǎo)的組合轉(zhuǎn)移到周圍散。在低頻率的擴(kuò)散云是大和的相位與施加的場。其結(jié)果是沿圓周電流和電荷聚集也有異相成分，并以一個(gè)不同相的偶極矩會導(dǎo)致。當(dāng)頻率增加時(shí)，擴(kuò)散云減輕和與它不同相的偶極矩。顯著的頻率響應(yīng)比德拜型更寬。該模型提供了針對其介電常數(shù)通常安裝在實(shí)證科爾 - 科爾型方程的許多復(fù)合系統(tǒng)中的物理解釋。有趣的是，在互補(bǔ)的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，即固體與液體“粒子”，例如可能代表一個(gè)水浸漬的多孔巖石似乎表現(xiàn)出類似的特征35。低頻介電常數(shù)幅度大于該介

33、電常數(shù)的訂單巖石或水和它隨頻率的增加而增加。本著上述這種行為的模型已被歸因于偏振狀態(tài)的巖石和水之間的界面的壓倒性影響。該結(jié)果強(qiáng)調(diào)了模型，只要求有兩種不同的介電質(zhì)，一在分散的顆粒形式的普遍適用性，并且有它們之間有顯著電介質(zhì)界面。這覆蓋了很寬的范圍內(nèi)的膠體系統(tǒng)18，包括液體和固體氣霧劑，液體乳劑，固體懸浮物和膨脹的固體，高分子凝膠和生物實(shí)體。該列表可以被擴(kuò)展而不很大的困難，以實(shí)際使用的許多絕緣材料，這通常是無定形或半結(jié)晶的。這些包括對比介質(zhì)聚乙烯和SiO2通常與添加劑和雜質(zhì)。當(dāng)顆粒濃度足夠高這將是可能的擴(kuò)散云和最終的雙層重疊。新的形勢，然后產(chǎn)生是因?yàn)樵谙到y(tǒng)中離子遷移可以發(fā)生完全通過納米級的雙層（圖

34、13）?，F(xiàn)在有相當(dāng)多的文獻(xiàn)處理的納米尺寸（碳納米管為原型）的刻意建造的渠道和管道，通過它傳導(dǎo)將完全由橫向運(yùn)動，通過雙層（圖14）。簡明摘要已經(jīng)被Vorrey和Teeters36給誰也描述了含有孔隙400和30納米到其中引入了'干'聚合物電解質(zhì)，聚氧化乙烯的分子直徑之間的聚碳酸酯膜的測量。密閉，在納米孔中這樣的電解質(zhì)會隨著孔尺寸減小的導(dǎo)電率和30納米的孔的大小幾乎兩個(gè)數(shù)量級大于所述非承壓電解質(zhì)。在其中傳導(dǎo)似乎是一個(gè)相關(guān)的系統(tǒng)局限于分子更小的毛孔，而不是納米尺寸是所述的LiI-P（EO.）n系聚合物電解質(zhì)37。通過拉伸該系統(tǒng)也可以命令該聚合物的結(jié)構(gòu)，以形成對準(zhǔn)纖維狀微相。在縱向的離

35、子傳導(dǎo)性引起的拉伸40倍的增長歸因于LIQ陽離子的輕便交通工具，由氧配位溶劑化，創(chuàng)建B中的PEO鏈的螺旋結(jié)構(gòu)排列的圓柱形通道內(nèi)。這類分子尺度系統(tǒng)提供新的視野納米以下并建議在生物膜孔隙通道傳輸?shù)目赡艿膮f(xié)同關(guān)系20。傳導(dǎo)局限于雙電層，如圖13也可以是細(xì)胞間相互作用的一個(gè)重要特征和生物細(xì)胞之間的通信。多注意了在蜂窩系統(tǒng)中反式膜分離過程，但也有明顯的細(xì)胞外納米途徑，其中雙層強(qiáng)度，因此定向傳導(dǎo)可能是由細(xì)胞活性的FET般的方式來介導(dǎo)。相比之下水引起的泄漏電流的嚴(yán)重現(xiàn)實(shí)問題以及外部和內(nèi)部的宏觀絕緣子表面可以是振振有詞追溯到一個(gè)微觀或納米確實(shí)一項(xiàng)涉及雙電層在絕緣表面。這種規(guī)模的傳導(dǎo)顯然取決于表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且

36、在界面和水的鄰位的層存在的結(jié)構(gòu)的疏水 - 親水特性。有證據(jù)表明，水被命令在一充電表面形成一層約3分子厚，并與由表面電荷38完全不同于該散水的極性所決定的結(jié)構(gòu)。離子傳導(dǎo)沿著表面，尤其是如果涉及質(zhì)子水分子之間的跳躍可能會預(yù)期到這樣子的納米有序敏感。6 作為轉(zhuǎn)換器的界面也許對于納米電介質(zhì)的發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮脑谟谝粋€(gè)事實(shí)，即界面的機(jī)電換能器的開發(fā)。電場的界面不僅是上述的偏振和傳導(dǎo)現(xiàn)象的驅(qū)動力，但也同時(shí)誘導(dǎo)機(jī)械應(yīng)力場。一個(gè)納米尺寸范圍內(nèi)的電氣和機(jī)械領(lǐng)域的這種耦合是迄今為止很差贊賞，并因此開發(fā)不足。壓電和相關(guān)現(xiàn)象已被發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)然，在各種單晶，多晶陶瓷，陶瓷 - 聚合物復(fù)合材料，許多有機(jī)聚合物，包括生物聚合物和

37、液體系統(tǒng)，宏觀系統(tǒng)的組件。可以顯示這些系統(tǒng)的明顯的宏觀行為從相關(guān)聯(lián)的納米級界面的合作活動引起的。由電場E中的電介質(zhì)中產(chǎn)生的機(jī)械力是由亥姆霍茲方程39給出其中第一項(xiàng)是由電荷在介質(zhì)中產(chǎn)生的力，從均一性的介電常數(shù)和第三份F二是與電致伸縮應(yīng)變相關(guān)聯(lián)的身體力量。采用一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，其中，電場矢量E是在X3的方向和只與該系統(tǒng)是均勻的，則X1 X3的一個(gè)函數(shù)，X2平面，則主要電誘導(dǎo)應(yīng)力其中r為介電常數(shù)均勻的X1，X2，A3S2 R E3表達(dá)了增量，由于在電場方向的3倍和a1sa2s2 R E1S2 R E2 E3應(yīng)變由于應(yīng)變在X1，X2平面。A3的參數(shù)和A1是由電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和其中的變形將改變的polarisa

38、bility的方式來確定電參數(shù)介電39,40,41。如可預(yù)期的，電致伸縮性質(zhì)的分子很大影響結(jié)構(gòu)；所有三個(gè)電參數(shù)A3，A2，A1的通過各向異性決定的，而A1和A2也由偶極子數(shù)密度的影響。值得注意的是，雖然T33是壓力（如可能已被解除誘導(dǎo)從一個(gè)簡單的麥克斯韋假設(shè)）T11和T22是牽引應(yīng)力。為簡單起見，在X1以下的均勻性，X2平面已經(jīng)假定，但可能不總是有效的，尤其是對于一些聚合物系統(tǒng)。在均衡狀態(tài)下的誘導(dǎo)應(yīng)力會產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變與主值。其中，Y是楊氏模量，為泊松比。使用等式（8）和（9）的應(yīng)變變得其中q31和q33是電致伸縮系數(shù)。在該電場的方向的3倍的應(yīng)變S33是一個(gè)收縮（應(yīng)力為壓），但S11和S22是牽引

39、力并且將導(dǎo)致在X1 X2平面擴(kuò)張介質(zhì)的。的重要特征是，該應(yīng)變是二次的電場強(qiáng)度E，因此將要強(qiáng)調(diào)的地方的字段是強(qiáng)。其結(jié)果是相之間AB界面，尤其是當(dāng)由一個(gè)強(qiáng)大的定義偏振雙層例如由德拜 - 休克爾方程3給出，自然是電致伸縮元件（圖15）。他們也壓電式。有趣的是注意到，雖然納米，它們是非中心對稱的系統(tǒng)中，基本的原則用于獲得電致伸縮和壓電性。如果雙層極化增強(qiáng)，由A，B相之間施加一個(gè)額外的電勢差說，與外地E從一個(gè)穩(wěn)態(tài)值E0的數(shù)額變化E（圖15），然后，從式（11）。在X3方向的應(yīng)變變得-Q33（E0 +E）2。當(dāng)EE0的額外的壓力，是一個(gè)很好的近似。其中，d33是現(xiàn)在的壓電系數(shù)。與 和 有相似系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)

40、在x1和x2方向引起的額外壓力。注意，該系數(shù)是成正比的穩(wěn)定極化場E0和對AB界面的通過Q33和Q31系數(shù)的機(jī)械性能。在許多實(shí)際情況42改寫方程（12）的形式，它是比較有用的其中k33為彈性模量，e33為壓電系數(shù)。相關(guān)系數(shù)e31和e32可以類似得出。當(dāng)薄膜被用作壓電裝置，它常常是有利地利用，因?yàn)楦蟮奈灰朴嘘P(guān)，在這種情況下，橫向的系數(shù)D31或E31成為重要的側(cè)向，而不是在膜中的正常位移42。平均壓應(yīng)變在正常，X3的方向中總結(jié)了一個(gè) 等效于德拜長度 距離的界面由場致是類似的表達(dá)方式可以得到用于誘導(dǎo)在x1和x2方向的應(yīng)變，這些將導(dǎo)致擴(kuò)展而不是壓縮。此側(cè)向或橫向效應(yīng)是在許多情況下非常顯著。這意味著，一

41、個(gè)領(lǐng)域，適用于垂直于界面總是趨于弱化其橫向凝聚力。如果該字段是循環(huán)的效果是鼓勵疲勞的界面結(jié)構(gòu)和失敗。這可能是在二氧化硅柵氧化層43和在其上的納米尺度發(fā)展進(jìn)一步限定的時(shí)間依賴性破裂的重要因素。效果可以通過考慮場對界面張力的影響，或者在液體的表面張力的情況下最容易理解的。在李普曼效果的形式，后者在電化學(xué)方面12有著悠久的歷史。界面張力可以表示為如下形式44其中界面的邊界內(nèi)的壓力被認(rèn)為是正常的和切向分量pn和角張量。如果象經(jīng)常是這種情況，界面包括一個(gè)充電雙層然后將所得的場將有助于通過方程（8）給出的附加應(yīng)力和（9）。假設(shè)該界面是均勻的平面為x1，x2方向，使T11= T22，情況則如圖16和表面張力

42、的場致貢獻(xiàn)是應(yīng)用方程（8）和（9）可以表示為對于液體它表示39，只能維持各向同性變形，a3為0，因此這是二次領(lǐng)域E和的李普曼電毛細(xì)管作用的基礎(chǔ)上在一個(gè)界面。 涉及兩個(gè)界面一個(gè)簡單的例子是，一個(gè)非中心的對稱單晶如石英，這是沿著一定的晶軸自然極化和可切開，露出極性面。當(dāng)應(yīng)用金屬電極兩個(gè)相對穩(wěn)定的雙層界面接觸產(chǎn)生這成為NEM元素，并且是場致位移來源的石英裝置45。石英裝置的有效性顯然是由只具有兩個(gè)活性金屬電極界面接觸到它多么有限。壓電和相關(guān)現(xiàn)象已經(jīng)觀察和利用然而在各種無機(jī)和有機(jī)的宏觀的固體。這些措施包括多晶陶瓷像PbZrTi.O3PZT。象聚偏氟乙烯，陶瓷 - 聚合物復(fù)合材料和生物聚合物的有機(jī)結(jié)晶，

43、無定形聚合物和最近的蜂窩聚合物。所有這些材料的特點(diǎn)是，它們將有許多納米界面w46，各有機(jī)電活性的潛在的描述以上，雖然最初的接口可能是無序和錯誤活性定向。在解釋活動然而傳統(tǒng)的假設(shè)是，一的極性基團(tuán)的排列和結(jié)構(gòu)域形成高程度的關(guān)鍵因素。所謂的極化方法，其中所述材料，已知的極性構(gòu)成分子，同時(shí)受到高溫和高場已針對實(shí)現(xiàn)該端47，48。這已經(jīng)蓋過考慮同樣重要的增強(qiáng)型單極傳導(dǎo)是必然伴隨的極化過程。高溫和場不僅幫助對齊的極性基團(tuán)，但也賦予增強(qiáng)的流動性和擴(kuò)散性，以離子，電子和在某些情況下，孔具有類似的方向性。與此同時(shí)，他們放松了聚合物結(jié)構(gòu)施加的立體構(gòu)象限制(圖19）。這種情況示于圖17。極化前的材料可被表示為一組弱

44、極性非對齊結(jié)構(gòu)域的粒子A中的低導(dǎo)電性的矩陣B，并與相對較弱的雙電層界面AB。極化過程中，A相域鼓勵在該領(lǐng)域的方向與偏振成長。這個(gè)偏振將由電荷在B階段（現(xiàn)在移動在較高的溫度下，通過注入電荷在電極也許增大）而移動，以形成增強(qiáng)了很多雙層特別是在結(jié)構(gòu)域的極點(diǎn)被反擊。電荷周圍的界面AB如第5和圖11所示的橫向移動將加強(qiáng)這一點(diǎn)?，F(xiàn)在，結(jié)果一組加強(qiáng)了雙層界面，每一個(gè)適當(dāng)導(dǎo)向，以強(qiáng)化別人納米機(jī)電元件。必須強(qiáng)調(diào)，這是在這些界面中的最高場將存在并且將主要負(fù)責(zé)由方程8和9中給出的二次場依賴性張力從該電致伸縮和壓電而得。兩套電荷形成每個(gè)雙電層的性質(zhì)不同是很重要的雙電荷層的穩(wěn)定性。充電造成的粒子A的極點(diǎn)是束縛電荷和來自A的如第3節(jié)中描述的分子的電子軌道的集體極化。在B，雙電層散射部分計(jì)數(shù)電荷，由單極子，正或負(fù)的離子狀態(tài)，這是不能破壞的兩極分化，