現(xiàn)代電子材料與元器件_71

1、第七章電介質(zhì)材料 光電工程學(xué)院微電子教研中心馮世娟27.1 概述n什么是電介質(zhì)材料？q電絕緣材料？q1880年，法國(guó)物理學(xué)家P. 居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。q1920年，瓦拉塞克發(fā)現(xiàn)了鐵電性。q此外，任何電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)的作用下，還會(huì)出現(xiàn)與電場(chǎng)強(qiáng)度平方成比例的另一種效應(yīng)，稱(chēng)為電致伸縮效應(yīng)。 q在電場(chǎng)的作用下具有極化能力并能在其中長(zhǎng)期存在在電場(chǎng)的作用下具有極化能力并能在其中長(zhǎng)期存在電場(chǎng)的一種物質(zhì)。電場(chǎng)的一種物質(zhì)。37.1 概述本章主要介紹電介質(zhì)晶體的靜態(tài)極化和動(dòng)態(tài)極化過(guò)程、電介質(zhì)的壓電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)和鐵電效應(yīng)、以及典型的鐵電材料。 47.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化 n1

2、 電介質(zhì)的極化現(xiàn)象q 導(dǎo)體q電介質(zhì)n在無(wú)外加電場(chǎng)作用時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)使得偶極矩排列混亂，因而在各個(gè)方向上的分子偶極矩矢量和為零。n而在外加電場(chǎng)作用下，偶極分子將沿電場(chǎng)方向偏轉(zhuǎn)定向，這是整個(gè)電介質(zhì)對(duì)外感生出宏觀偶極矩。 傳導(dǎo)電流 原子、分子或離子中的正負(fù)電荷被強(qiáng)烈束縛，在電場(chǎng)的作用下，只能在微觀尺度上做相對(duì)位移。且正負(fù)電荷的相對(duì)位移相反，在相距一定距離后，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩。位移電流電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下內(nèi)部感應(yīng)偶極矩的現(xiàn)象。電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下內(nèi)部感應(yīng)偶極矩的現(xiàn)象。57.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化 n1 電介質(zhì)的極化現(xiàn)象 電介質(zhì)的極化能力的大小用介電常數(shù)表示r0DE 0DE

3、Pr1 0PE極化強(qiáng)度極化率67.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化n1 電介質(zhì)的極化現(xiàn)象 極化的本質(zhì)： 介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)（原子、分子、離子）正負(fù)電中心分離而變成偶極子。一般分子偶極矩的大小取決于有效電場(chǎng)的大小iE分子總的極化率是各種極化機(jī)制所決定的極化率的總和：eads 電子位移極化率 離子位移極化率 轉(zhuǎn)向極化率 空間電荷極化率 每單位電場(chǎng)強(qiáng)度的分子偶極矩 77.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化n1 電介質(zhì)的極化現(xiàn)象q通常希望具有大的介電常數(shù)值n一是要提高N值，即提高電介質(zhì)的密度或選用密度較大的電介質(zhì)材料；n二是要選取由分子極化率大的質(zhì)粒所組成的電介質(zhì)；n三是要選取介質(zhì)內(nèi)部具有大的有效電場(chǎng)的介質(zhì)材料。n金紅石（

4、TiO2）和鈣鈦礦型離子晶體具有高的介電常數(shù)：Ti4+和O2-具有高的極化率。同時(shí)其內(nèi)電場(chǎng)Ei較大。iPNV0i(1)PEN E i01NEE 87.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化n2 電介質(zhì)極化機(jī)制 p電子極化p離子極化p偶極子轉(zhuǎn)向極化p自發(fā)極化p空間電荷極化極化形式極化形式位移極化：是一種彈性的、瞬時(shí)完成的極化，不消耗能量 弛豫極化：與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，完成這種極化需要一定的時(shí)間，并且是非彈性的，因而消耗一定的能量97.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化n2 電介質(zhì)極化機(jī)制 q電子位移極化在外電場(chǎng)作用下，原子外圍的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移形成的極化ep ffl加上外電場(chǎng)后0 ep0 ep無(wú)外電場(chǎng)時(shí)e107

5、.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化n2 電介質(zhì)極化機(jī)制 q電子位移極化n1)球狀原子模型 3e23014Ze Ze dZeEdr30eee4Zedr EE3e04r117.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化q電子位移極化n2)圓周軌道模型 qEKd2qqdEK2eqK202222 1/20sin4() ()qdFFrdrd2304qdr2304qKr3e04r127.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化q電子位移極化n考察同類(lèi)原子的一個(gè)集合體 2cos3e0143r各原子的感應(yīng)偶極矩相對(duì)電場(chǎng)方向取向角余弦平方的平均值 電場(chǎng)強(qiáng)度比較低，原子的電子軌道在空間是隨機(jī)分布的2cos1/3 2cos13e04r電場(chǎng)強(qiáng)度足夠高，

6、所有原子的電子軌道平面都垂直于電場(chǎng)方向137.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化q電子位移極化n需要注意：n在恒定電場(chǎng)中，任何電介質(zhì)都要發(fā)生電子位移極化，不管其物質(zhì)組成如何。n并且，電子位移極化與溫度無(wú)關(guān)。溫度的改變只影響電介質(zhì)組成粒子的熱運(yùn)動(dòng)，對(duì)原子或離子的半徑影響不大。n電子位移極化完成的時(shí)間非常短，在10-1510-14s之間。 147.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化n2 電介質(zhì)極化機(jī)制 q離子位移極化 在離子晶體中，除存在電子位移極化之外，在電場(chǎng)作用下，還會(huì)發(fā)生正、負(fù)離子沿相反方向位移形成離子位移極化。 沒(méi)有電場(chǎng)時(shí)，正、負(fù)離子對(duì)所形成的偶極矩相互抵消，極化強(qiáng)度為零；有外加電場(chǎng)時(shí)，所有的正離子順電場(chǎng)

7、方向移動(dòng)，所有的負(fù)離子則逆電場(chǎng)方向移動(dòng)，正、負(fù)離子對(duì)形成的偶極矩不再相互抵消，極化強(qiáng)度不為零而呈現(xiàn)宏觀電矩。 157.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化q離子位移極化n1)用諧振子模型求K值 iqEK raaiq rE 2aqK002/fK m12111mmm22120124m mKfmm221221204()C M MMMN222012a2212()4qN qMMKC M M167.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化q離子位移極化n2)根據(jù)離子對(duì)相互作用能求K值 200( )44nqbu rrr( )0r au rr12naqbn22100( )44nnqq au rrnr220()()ru rrKr 23

8、0(1)4nqa230a41qaKn177.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化q離子位移極化n對(duì)于NaCl晶體，其離子位移極化率 3a040.58(1)an離子位移極化建立所需的時(shí)間與離子晶格振動(dòng)的周期具有相同的數(shù)量級(jí)，為10-1310-12s，比電子位移極化的速度慢23個(gè)數(shù)量級(jí)，但同電子位移極化一樣，極化速度很快，在極化過(guò)程中沒(méi)有能量的損耗。 187.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化n2 電介質(zhì)極化機(jī)制 q偶極子轉(zhuǎn)向極化 極性分子：分子正負(fù)電荷極性分子：分子正負(fù)電荷中心不重合。中心不重合。非極性分子：分子正負(fù)電荷中心重合；非極性分子：分子正負(fù)電荷中心重合；電介質(zhì)正負(fù)電荷 中心重合 CH+H+H+H+甲烷分

9、子甲烷分子CH4 正電荷中心正電荷中心 負(fù)電荷負(fù)電荷 中心中心 水分子水分子H2O 分子電偶極矩分子電偶極矩 p+H+HOp197.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化n2 電介質(zhì)極化機(jī)制 q偶極子轉(zhuǎn)向極化 f無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，電矩取向不同 轉(zhuǎn)向外電場(chǎng) ep外外Eep外外EpMe 加上外場(chǎng) f+207.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化n2 電介質(zhì)極化機(jī)制 q偶極子轉(zhuǎn)向極化 E0時(shí)，極性分子隨機(jī)取向，就介質(zhì)整體來(lái)看，偶極矩等于零 E0時(shí)，偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)向，趨于和外加電場(chǎng)方向一致 熱運(yùn)動(dòng)抵抗這種趨勢(shì)，所以體系最后建立一個(gè)新的統(tǒng)計(jì)平衡 在這種狀態(tài)下，沿外場(chǎng)方向取向的偶極子比和它反向的偶極子的數(shù)目多，所以介質(zhì)整體出現(xiàn)宏觀偶極

10、矩。217.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化q偶極子轉(zhuǎn)向極化偶極子的轉(zhuǎn)向極化由于受到電場(chǎng)力的作用，分子熱運(yùn)動(dòng)會(huì)阻礙分子間的相互作用，因而這種極化建立所需的時(shí)間比較長(zhǎng)，約為10-610-2s或更長(zhǎng)，屬于慢極化形式，極化過(guò)程中伴隨著有能量的損耗。 20a3kT轉(zhuǎn)向極化率與溫度有關(guān)，且與溫度T成反比。 在電場(chǎng)很強(qiáng)的情況下，離子轉(zhuǎn)向極化達(dá)到飽和，即所有偶極子均沿電場(chǎng)方向排列。此時(shí)即使再增大電場(chǎng)強(qiáng)度，偶極矩保持為一常數(shù)。227.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化n2 電介質(zhì)極化機(jī)制 q離子松弛極化 n極化與電場(chǎng)有關(guān)，還與質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)。n當(dāng)材料中存在著弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等時(shí)q熱運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)分布混亂q電場(chǎng)質(zhì)點(diǎn)按電場(chǎng)

11、規(guī)律分布在一定的溫度下發(fā)生極化因而這種極化建立的時(shí)間較長(zhǎng)（可達(dá)10-910-2s），并且需要吸收一定的能量，這種極化是一種不可逆的過(guò)程。并且，當(dāng)外加電場(chǎng)頻率較高時(shí)，極化方向的改變往往滯后于外電場(chǎng)的變化。 237.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化n2 電介質(zhì)極化機(jī)制 q離子松弛極化 與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，完成極化需一定時(shí)間，非彈性的，需消耗能量離子松弛極化：松弛時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10-510-2秒。電子松弛極化：松弛時(shí)間約為10-910-2秒離子/電子松弛極化在M(G)Hz的無(wú)線(xiàn)電頻率下，其松弛極化來(lái)不及建立；頻率升高，無(wú)松弛極化；只存在電子/離子位移極化，故電常數(shù)隨頻率的升高而降低電常數(shù)隨頻率的升高而降低247.2

12、電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化q離子松弛極化 離子松弛極化是除偶極子轉(zhuǎn)向極化以外的又一種與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的極化形式。轉(zhuǎn)向極化由介質(zhì)中存在的極性分子在電場(chǎng)作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)而引起，而離子極化則是介質(zhì)中存在的某些聯(lián)系較弱的離子，在電場(chǎng)的作用下發(fā)生沿電場(chǎng)方向的躍遷躍遷運(yùn)動(dòng)引起的。在離子鍵結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)中，處于晶格節(jié)點(diǎn)上的正負(fù)離子之間的相互作用力很強(qiáng)，離子被牢固地束縛在晶格節(jié)點(diǎn)上，因而在電場(chǎng)的作用下，只會(huì)發(fā)生電子位移極化和離子位移極化。但當(dāng)電介質(zhì)中含有雜質(zhì)或存在缺陷含有雜質(zhì)或存在缺陷時(shí)，這些雜質(zhì)原子或處于缺陷位置附近的離子相應(yīng)的能量狀態(tài)比較高，就變得不夠穩(wěn)定，容易被激活，此時(shí)就會(huì)發(fā)生離子松弛極化離子松弛極化。257

13、.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化q離子松弛極化 圖7.8 有缺陷存在時(shí)的離子體系勢(shì)壘圖 缺陷區(qū)域的勢(shì)壘（即離子的激活能）遠(yuǎn)小于正常節(jié)點(diǎn)區(qū)的勢(shì)壘 UU缺陷區(qū)域離子所具有的勢(shì)壘高度和位置取決于缺陷的性質(zhì)和數(shù)量。 在電場(chǎng)力的作用下，這些離子的運(yùn)動(dòng)是有限的。但與離子位移極化相比，其運(yùn)動(dòng)的距離要大很多，已經(jīng)超出了離子的間距。 267.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化q離子松弛極化 圖7.9 缺陷勢(shì)壘分布，（a）當(dāng)外電場(chǎng)為零時(shí)（b）當(dāng)外電場(chǎng)不為零時(shí)在某一時(shí)刻，位置A上的離子數(shù)減少N，則位置B上的離子數(shù)增加N /16U kTU kTtU kTU kTN eeNeee單位體積中電矩 /16U kTU kTtU kTU

14、kTNqeePNqeee 為松弛時(shí)間，表示離子松弛極化建立的快慢。 277.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化q離子松弛極化 當(dāng)外電場(chǎng)較弱時(shí) /11612ttN UNqNeEekTkT22/112tNqPNqEekT /12U kTe松弛極化的建立需要一定的時(shí)間。剛剛加上電場(chǎng)時(shí)，N和P均為零。加上電場(chǎng)后，電介質(zhì)中聯(lián)系較弱的離子沿電場(chǎng)方向發(fā)生躍遷，形成電偶極矩。松弛極化強(qiáng)度P按指數(shù)規(guī)律增加。對(duì)于固體電介質(zhì)而言，勢(shì)壘越低，則松弛時(shí)間就越短，極化建立的速度越快。 287.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化q離子松弛極化 當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)窮大時(shí)，極化才達(dá)到穩(wěn)定 12NqNEkT2212NqPEkT22d12NqkT弱聯(lián)系

15、離子的形成：玻璃態(tài)物質(zhì)、結(jié)構(gòu)松散的離子晶體及晶體的雜質(zhì)和缺陷區(qū)域，離子本身能量較高，易被激活遷移。297.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化q離子松弛極化 除離子松弛極化以外，還有電子松弛極化，由弱束縛電子引起。晶格的熱振動(dòng)、晶格缺陷、雜質(zhì)的引入、化學(xué)組成的偏移等使電子能態(tài)改變，出現(xiàn)局部能級(jí)，形成弱束縛電子。主要在折射率大、結(jié)構(gòu)緊密、內(nèi)電場(chǎng)大和電子電導(dǎo)大的電介質(zhì)中出現(xiàn)。307.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化n2 電介質(zhì)極化機(jī)制 q空間電荷極化介質(zhì)中的自由載流子（正、負(fù)離子或電子）可以在缺陷及不同介質(zhì)的界面上積累，使電介質(zhì)中的電荷分布不均勻電荷分布不均勻，產(chǎn)生宏觀電矩。這種極化叫作空間電荷極化。 用雙層電介

16、質(zhì)為例 1122EE111222,VE dVE d211212211221,VVEEdddd317.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化q空間電荷極化當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定態(tài)時(shí)，第一層和第二層的傳導(dǎo)電流密度符合歐姆定律 111222,jEjE一般來(lái)說(shuō)，傳導(dǎo)電流不同，這將在兩層介質(zhì)的分界處開(kāi)始積聚自由電荷。這些自由電荷在分層界面上的積聚，實(shí)際上就導(dǎo)致了電荷的重新排布。按照極化的概念，這種電荷的重新分布就會(huì)產(chǎn)生極化，這種極化就是空間電荷極化。 晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)等缺陷區(qū)易形成自由電荷積聚，形成空間電荷極化，所以又稱(chēng)界面極化界面極化空間電荷極化建立時(shí)間長(zhǎng)，只發(fā)生在低頻下?？臻g電荷極化建立時(shí)間長(zhǎng)，只發(fā)生在低頻下。3

17、27.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化q空間電荷極化當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，有j1=j2 當(dāng)未達(dá)到平衡時(shí) /1221121221tjjVe 122112001221jj dtV 211212211221,VVEEdddd12110 12202dEdEJEEdtdt 雙層電介質(zhì)界面處積聚的電荷密度為337.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化n2 電介質(zhì)極化機(jī)制 q自發(fā)極化n線(xiàn)性介質(zhì)q沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，這些介質(zhì)的極化強(qiáng)度等于零q有外電場(chǎng)時(shí)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度與宏觀電場(chǎng)E成正比n非線(xiàn)性介質(zhì)q其極化強(qiáng)度和外施電壓的關(guān)系是非線(xiàn)性的q鐵電體就是一種典型的非線(xiàn)性介質(zhì)q鐵電體中，存在自發(fā)極化鐵電體中，存在自發(fā)極化n晶體中每一個(gè)晶胞里存在固

18、有電偶極矩，由于晶胞的重晶體中每一個(gè)晶胞里存在固有電偶極矩，由于晶胞的重復(fù)性和周期性，使其在沒(méi)有外電場(chǎng)時(shí)已是高度極化狀態(tài)。復(fù)性和周期性，使其在沒(méi)有外電場(chǎng)時(shí)已是高度極化狀態(tài)。n具有自發(fā)極化的單晶是永久帶電體。具有自發(fā)極化的單晶是永久帶電體。347.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化n2 電介質(zhì)極化機(jī)制q幾種物質(zhì)的介電常數(shù)r極化形式光頻下低頻下金剛石5.665.68電子位移極化NaCl2.255.9電子、離子位移極化H2O1.7780.4電子、離子位移極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化357.2 電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中的極化n2 電介質(zhì)極化機(jī)制q各種極化形式的比較極化形式極化率極化建立時(shí)間與T關(guān)系能量損耗介質(zhì)電子位移極化10

19、-15 10-14 s無(wú)關(guān)無(wú)所有介質(zhì)離子位移極化10-13 10-12 sT而弱離子結(jié)構(gòu)空間電荷極化長(zhǎng)T而有結(jié)構(gòu)不均勻的陶瓷離子松弛極化10-510-2s與T有關(guān)，存在極值有離子結(jié)構(gòu)的玻璃結(jié)構(gòu)不緊密的晶體及陶瓷電子松弛極化10-9 10-2s有鈦質(zhì)瓷、以高價(jià)金屬氧化物為基的陶瓷轉(zhuǎn)向極化10-1010-2s有有機(jī)材料，極性介質(zhì)自發(fā)極化有居里點(diǎn)以下的鐵電材料304/3R3041aA n2212qkT20/3kT367.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化 n1 電介質(zhì)的極化過(guò)程 電介質(zhì)極化的建立和消失都有一個(gè)響應(yīng)過(guò)程，需要一定的時(shí)間。 在變化電場(chǎng)作用下的極化響應(yīng)大致有三種情況： 如果電場(chǎng)的變化很慢，相對(duì)于極化建立

20、的時(shí)間，像在靜電場(chǎng)中的那樣，則極化完全來(lái)得及響應(yīng)，則不需要考慮響應(yīng)過(guò)程，可以按照與在靜電場(chǎng)中的情形進(jìn)行分析；如果電場(chǎng)的變化很快，以至于極化完全跟不上，就沒(méi)有極化的發(fā)生；如果電場(chǎng)的變化與極化建立的時(shí)間可以比擬，則極化對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)受極化建立過(guò)程的影響很大，因而會(huì)產(chǎn)生比較復(fù)雜的介電現(xiàn)象。 377.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n1 電介質(zhì)的極化過(guò)程電子位移極化、離子位移極化建立的時(shí)間極短，通常被稱(chēng)為瞬時(shí)極化或快極化； 而對(duì)于偶極子轉(zhuǎn)向極化及離子松弛極化等，因其建立的時(shí)間較長(zhǎng)，故稱(chēng)之為慢極化或弛豫極化。 r( )( )( )P tP tP t瞬間極化強(qiáng)度，與時(shí)間無(wú)關(guān)。 松弛極化強(qiáng)度，與時(shí)間的關(guān)系比較復(fù)雜 /rr

21、m( )( ) 1tP tPte387.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n1 電介質(zhì)的極化過(guò)程q極化強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系 0( )1P tEr0S( )P tE0( )1SP tES為靜態(tài)介電常數(shù)，為光頻介電常數(shù)。 介電常數(shù)隨電場(chǎng)頻率的改變而變化，且介電常數(shù)的溫度關(guān)系與在恒定電場(chǎng)下的情形也不一樣；在極化過(guò)程中，存在能量的損耗，損耗掉的那部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，使電介質(zhì)的溫度升高，這種損耗稱(chēng)為極化損耗，極化損耗的大小與電場(chǎng)的頻率有密切的關(guān)系。 397.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n2 復(fù)數(shù)介電常數(shù) 考慮一個(gè)平板電容器，加一個(gè)交變電場(chǎng)，其電場(chǎng)強(qiáng)度為 0expEEi t0expDDi t當(dāng)極化跟不上電場(chǎng)變化時(shí)，D和E之間便

22、會(huì)有一定的相位差 0expDDit引入一個(gè)表征在交變電場(chǎng)下復(fù)電場(chǎng)E與復(fù)電位移D間關(guān)系的參數(shù)，復(fù)數(shù)介電常數(shù)復(fù)數(shù)介電常數(shù) *0rrr000expDDiiEE0r00cosDE0r00sinDE407.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n2 復(fù)數(shù)介電常數(shù) 電流密度 *0r0r0rcrdEjiEEjjdt 純位移電流密度或無(wú)功電流密度，與復(fù)數(shù)介電常數(shù)的實(shí)部成正比 ， 與介質(zhì)的靜態(tài)相對(duì)介電常數(shù)的物理意義相同 r有功電流密度，與虛部成正比， 表示介質(zhì)中的能量損耗的大小 r在實(shí)際應(yīng)用中，介質(zhì)中的能量損耗稱(chēng)為介電損耗 rrtan稱(chēng)為介質(zhì)損耗角正切，常用來(lái)定量描述電介質(zhì)的損耗 417.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n3 介電損耗q電導(dǎo)

23、損耗電導(dǎo)損耗q松弛極化損耗松弛極化損耗q諧振損耗（色散與吸收）諧振損耗（色散與吸收）電介質(zhì)在外電場(chǎng)的作用下，將一部分電能轉(zhuǎn)變成熱能的物理過(guò)程，稱(chēng)為電介質(zhì)的損耗，其結(jié)果是電介質(zhì)發(fā)熱，溫度上升。 介電損耗不僅會(huì)引起線(xiàn)路上的附加衰減，而且會(huì)使電路中的元器件發(fā)熱，工作環(huán)境溫度升高，可能破壞其正常工作的環(huán)境。一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生介質(zhì)損耗的主要原因有如下幾個(gè)方面： 427.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n3 介電損耗q電導(dǎo)損耗 在電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)中存在的一些弱聯(lián)系的導(dǎo)電載流子作定向移動(dòng)，形成傳導(dǎo)電流。這部分傳導(dǎo)電流中的能量以熱的形式消耗掉，稱(chēng)之為電導(dǎo)損耗。2PECR1/IIIi CR VRCtan/1/IICVRRs

24、incosPI VIVIV圖7.12 電容器值存在電導(dǎo)損耗時(shí)的等效電路圖 437.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n3 介電損耗q松弛極化損耗 熱離子松弛極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化等所需建立的時(shí)間比較長(zhǎng)，為10-210-8s，甚至更長(zhǎng)。當(dāng)外電場(chǎng)頻率比較高，如高頻或超高頻，偶極子轉(zhuǎn)向極化等跟不上電場(chǎng)周期的變化，產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，致使電介質(zhì)的極化強(qiáng)度P滯后于外加電場(chǎng)強(qiáng)度E，并且電介質(zhì)的介電系數(shù)也隨之下降；當(dāng)外電場(chǎng)頻率足夠高，偶極子轉(zhuǎn)向極化將完全跟不上電場(chǎng)周期性變化時(shí)，介電系數(shù)下降至零，這時(shí)電介質(zhì)的介電系數(shù)只由位移極化提供，而趨于光頻介電系數(shù)，這一過(guò)程也消耗部分能量，而且在高頻和超高頻中，這類(lèi)損耗將起主要作用，甚至比電導(dǎo)

25、損耗還大。這種損耗就稱(chēng)為松弛極化損耗。447.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n3 介電損耗q諧振損耗(色散與吸收) 諧振損耗來(lái)源于原子、離子、電子在振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的共振效應(yīng)。這種效應(yīng)發(fā)生在紅外到紫外的光頻范圍。 頻率高于X射線(xiàn)的電磁場(chǎng)不可能在原子內(nèi)激起任何振動(dòng)，電介質(zhì)材料不會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象。此頻率下的電介質(zhì)的介電系數(shù)等于真空的介電系數(shù)。 若電磁場(chǎng)的頻率低于內(nèi)層電子的諧振頻率，則內(nèi)層電子可以隨電磁場(chǎng)而振動(dòng)，對(duì)材料的極化有貢獻(xiàn)，相對(duì)介電系數(shù)大于1。 若電磁場(chǎng)的頻率低于外電子殼層的電子(外層電子)的諧振頻率，其諧振頻率范圍為從紫外到近紅外光譜范圍，此類(lèi)電子也將參與極化。 457.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n3 介

26、電損耗q諧振損耗(色散與吸收) 在紫外到近紅外區(qū)，只可能出現(xiàn)電子諧振極化，在遠(yuǎn)紅外區(qū)則會(huì)出現(xiàn)原子或離子諧振極化，在光頻范圍內(nèi)不可能出現(xiàn)偶極子轉(zhuǎn)向極化和松弛極化。467.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n3 介電損耗q諧振損耗(色散與吸收) 圖7.13 介電常數(shù)及介電損耗隨頻率的變化 電子或離子的諧振極化諧振色散諧振色散偶極子轉(zhuǎn)向極化和松弛極化松弛色散松弛色散 色散現(xiàn)象的同時(shí)伴隨著能量損耗。色散現(xiàn)象的同時(shí)伴隨著能量損耗。其損耗因數(shù)隨頻率的變化稱(chēng)為吸收其損耗因數(shù)隨頻率的變化稱(chēng)為吸收 在介電系數(shù)發(fā)生色散的頻率范圍，無(wú)論是哪種極化，其損耗因數(shù)都是明顯地變大且出現(xiàn)峰值。 隨著電場(chǎng)頻率的升高，電介質(zhì)的介電系隨著電場(chǎng)頻

27、率的升高，電介質(zhì)的介電系數(shù)要降低。這種介電系數(shù)隨頻率變化的數(shù)要降低。這種介電系數(shù)隨頻率變化的現(xiàn)象稱(chēng)為色散現(xiàn)象?，F(xiàn)象稱(chēng)為色散現(xiàn)象。 477.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n4 極化弛豫與德拜方程q極化弛豫現(xiàn)象 圖7.14 極化弛豫現(xiàn)象 電介質(zhì)在不同平衡態(tài)之間的過(guò)渡即弛豫過(guò)程。 aaii吸收電流介質(zhì)在交變電場(chǎng)中,由于慢極化跟不上電場(chǎng)的變化，表現(xiàn)出極化的滯后性。系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能達(dá)到平衡狀態(tài)。以實(shí)際介質(zhì)電容器為例487.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n4 極化弛豫與德拜方程q德拜方程 圖7.15 緩慢極化電容器的等效電路圖 0jiE 對(duì)于馳豫過(guò)程，Debye首先提出并建立了復(fù)介電常數(shù)與頻率間的關(guān)系式，主要適用于極

28、性液體和固體介質(zhì)。由平板電容器的等效電路 得到流經(jīng)電容C的充電電流密度 和流經(jīng)電容Ca的充電電流密度 a0a1/aEji 497.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n4 極化弛豫與德拜方程q德拜方程 220222211EiE ajjj0r0rjiEE 0r0221 20r221 當(dāng)0時(shí)，s0s507.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化q德拜方程sr221 sr221 2()()srrstg以上三式稱(chēng)為德拜方程，或是德拜弛豫方程。 0rsr,0 rr,0恒定電場(chǎng)下 光頻下 517.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n5 復(fù)數(shù)介電常數(shù)與頻率和溫度的關(guān)系 q與頻率的關(guān)系 r0ddm1/當(dāng)在0之間時(shí)，介電常數(shù)隨頻率的增加而降低，從靜態(tài)值降至光

29、頻值；損耗因子隨頻率的增加而出現(xiàn)極大值。527.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化q與頻率的關(guān)系 此時(shí)，德拜方程 在這一頻率區(qū)域，介電常數(shù)發(fā)生劇烈變化，同時(shí)出現(xiàn)極化的能量耗散，這種現(xiàn)象稱(chēng)為彌散現(xiàn)象，這一頻率區(qū)域稱(chēng)為彌散區(qū)域。 sr2sr2smstan537.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化q與頻率的關(guān)系 tan0ddsm1mmtan在頻率較高時(shí)才達(dá)到極值 德拜方程srs2 srss smaxstan2 在tan與頻率的關(guān)系中也出現(xiàn)極大值 547.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化q與頻率關(guān)系的解釋1) 當(dāng)外加電場(chǎng)頻率很低，即趨于0時(shí)，介質(zhì)的各種極化都能跟上外加電場(chǎng)的變化，此時(shí)不存在極化損耗，介電常數(shù)達(dá)最大值。介電損耗主要由漏導(dǎo)引起，

30、 tg只是介質(zhì)在頻率不等于零的交變電場(chǎng)中的物理參數(shù)。2) 當(dāng)外加電場(chǎng)頻率逐漸升高時(shí)，松弛極化在某一頻率開(kāi)始跟不上外電場(chǎng)的變化，松弛極化對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)逐漸減小，因而，r隨升高而減少。tg出現(xiàn)極大值，P也增大。3) 當(dāng)很高時(shí)，介電常數(shù)僅由位移極化決定，在這一頻率范圍內(nèi)，隨的升高，r，tg0，P 變化較小。557.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n5 復(fù)數(shù)介電常數(shù)與頻率和溫度的關(guān)系 q與溫度的關(guān)系n 1) s、 與溫度T的關(guān)系 0ei01n r0sPE、 001naaTT主要是單位體積內(nèi)的極化粒子數(shù)n0隨溫度的變化引起的，也即是因?yàn)榻橘|(zhì)的密度發(fā)生變化而引起的。光頻介電常數(shù)隨溫度的上升呈線(xiàn)性下降。 r0dePn

31、E567.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化q與溫度的關(guān)系n 2)與溫度T的關(guān)系 弛豫時(shí)間與溫度呈指數(shù)關(guān)系，可簡(jiǎn)化表示成 exp(/)BA T577.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化q與溫度的關(guān)系n3) 復(fù)介電常數(shù) 與溫度T的關(guān)系 rmm1/sm1q與溫度的關(guān)系n3) 復(fù)介電常數(shù) 與溫度T的關(guān)系 rsr221 當(dāng)溫度很低時(shí)，很大 122/ 11/ 反之，在高溫區(qū) 122/ 1 1出現(xiàn)極大值。Tm通過(guò)極值時(shí)對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間m 表征tan的極值溫度比復(fù)介電常數(shù)的極值溫度要低。 587.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化q與溫度關(guān)系的解釋rrrrsrrsr在一定頻率下，當(dāng)溫度很低時(shí)，極化粒子熱運(yùn)動(dòng)能量很小，幾乎處于“凍結(jié)”的狀態(tài)，因此取向極

32、化緩慢，時(shí)間很長(zhǎng)，來(lái)不及隨外加電場(chǎng)發(fā)生變化，弛豫極化難以建立，這時(shí)只有瞬時(shí)極化，所以介電常數(shù) 趨于光頻介電常數(shù) ，介質(zhì)損耗 和tan很小；當(dāng)溫度升高時(shí)，極化粒子的熱運(yùn)動(dòng)能量加大，弛豫時(shí)間減少小，可以與外加電場(chǎng)的周期相比擬，弛豫極化逐漸得以建立， 相應(yīng)增加。隨著溫度繼續(xù)升高，弛豫時(shí)間很快降低，弛豫極化進(jìn)一步建立， 急劇增加，幾乎趨近于靜態(tài)介電常數(shù) 。在 劇烈變化的同時(shí)，伴隨著能量損耗，并出現(xiàn)伴隨著能量損耗，并出現(xiàn)損耗極值；損耗極值；若溫度再繼續(xù)升高則弛豫時(shí)間繼續(xù)減少。弛豫極化完全來(lái)得及建立，趨近于靜電場(chǎng)的情況，這時(shí) 趨于 。介質(zhì)損耗 和tan又恢復(fù)很小。 597.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化q與溫度關(guān)系

33、的解釋rrsr同樣將要指出，若頻率發(fā)生變化，則 和tan要隨頻率的增加向高溫方向移動(dòng)；反之則向低溫方向移動(dòng)。這可解釋如下：當(dāng)頻率發(fā)生改變時(shí)，若頻率增高，則電場(chǎng)變化周期縮短，與之相比擬的弛豫時(shí)間也相加減少，因此出現(xiàn)了弛豫極化的溫區(qū)，即 由 增至 的溫區(qū)也隨之向高溫方向移動(dòng)，出現(xiàn) 和tan峰值的溫度也相應(yīng)升高。607.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n6 電介質(zhì)的電導(dǎo)和擊穿弱聯(lián)系的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下作定向漂移從而構(gòu)成傳導(dǎo)電流的過(guò)程，稱(chēng)為電介質(zhì)的電導(dǎo)。 電導(dǎo)率的普遍表達(dá)式 Nq提高電介質(zhì)的絕緣性能可以從兩個(gè)方面著手：一是減少電介質(zhì)單位體積的載流子數(shù)；一是降低遷移率。對(duì)固體電介質(zhì)，要盡量減少雜質(zhì)、熱缺陷數(shù)目；對(duì)

34、于液體電介質(zhì)，除了要減少雜質(zhì)含量以外，還可以從提高液體的粘度著手，載流子的移動(dòng)就不那么容易了。 617.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n6 電介質(zhì)的電導(dǎo)和擊穿q電導(dǎo)類(lèi)型 n1)離子電導(dǎo) n2)電子電導(dǎo)n3)電泳電導(dǎo) 其載流子是正、負(fù)離子(或離子空位)，這是固體電介質(zhì)中最主要的導(dǎo)電形式。 其載流子是電子(或電子空穴)，由于電介質(zhì)內(nèi)電子數(shù)極少，所以這種形式的電導(dǎo)表現(xiàn)得比較微弱，只有在一定的條件下才明顯。 其載流子是帶電的分子團(tuán)，電流流經(jīng)液體電介質(zhì)時(shí)，就有電泳現(xiàn)象發(fā)生 。例如含鈦陶瓷以銀作電極時(shí)，高溫下會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)： 627.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n6 電介質(zhì)的電導(dǎo)和擊穿q固體介質(zhì)電導(dǎo)n1)固體介質(zhì)中的離子電

35、導(dǎo)q(1)本征離子電導(dǎo) 晶體中位于晶格點(diǎn)陣上的離子，被牢固地束縛在結(jié)點(diǎn)上作不停的熱運(yùn)動(dòng)，并不參與導(dǎo)電。但在受到熱激勵(lì)后，就有少數(shù)離子會(huì)離開(kāi)原位成為填隙離子，并同時(shí)產(chǎn)生空位，從而構(gòu)成離子電導(dǎo)和離子空位電導(dǎo)。離子晶體中的肖特基缺陷往往成對(duì)出現(xiàn)，即正離子空位與負(fù)離子空位數(shù)相等。但兩者對(duì)電導(dǎo)的貢獻(xiàn)是有區(qū)別的。一般情況下，尺寸較小的正離子遷移率較大，對(duì)電導(dǎo)的貢獻(xiàn)是主要的，所以，導(dǎo)電載流子主要是正離子空位。對(duì)于其中一種離子的尺寸特別小的離子晶體，主要形成弗倫克爾缺陷。所以載流子主要是正填隙離子和正離子空位。637.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化q固體介質(zhì)電導(dǎo)n1)固體介質(zhì)中的離子電導(dǎo)q(2)弱聯(lián)系離子電導(dǎo) 與晶格點(diǎn)

36、陣聯(lián)系較弱的離子活化而形成導(dǎo)電載流子，主要是雜雜質(zhì)離子質(zhì)離子和晶體位錯(cuò)晶體位錯(cuò)與宏觀缺陷處的離子引起的電導(dǎo)。它往往決定了晶體的低溫電導(dǎo)低溫電導(dǎo)。晶體電介質(zhì)中離子電導(dǎo)具有離子躍遷的特征，而且參與導(dǎo)電的也只是晶體中部分活化了的離子(或離子空位)。 647.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化q固體介質(zhì)電導(dǎo)n2)固體介質(zhì)中的電子電導(dǎo) 在實(shí)際晶體電介質(zhì)中，由于雜質(zhì)的存在，以及晶體中的缺陷、位錯(cuò)等，在禁帶中將引入中間能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)，接近于導(dǎo)帶。它們?cè)跓峒ぐl(fā)的作用下，容易產(chǎn)生導(dǎo)電的載流子。另外，當(dāng)電子的能量低于阻礙它運(yùn)動(dòng)的勢(shì)壘高度不很大，而勢(shì)壘厚度又比較薄(約幾十nm)時(shí)，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，電子就可能由隧道效應(yīng)而穿過(guò)

37、勢(shì)壘后到達(dá)導(dǎo)帶，構(gòu)成隧道電流。電介質(zhì)中可能存在的幾種隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)。在金屬半導(dǎo)體接觸中，金屬電極中具有的大量電子，也可能向電介質(zhì)中發(fā)射(或注入)，如熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射，也可以為電介質(zhì)提供導(dǎo)電載流子。657.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n6 電介質(zhì)的電導(dǎo)和擊穿q固體介質(zhì)的擊穿n熱擊穿 n電擊穿 n電化學(xué)擊穿 外加電場(chǎng)增加到相當(dāng)強(qiáng)時(shí)，電介質(zhì)的電導(dǎo)就不服從歐姆定律了。當(dāng)電場(chǎng)繼續(xù)增加到某一臨界值時(shí)，電導(dǎo)率突然劇增，電介質(zhì)喪失其固有的絕緣性能，變成導(dǎo)體，作為電介質(zhì)的特性被破壞，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電介質(zhì)的擊穿。667.3 電介質(zhì)的動(dòng)態(tài)極化n6 電介質(zhì)的電導(dǎo)和擊穿q固體介質(zhì)的擊穿 n電化學(xué)擊穿 電介質(zhì)在長(zhǎng)期的使用過(guò)程

38、中受電、光、熱以及周?chē)橘|(zhì)的影響，使電介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)變化，電性能發(fā)生不可逆的破壞，最后被擊穿。屬于這一類(lèi)的擊穿在工程上被稱(chēng)為老化，也稱(chēng)為電化學(xué)擊穿。 電化學(xué)擊穿過(guò)程包括兩個(gè)部分：一是因固體電介質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化而引起的電介質(zhì)老化；二是與老化有關(guān)的擊穿過(guò)程。由于化學(xué)變化通常導(dǎo)致介質(zhì)損耗增加，因而電化學(xué)擊穿的最終形式常是熱擊穿。677.4 晶體的壓電性質(zhì)n1 晶體的壓電性 q正壓電效應(yīng)：在沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中心沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中心的晶體上施加機(jī)械作用時(shí)，發(fā)生與機(jī)械應(yīng)力成比例成比例的介質(zhì)極化，同時(shí)在晶體的兩端面出現(xiàn)正負(fù)電荷。q逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在晶體上施加電場(chǎng)時(shí)，則產(chǎn)生與電場(chǎng)強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)力。 q正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱(chēng)為

39、壓電效應(yīng)。q晶體的這種性質(zhì)稱(chēng)為晶體的壓電性。壓電材料可以分為兩大類(lèi)：壓電晶體和壓電陶瓷。687.4 晶體的壓電性質(zhì)n1 晶體的壓電性 q壓電效應(yīng)的解釋697.4 晶體的壓電性質(zhì)n1 晶體的壓電性 q晶體是否具有壓電效應(yīng)，取決于晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性。q在晶體的32種點(diǎn)群中，具有對(duì)稱(chēng)中心的11個(gè)點(diǎn)群不具有壓電效應(yīng)。在21種不存在對(duì)稱(chēng)中心的點(diǎn)群中，除了432點(diǎn)群由于對(duì)稱(chēng)性很高導(dǎo)致其壓電效應(yīng)退化之外，其余20個(gè)點(diǎn)群都有可能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。q對(duì)于壓電陶瓷、復(fù)合材料等，描述其對(duì)稱(chēng)性的7種居里點(diǎn)群中，有3種可能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 707.4 晶體的壓電性質(zhì)n2 晶體的介電性質(zhì)和彈性 晶體的壓電效應(yīng)是由應(yīng)變S和應(yīng)力T等

40、機(jī)械量與電場(chǎng)強(qiáng)度E和電位移D（或極化強(qiáng)度P）等電氣量之間的耦合效應(yīng)造成的。因而，壓電效應(yīng)是一種具有明顯方向性的機(jī)電耦合效應(yīng)，在討論壓電效應(yīng)之前，有必要討論晶體的介電性和彈性。 q晶體的介電性質(zhì) 壓電晶體和壓電陶瓷都是各向異性的。 111121312212223233132333DEDEDE122123323113獨(dú)立介電常數(shù)的分量只有6個(gè) 717.4 晶體的壓電性質(zhì)n2 晶體的介電性質(zhì)和彈性 q晶體的彈性 n1)應(yīng)力張量n2)應(yīng)變張量 一般來(lái)說(shuō)T為二階對(duì)稱(chēng)張量，其分量Tij=Tji。6個(gè)獨(dú)立分量分為兩類(lèi)，一類(lèi)是法向分量:T11、T22、T33；一類(lèi)為切向分量:T12、T23、T31。 單位面積

41、上受力的大小受力面的單位長(zhǎng)度所發(fā)生的形變 切應(yīng)變相當(dāng)于晶體切變角的正切值。 727.4 晶體的壓電性質(zhì)n2 晶體的介電性質(zhì)和彈性 q晶體的彈性 n3)彈性 應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系 ijijklklSs TijijklklTcSs為彈性柔順系數(shù)，c為彈性剛度系數(shù)。它們都是四階張量，各有81個(gè)分量。但由于應(yīng)力和應(yīng)變都是對(duì)稱(chēng)張量，i和j，k和l可互換位置；另外，彈性柔順系數(shù)和彈性剛度系數(shù)也是對(duì)稱(chēng)的，ij和kl的位置可互換。因此，s和c都只有21個(gè)獨(dú)立分量。 737.4 晶體的壓電性質(zhì)n3 晶體的機(jī)電耦合效應(yīng)q壓電方程 1)以應(yīng)力T和電場(chǎng)強(qiáng)度Ej作為自變量 TiijjiDEd TEjjSd Es T2)以應(yīng)

42、變S和電場(chǎng)Ej作為自變量 siijjiDEd SEjjTe Ec S 3)以應(yīng)力T和電位移Dj作為自變量 TiijjiEDg TDjjSg Ds T4)以應(yīng)變S和電位移Dj作為自變量 siijjiEEh SDjjTh Dc S 747.4 晶體的壓電性質(zhì)n3 晶體的機(jī)電耦合效應(yīng) q電致伸縮效應(yīng)n電致伸縮效應(yīng)是一種高階機(jī)電耦合效應(yīng)，它指的是當(dāng)外加電場(chǎng)作用于電介質(zhì)時(shí)，所產(chǎn)生的應(yīng)變近似正比于電場(chǎng)強(qiáng)度（或極化強(qiáng)度）的平方。n因此要比線(xiàn)性壓電效應(yīng)要弱。各種類(lèi)型的固體電介質(zhì)都有電致伸縮效應(yīng)。n比如BaTiO3鐵電陶瓷是各向同性體，不存在壓電效應(yīng)，但存在電致伸縮效應(yīng)。對(duì)于沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中心的晶體，起主要作用的是壓

43、電效應(yīng)；對(duì)于具有對(duì)稱(chēng)中心的晶體，由于不存在壓電效應(yīng)，就要考慮電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)。 757.4 晶體的壓電性質(zhì)n3 晶體的機(jī)電耦合效應(yīng) q電致伸縮效應(yīng)圖7.21 壓電效應(yīng)與電致伸縮效應(yīng) ijijklklxQP PijijklklxME EQ 、M為電致伸縮常數(shù) 767.4 晶體的壓電性質(zhì)n3 晶體的機(jī)電耦合效應(yīng) q機(jī)電耦合系數(shù) 2k 機(jī)電轉(zhuǎn)換獲得的能量輸入的總能量機(jī)電耦合系數(shù)是一個(gè)小于1的因子。應(yīng)當(dāng)注意的是，不要把機(jī)電耦合系數(shù)看成是能量轉(zhuǎn)換效率。這是因?yàn)樵趬弘婓w中，沒(méi)有被轉(zhuǎn)換的那部分能量是以電能或是彈性能的形式可逆的存儲(chǔ)在壓電體中。k2只是表示能量轉(zhuǎn)換的有效程度。例如，一個(gè)k2=0.5的壓

44、電振子，在諧振時(shí)期能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)90%以上。 777.4 晶體的壓電性質(zhì)n4 常用壓電材料787.4 晶體的壓電性質(zhì)n4 常用壓電材料q石英晶體zxyoxzyobzoxacy( a )( b )( c )石英晶體的縱向軸z稱(chēng)為光軸，經(jīng)過(guò)六面體棱線(xiàn)并垂直于光軸的x軸稱(chēng)為電軸，與x和z軸同時(shí)垂直的軸y稱(chēng)為機(jī)械軸。 沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“縱向壓電效應(yīng)”，沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“橫向壓電效應(yīng)”。沿光軸z方向的力作用時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。797.5 晶體的鐵電性質(zhì)n1 自發(fā)極化與熱釋電效應(yīng) 如果晶胞本身的正、負(fù)電荷中心不重合，也就是說(shuō)，晶胞具有一定的固有電

45、偶極矩。那么由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性和重復(fù)性，晶胞的固有電矩便會(huì)沿同一方向整齊排列，使晶體處于高度的極化狀態(tài)之下，由于這種極化狀態(tài)是在外電場(chǎng)為零時(shí)自發(fā)建立起來(lái)的，因此稱(chēng)為自發(fā)極化自發(fā)極化。 在21種不存在對(duì)稱(chēng)中心的點(diǎn)群中，有10種含有單一對(duì)稱(chēng)軸的點(diǎn)群可能會(huì)產(chǎn)生自發(fā)極化。這10個(gè)點(diǎn)群是1，m，mm2，2，3，3m，4，4mm，6，6mm。屬于這10個(gè)點(diǎn)群的極性晶體，結(jié)構(gòu)上的單一對(duì)稱(chēng)軸便成為極軸。但是否具有自發(fā)極化，還要看其組成單元本身（晶胞）是否帶有極性。 807.5 晶體的鐵電性質(zhì)n1 自發(fā)極化與熱釋電效應(yīng)q熱釋電效應(yīng)自發(fā)極化所建立的表面束縛電荷被外來(lái)的表面自由電荷所屏蔽，束縛電荷建立的電場(chǎng)被抵消

46、。但當(dāng)溫度發(fā)生改變當(dāng)溫度發(fā)生改變時(shí)，由于離子鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角鍵長(zhǎng)和鍵角發(fā)生變化，自發(fā)極化強(qiáng)度P也將發(fā)生變化。這是被自發(fā)極化束縛在表面的自由電荷層就要發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整，如將電荷釋放出來(lái)，使得晶體顯示出帶點(diǎn)狀態(tài)或在閉合電路中產(chǎn)生電流。這一現(xiàn)象就是熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)。 顯而易見(jiàn)，應(yīng)力也會(huì)改變晶體內(nèi)的極化強(qiáng)度，因而熱釋電晶體總是具有壓電效應(yīng)。 817.5 晶體的鐵電性質(zhì)n1 自發(fā)極化與熱釋電效應(yīng)q熱釋電效應(yīng)q三種熱釋電效應(yīng)n初級(jí)熱釋電效應(yīng)受夾狀態(tài)（不發(fā)生形變）n次級(jí)熱釋電效應(yīng)自由狀態(tài)（發(fā)生形變）n第三熱釋電效應(yīng)有溫度梯度Pp Tp為熱釋電系數(shù) 實(shí)際測(cè)量中，多數(shù)為自由狀態(tài)下的熱釋電效應(yīng)，其值為初級(jí)和次級(jí)兩

47、項(xiàng)熱釋電效應(yīng)之和。而第三熱釋電效應(yīng)通常很小，往往可以忽略。827.5 晶體的鐵電性質(zhì)n2 鐵電體與電疇q這類(lèi)晶體由于正負(fù)電荷的分離，在沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，在某一溫度范圍內(nèi)可自發(fā)極化，且極化強(qiáng)度隨外電場(chǎng)的反向而反向，這類(lèi)晶體稱(chēng)為鐵電體。q少數(shù)的熱釋電體，其自發(fā)極化強(qiáng)度矢量卻能在外電場(chǎng)的作用下，沿某幾個(gè)特定的晶向重新定向。這種熱釋電體就是鐵電體。鐵電體是熱釋電體的一個(gè)亞類(lèi)，自發(fā)極化能被外電場(chǎng)定向是其最重要的特性。q鐵電體具有壓電性和熱釋電性。 具有熱釋電效應(yīng)的晶體可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化不為外電場(chǎng)所轉(zhuǎn)向的晶體；另一類(lèi)是自發(fā)極化可為外電場(chǎng)所轉(zhuǎn)向的晶體，即鐵電體。 837.5 晶體的鐵電

48、性質(zhì)n2 鐵電體與電疇q電疇n90疇壁 n180疇壁 鐵電體在晶體內(nèi)部退極化電場(chǎng)的作用下，會(huì)分裂出一系列自發(fā)極化方向不同的小區(qū)域，使其各自所建立的退極化電場(chǎng)互相補(bǔ)償，直至整個(gè)晶體對(duì)內(nèi)、對(duì)外均不顯示出電場(chǎng)為止。這些由自這些由自發(fā)極化方向相同的晶胞所構(gòu)成的小區(qū)域成為電疇，相鄰電疇的發(fā)極化方向相同的晶胞所構(gòu)成的小區(qū)域成為電疇，相鄰電疇的界面稱(chēng)為疇壁。界面稱(chēng)為疇壁。 847.5 晶體的鐵電性質(zhì)n2 鐵電體與電疇q電疇n典型的BaTiO3 鐵電晶體在5120溫度范圍內(nèi)屬于四角晶系。相鄰電疇的自發(fā)極化方向反平行的180電疇和相互垂直的90電疇。反平行電疇之間的界面稱(chēng)為180疇壁，而相互垂直的電疇之間的界面

49、則為90疇壁。 857.5 晶體的鐵電性質(zhì)n3 電滯回線(xiàn) 圖7.25 鐵電體的電滯回線(xiàn) OA B CCB D F通常鐵電晶體是多電疇體，需要在強(qiáng)電場(chǎng)下轉(zhuǎn)變成單疇晶體。多疇轉(zhuǎn)單疇的過(guò)程極化Ps：無(wú)電場(chǎng)時(shí)單疇的自發(fā)極化強(qiáng)度；Pr：剩余極化強(qiáng)度；EC ：矯頑場(chǎng)強(qiáng)。867.6 電介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì) n1 折射率與雙折射 q折射率 /nc v0r/n 物質(zhì)的折射率主要取決于介質(zhì)中原子的極化率及其堆積密度。許多電介質(zhì)晶體的折射率都很高。由于大部分的電介質(zhì)的禁帶寬度在5eV以上，因而在可見(jiàn)光頻段，即波長(zhǎng)為400-800nm的范圍內(nèi)是透明的。 對(duì)于非磁性介質(zhì) 0001/c 1/v877.6 電介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì) n1

50、 折射率與雙折射 q色散現(xiàn)象 晶體的折射率與光的頻率（或波長(zhǎng)）有關(guān)，這被稱(chēng)為色散現(xiàn)象。 2220022220012nenm 實(shí)際電介質(zhì)材料的色散現(xiàn)象很復(fù)雜，這主要是材料中引起色散現(xiàn)象的外層電子有很多種，其固有振動(dòng)頻率各不相同。 光是一種電磁波，色散現(xiàn)象是電磁波對(duì)電介質(zhì)作用的結(jié)果。 887.6 電介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì) n1 折射率與雙折射 q雙折射 晶體的折射率n是各向異性的，并可用光率體來(lái)形象表示。由麥克斯韋理論可知，對(duì)應(yīng)于同一波前法向方向，有2個(gè)面偏振的波在晶體中傳播，這兩個(gè)這兩個(gè)波的傳播速度不同波的傳播速度不同，把這兩個(gè)波的c/v比值也不相同，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為雙折射。雙折射可用這兩個(gè)波的折射率之差

51、n來(lái)表示。 2223122221231xxxnnn897.6 電介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì) n2 電光效應(yīng) 一般情況下，電場(chǎng)E0對(duì)晶體折射率的影響 2000nnaEbE由電場(chǎng)的一次線(xiàn)性項(xiàng)aE0 造成的折射率變化稱(chēng)為一次電光效應(yīng)，或是普克爾（Pockels）效應(yīng)。由二次項(xiàng) 所造成的折射率變化稱(chēng)為二次電光效應(yīng)，或是克爾（Kerr）效應(yīng)。一次電光效應(yīng)類(lèi)似于壓電效應(yīng)，只能出現(xiàn)在沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中心的晶體中。而二次電光效應(yīng)則存在于所有的電介質(zhì)中。 20bE外加電場(chǎng)可電介質(zhì)的折射率或介電常數(shù)的改變，從而使光的傳播特性發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電介質(zhì)的電光效應(yīng)。 907.6 電介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì) n3 彈光效應(yīng)q彈性應(yīng)變使得許多鐵電體

52、和非鐵電體的折射率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為彈光效應(yīng)。q如果晶體的彈性應(yīng)變是由晶體內(nèi)部通過(guò)壓電效應(yīng)產(chǎn)生的，或是從外部施加的聲波造成的，則這一現(xiàn)象稱(chēng)為聲光效應(yīng)。 20nna Xb X對(duì)于具有對(duì)稱(chēng)中心的晶體，電場(chǎng)反向時(shí)，晶體內(nèi)部離子間的相對(duì)位置沒(méi)有什么變化，晶體的折射率不發(fā)生變化，但應(yīng)力反向，即由張應(yīng)力變成壓應(yīng)力時(shí)，晶體內(nèi)部離子的相對(duì)位置不同，從而晶體的折射率發(fā)生改變。因此，這些晶體盡管沒(méi)有一次電光效應(yīng)，卻會(huì)產(chǎn)生一次彈光效應(yīng)。 917.6 電介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì) n4 聲光效應(yīng) 光在各向異性介質(zhì)中傳播，滿(mǎn)足折射率橢球方程 22111ijijijx xnn在線(xiàn)性近似條件下 21ijklklijP unPijk

53、l是個(gè)對(duì)稱(chēng)的四階張量，稱(chēng)為應(yīng)變彈光系數(shù) 聲光介質(zhì)對(duì)入射光波的相位調(diào)制 0knl當(dāng)介質(zhì)中存在聲波時(shí)，內(nèi)部的彈性形變導(dǎo)致折射率發(fā)生改變 927.6 電介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì) n5 熱光效應(yīng) 圖7.26 鈮酸鋰的折射率溫度曲線(xiàn) 當(dāng)介質(zhì)中溫度發(fā)生變化時(shí)，其光學(xué)參數(shù)折射率n和雙折射n均發(fā)生很大的變化，這就是熱光效應(yīng)。 937.7 鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) n1 鐵電材料的分類(lèi) q按照結(jié)晶化學(xué)分類(lèi) q按照鐵電體極化軸的多少分類(lèi) 一類(lèi)是含有氫鍵的晶體；另一類(lèi)是雙氧化物晶體，如KNbO3、Cd2Nb2O7、BaTiO3、LiNbO3等。這類(lèi)晶體在結(jié)構(gòu)上常具有氧八面體結(jié)構(gòu)基元，并在氧離子之間的空隙中填有陽(yáng)離子。一類(lèi)是只含單一

54、的極化軸的鐵電晶體；另一類(lèi)是可沿幾個(gè)晶軸方向極化的鐵電晶體。947.7 鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) n1 鐵電材料的分類(lèi) q按照晶體在順電相有無(wú)對(duì)稱(chēng)中心來(lái)分類(lèi) q按照順電-鐵電相轉(zhuǎn)變的微觀機(jī)制分類(lèi) 一類(lèi)是在順電相時(shí)沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中心，即具有壓電效應(yīng)的晶體；另一類(lèi)是順電相時(shí)有對(duì)稱(chēng)中心，即沒(méi)有壓電效應(yīng)的晶體。 一類(lèi)是位移型轉(zhuǎn)變的鐵電晶體，如BaTiO3等具有氧八面體結(jié)構(gòu)的雙氧化物；另一類(lèi)是有序-無(wú)序型轉(zhuǎn)變的鐵電晶體，如KDP、TGS等含氫鍵的化合物。 957.7 鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) n1 鐵電材料的分類(lèi) q鐵電晶體材料之所以發(fā)展很快，是由鐵電晶體本身的一些特點(diǎn)決定的：q一、鐵電晶體必然是熱釋電晶體、壓電晶體和電

55、介質(zhì)晶體。具有鐵電性的晶體在許多方面的應(yīng)用，遠(yuǎn)比利用鐵電現(xiàn)象本身廣泛得多。q二、對(duì)于鐵電現(xiàn)象本身的研究，很有理論價(jià)值和實(shí)用前景。n特別是對(duì)于鐵電晶體的相變和臨界現(xiàn)象的研究，已從傳統(tǒng)的熱力學(xué)唯象理論發(fā)展到晶格動(dòng)力學(xué)理論(即軟模理論)。電性在信息存貯、固體顯示等方面都顯示出巨大的應(yīng)用前景。 967.7 鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)n2 鈦酸鋇的晶體結(jié)構(gòu) 鈦酸鋇是第一種被發(fā)現(xiàn)具有鐵電特性的陶瓷材料。 屬于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)：ABO3 A離子周?chē)?2個(gè)氧離子，而B(niǎo)離子則位于氧八面體位的間隙處。AOBO2RRt RR977.7 鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)n2 鈦酸鋇的晶體結(jié)構(gòu) 圖7.29 在不同溫度條件下，鈦酸鋇晶體結(jié)構(gòu)的變化

56、 987.7 鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)n2 鈦酸鋇的晶體結(jié)構(gòu) 圖7.30 鈦酸鋇晶體中，立方晶系-四方晶系形變時(shí)的離子位移 圖7.31 鈦酸鋇晶體晶軸長(zhǎng)度的變化 997.7 鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)n3 鈦酸鋇的鐵電性質(zhì)q晶體結(jié)構(gòu)對(duì)極化的影響 0附近，正交晶系，晶體對(duì)稱(chēng)性下降 ，沿011方向極化。-80附近，三方晶系，對(duì)稱(chēng)性繼續(xù)下降 ，沿111方向極化。130時(shí)，具有立方對(duì)稱(chēng)性，無(wú)鐵電性。130時(shí)，四方晶系 ，沿c軸自發(fā)極化，呈現(xiàn)出明顯的鐵電性質(zhì)。用很小的外電場(chǎng)加在單晶體a軸方向所測(cè)量的介電常數(shù)可達(dá)6000，可是當(dāng)外場(chǎng)沿c軸作用時(shí)，介電常數(shù)僅數(shù)百。這兩種情況下所得到的介電常數(shù)相差很大表明，在外場(chǎng)作用下，離子容易沿垂直于極化軸的方向發(fā)生位移。 130：居里溫度：居里溫度 1007.7 鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)n3 鈦酸鋇的鐵電性質(zhì)