電介質物理與材料

關于電介質物理與材料第1頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三1．基本概念1.1電介質(dielectric)一切絕緣體統(tǒng)稱為電介質。電介質的基本屬性：在外電場作用下，電介質內(nèi)部原子分子發(fā)生位移運動，稱之極化，這種極化能在電介質內(nèi)部長期存在，相應地，極化可以形成電場,并且這種電場反過來可以影響外電場。具有上述極化能力的物質就是電介質。1）靜電場中，電介質內(nèi)部能夠存在電場；2）電介質內(nèi)部束縛電荷這種物理現(xiàn)象和過程與金屬有明顯的區(qū)別：在靜電平衡態(tài)，金屬導體內(nèi)部，不存在自由電荷，其內(nèi)部電場是等于零的。或者說，金屬導體內(nèi)不存在束縛電荷。這一事實，已在靜電學中應用高斯定理得到了證明。第2頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三電力線能穿過的物質，也就是能存在較強電場，且具有明顯極化特性的材料。存在束縛電荷。需要明確的兩個概念電介質束縛于電介質內(nèi)的正原子實和其它負電子。束縛電荷不可以自由運動，只能做局域位移。這些特點與電介質的原子結構、電子結構、晶體結構有關。（客觀存在，與是否有電磁作用無關）電介質內(nèi)部的束縛電荷來源和特點第3頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三1.2電介質物理研究特點電介質物理主要研究介質內(nèi)部束縛電荷行為特征和移動機制。1）在場（電、光、磁、應變場）作用下，電介質發(fā)生電極化，電介質物理研究特點之一是：首先描述介質極化過程和機制，其次，闡明極化規(guī)律，即電極化與電介質結構的關系。2）電介質物理也研究絕緣材料的電導或漏導、電擊穿過程，指導電絕緣材料設計（強電技術）。3）金屬也具有類介電效果，但意義完全不同。金屬的類介電性來源于電子氣運動中感生出虛空穴（正電荷），引起動態(tài)屏蔽效應。但是，金屬內(nèi)不涉及束縛電荷，不能把金屬的介電性列入電介質物理研究的范疇。第4頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三1.3電介質的電子結構特征與電響應特征1）電子結構特征用固體能帶理論，可將電介質定義為這樣一種物質：電介質能級圖中，基態(tài)被占滿，基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間被很寬的禁帶隔開，電子激發(fā)到導帶必須足夠的能量，這個能量大到可使電介質遭到破壞，見示意圖。將電介質的能帶結構和半導體、導體的能帶結構相比較，可以看出，他們有明顯的區(qū)別。第5頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三2）電響應特征電介質對電場的響應特性不同于金屬導體。金屬的特點是電子共有化，體內(nèi)有自由載流子，這就決定了金屬具有良好的導電性。它們以傳導方式傳遞電作用。電介質中，一股只存在束縛電荷。在電場的作用下，電荷不能以傳導方式而只能以感應的方式作用，即以其中正、負電荷受電場驅使形成正、負電荷中心不相重合的電極化方式來傳遞和記錄電場的影響。不同電介質電極化機制不同，但他們響應電場的作用是共同的——電極化方式。因此，研究電介質在電場作用下發(fā)生極化的物理過程并導出相應的極化規(guī)律，是電介質物理的一個重要課題。第6頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三綜上所述，電介質體內(nèi)沒有自由電荷，有良好的絕緣性能。在工程應用上，通常需要將電路中具有不同電位的導體彼此隔開，要使用電介質材料，利用的就是電介質的絕緣特性，從這個意義上講，電介質又可稱為絕緣材料

(Insulatingmaterial)或絕緣體(Insulator)。工程上應用的電介質與理想的電介質不同，主要區(qū)別是：實際電介質在電場作用下存在漏電流和電能的耗散，甚至在強電場下，實際電介質還可能被破壞。因此，除了要研究電極化外，還要研究電介質的電導、損耗、擊穿等特性。這些就是電介質物理需要研究的主要問題。第7頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三2.電介質的分類電介質種類繁多，組成物質結構亦千差萬別?？梢詮牟煌嵌葘﹄娊橘|進行分類。1）按材料類可將電介質分為：無機電介質和有機電介質兩大類。無機電介質：云母、玻璃、陶瓷等一類的無機材料。有機電介質：礦物油、紙、高分子聚合物等有機材料。2）按照物質的聚集態(tài)可將電介質分為：氣體介質(如空氣)液體介質(如電容器油)固體介質第8頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三3）按組成物質原子排列的有序化程度分類晶體電介質：石英晶體、陶瓷晶體等非晶態(tài)電介質：玻璃、塑科、一些非晶陶瓷等前者表現(xiàn)為長程有序，而后者只表現(xiàn)為短程有序。4）按分子電極性分類工程應用上常常按照電荷在介質空間分布進行分類。非極性電介質：無外電場作用時，介質的正、負電荷中心重合。如聚四氟乙烯薄膜、變壓器油等。聚四氟乙烯的分子結構：第9頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三極性介質：由正、負電荷中心不重合的極性分子組成。如電容器紙的主要成分—纖維素及聚氯乙烯薄膜等。第10頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三5）其他按照介質成分均勻度進行分類：均勻電介質

(如聚苯乙烯)非均勻電介質

(如電容器紙—聚苯乙烯薄膜復合介質)。還有別的分類：塊狀介質膜狀介質。分類研究電介質，有利于將其性能研究統(tǒng)一在物質共同屬性基礎之上，便于總結出介電性能與材料組成、結構之間相互關聯(lián)的規(guī)律。第11頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三3.電介質材料的研究對象和頻域范圍（1）材料對象及特點固態(tài)電介質，包括晶態(tài)電介質和非晶態(tài)電介質兩大類。例如，玻璃、陶瓷、樹脂、高分子聚合物等，這些材料是良好的絕緣材料。在電場作用下，這類固態(tài)電介質產(chǎn)生不等于零的電偶極矩，形成束縛電荷，這種現(xiàn)象就是電極化。這些能產(chǎn)生電極化的材料也就是電介質材料。例如：絕緣材料：電阻率一般都很高，是典型的電介質材料。寬禁帶半導體：電阻率不很高，不屬于絕緣材料。在電場下可以發(fā)生極化，也歸入到電介質材料體系。例如，III-V族和II-VI族半導體，共價鍵-離子鍵混合結構，表現(xiàn)出電極化和弛豫特征。第12頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三大多數(shù)生物體——駐極體：荷電長期駐留與生物體內(nèi)，荷電分布對電場（包括對交變電場及電磁場）有強烈的介電響應，也被納入到電介質的研究范圍。利用電介質物理學研究生物體的性能是這門學科的一個特點。由于絕大多數(shù)生物體不屬于固態(tài)電介質，在駐極體物理研究領域，對這類介質有專門研究。電介質物理內(nèi)容中一般都不做介紹。第13頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三BroadbandDielectricSpectroscopyPorousmaterialsandcolloidsClustersSingledropletsandporesGlassformingliquidsMacromolecules10-210-410010210410610810101012TimeDomainDielectricSpectroscopyf(Hz)10-6Waterice（2）研究的頻域范圍第14頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三材料結構、電子結構、極化機制與介電性能。電介質基本性能：電極化、電導、介質損耗、介質擊穿等。這些現(xiàn)象和性質統(tǒng)稱為：“電介質在電場作用下發(fā)生的物理過程”，其本質源于電場與電介質的結構、組成之間存在作用關系、機制和規(guī)律，這種規(guī)律性是電介質選材、制造、研究開發(fā)、乃至應用的科學依據(jù)。4.電介質材料的研究內(nèi)容第15頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三材料的結構、電子結構、極化機制與介電性能研究電介質介電能及其機制涉及的基本內(nèi)容包括：材料結構（晶體結構、電子結構）極化機制（電結構決定的微觀極化機制）材料微結構與組織特征（顯微組織、相及其界面等）介電性能（介電常數(shù)、電導、損耗等）介電性能與電介質材料的微結構以及與溫度和外場頻率間有關系，電介質的導熱和導電、損耗、擊穿等與這些因素也有關系。第16頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三材料的結構、電子結構、極化機制與介電性能

下面舉例說明1）原子分子結構、晶體結構原子晶體？離子晶體？共價晶體？混合鍵晶體？無機非晶體？高分子晶體？高分子？（構象、分子量、主鏈、側鏈？？？）極性分子？非極性分子？原子、分子結構不同，對應的微觀極化機制不同。第17頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三材料結構、電子結構、極化機制與介電性能問題一：晶體結構不同，價鍵或化學鍵不同，原子的荷電分布、電子云分布、能帶結構都會不同，極化機制不同。（弛豫、電導）問題二：材料組織、界面結合狀態(tài)不同，對應的介電常數(shù)實部、介電損耗、電導損耗不同。（界面弛豫、界面散射）第18頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三材料的結構、電子結構、極化機制與介電性能-helix-sheetPeptidebond,-helixand-sheetHOCNCCmp=3.6Dq=46.7-0.30.30.4-0.4Lactatedehydrogenase生物大分子，結構復雜，荷電分布不同、其微觀極化機制不同。生物組織不同，極化和介電行為也不同。第19頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三材料的結構、電子結構、極化機制與介電性能H

H3N+—C—COO-

R

生物細胞對電磁場的響應可能會具有多樣性。第20頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三材料的結構、電子結構、極化機制與介電性能2）微觀極化機制通常情形下電介質中的正、負電荷互相抵消，宏觀上不表現(xiàn)出電性，但在外電場作用下可產(chǎn)生變化（響應）：①原子核外的電子云分布產(chǎn)生畸變，從而產(chǎn)生不等于零的電偶極矩，稱為電子云畸變極化；②原來正、負電中心重合的分子或原子，在外電場作用下正、負電中心彼此分離，稱為原子位移極化；③具有固有電偶極矩的分子原來的取向是混亂的，宏觀上電偶極矩總和等于零，在外電場作用下，各個電偶極子趨向于一致排列，從而宏觀電偶極矩不等于零，稱為分子轉向極化。第21頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三材料的結構、電子結構、極化機制與介電性能3）宏觀介電性能電介質極化時，電極化強度P與總電場強度E的關系，

P＝ε0χeE，Ε0真空介電常數(shù)，χe

電極化率，εr＝1＋χe

相對介電常數(shù)。電極化率、介電常數(shù)與外電場的頻率有關，舉例來說：靜電場或低頻電場：上述三種極化類型都參與極化過程。電場頻率增大時形：轉向極化逐漸跟不上外場的變化，介電常數(shù)變?yōu)閺蛿?shù)，介質中電場能量出現(xiàn)損耗，稱為介電損耗。頻率進一步增加-——高頻電場時：轉向極化失去作用，介電常數(shù)減小。第22頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三材料結構、電子結構、極化機制與介電性能在紅外線波段：電介質正、負電中心的固有振動頻率往往與外場頻率一致，產(chǎn)生共振，電介質對紅外線強吸收。介電常數(shù)實部和虛部隨頻率發(fā)生大起大落的變化。在可見光波段：位移極化也失去作用，只有電子云畸變極化作用。光頻區(qū)域的介電常數(shù)實部進一步減小，它對應電介質的折射率，虛部決定了對光波的吸收。第23頁，講稿共26頁，2023年5月2日，星期三在強電場（