材料物理-材料的介電性能課件

材料的介電性能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(nèi)部原子或者電子的排布。1、施加電壓，導電材料內(nèi)部的電子會發(fā)生定向遷移。問題的引入材料的所有性能，都取決于原子和電子的排布狀態(tài)。如果外界環(huán)境波施加電壓，導電材料內(nèi)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(nèi)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：ρ＜10-3Ωcm例如：ρCu~10-6Ωcm

半導體：10-2Ωcm＜ρ＜109ΩcmρGe=0.2Ωcm

絕緣體：ρ＞109Ωcm問題的引入●電阻率問題的引入如果給絕緣體施加電場，絕緣體內(nèi)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？如果給絕緣體施加電場，絕緣體內(nèi)部的電子會不會重新排布？問題的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1、介電材料在電場中的極化介電材料（dielectricmaterial）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。1、介電材料在電場中的極化介電材料（dielectricm2、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10～20千伏的高電壓。2、介電材料在其它環(huán)境中的極化應變場中的極化------壓電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(chǎn)生的閃光，產(chǎn)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)境中的極化在完全黑暗的環(huán)境中，將一塊干燥2、介電材料在其它環(huán)境中的極化壓電效應：某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)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。FF＋＋＋＋＋＋－－－－－－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(zhì)，當沿著一2、介電材料在其它環(huán)境中的極化逆壓電效應：當在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)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)境中的極化逆壓電效應：當在電介質(zhì)的極化方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)境中的極化應變場中的極化------壓電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)境中的極化電荷對稱分布應變場中的極化--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)境中的極化電荷分布不對稱應變場中的極化-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2、介電材料在其它環(huán)境中的極化應變場中的極化------壓電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2、介電材料在其它環(huán)境中的極化溫度場中的極化------熱電有極分子（Polarmolecule）在無外場作用下存在固有電矩例如，H2OHclCOSO2

因無序排列對外不呈現(xiàn)電性。電子云的正電中心電介質(zhì)+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–無外場時，電偶極子雜亂無章的排列+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–外場存在時，電偶極子沿外場排列+–+–+––+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–極化面電荷取向極化有極分子（Polarmolecule）電子云的電介質(zhì)+–+3、極化機制電子位移極化無極分子（Nonpolarmolecule）在無外場作用下整個分子無電矩。例如，CO2H2N2O2He無極分子，正負電荷中心重合在外場的作用下，二者分離，形成電偶極子–––––+++++–––––+++++–––––+++++++++––––+–極化面電荷束縛電荷3、極化機制電子位移極化無極分子（Nonpolarmole3、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(zhì)量遠高于電子質(zhì)量,因此極化建立的時間也較電子慢,大約為10-12～10-13

s。3、極化機制離子位移極化離子在電場作用下偏移平衡位置的移動;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(zhì)引入、化學成分局部改變等因素。使得在局部范圍內(nèi)出現(xiàn)導帶，這樣一來，電子可在局部范圍內(nèi)發(fā)生遷移。帶隙空帶非導體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(zhì)引入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(jié)點,能量最低最穩(wěn)定,它們在極化狀態(tài)時,只能產(chǎn)生彈性位移,離子仍處于平衡位置附近。而在玻璃態(tài)物質(zhì)中,結(jié)構(gòu)松散的離子晶體或晶體中的雜質(zhì)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、極化機制離子弛豫極化在完整離子晶體中,離子處于正常結(jié)點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(zhì)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對金屬來說，電子被所以原子個共有，所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(zhì)點分別向外電場的負、正極方向移動,從而表現(xiàn)為極化。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子極化最靈敏，只要稍有風吹草動，就會做出響應電子極化最靈敏，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(zhì)擊穿在強電場作用下，電介質(zhì)喪失電絕緣能力，電介質(zhì)的電導突然增大甚至引起結(jié)構(gòu)損壞或破碎，稱為介電擊穿。①熱擊穿②電擊穿③化學擊穿3、極化機制極化得太過分—電介質(zhì)擊穿在強電場作用下，電介質(zhì)喪3、極化機制①熱擊穿在電場作用下，固體電介質(zhì)承受的電場強度雖不足以發(fā)生電擊穿，但因電介質(zhì)內(nèi)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。帶隙空帶絕緣體3、極化機制①熱擊穿在電場作用下，固體電介質(zhì)承受的電場強度雖②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(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生碰撞電離，形成電子雪崩現(xiàn)象。結(jié)果電導急劇上升，最后導致?lián)舸?。eeeeeee3、極化機制②電擊穿如果電子在散射過程損失的能量，小于電場做的功。eee③化學擊穿在電場、溫度等因素作用下，固體電介質(zhì)因緩慢的電化學反應，改變了電介質(zhì)的組成。

固體電介質(zhì)因離子電導而發(fā)生電解（離子化合物電解得到金屬），結(jié)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(jié)果在兩電極間構(gòu)成導電的通路3、極化機制③化學擊穿在電場、溫度等因素作用下，固體電介質(zhì)因緩慢的電化學提高擊穿電壓措施提高電介質(zhì)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、極化機制提高擊穿電壓措施提高電介質(zhì)材料的均勻性，使電場分布更為均勻。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4、介電材料的應用A、電容材料電介質(zhì)材料壓電材料熱釋電材料鐵電材料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(zhuǎn)向（鐵電）4、介電材料的應用電介質(zhì)材料壓電材料熱釋電材料鐵電材料32種點群-4、介電材料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、存儲電能電池供電穩(wěn)定，但是功率密度（爆發(fā)力）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(wǎng)UPS醫(yī)院手術(shù)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(guān)的分合閘操作電阻焊機及科研測試設備等A、電容材料I、存儲電能小型超級電容器各種微處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(ElectricalDoubleLayerCapacitor,EDLC)。雙電層電容器利用電極材料和電解質(zhì)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(zhì)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、存儲電能根據(jù)存儲電荷的機理,超級電容器分為：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、存儲電能制備高性能的超級電容器有2個途徑:

A、電容材料I、存儲電能碳素材料原理以雙電層為主種類活性炭（AC）；活性炭纖維（CFA）；碳納米管（CNTs）；炭氣凝膠（CAGs）；石墨等優(yōu)點原料豐富價格低廉；比表面大；導電性好；化學穩(wěn)定性高缺點比電容相對較?。荒芰棵芏炔桓哐芯繜狳c活化活性炭（物理/化學）；碳材料的分散高度有序的碳納米管陣列；修飾石墨烯；復合材料：如CNT與金屬氧化物、導電聚合物、石墨烯的復合材料A、電容材料I、存儲電能碳素材料原理以雙電層為主種類活性炭（A、電容材料I、存儲電能金屬氧化物材料原理以法拉第電容為主：離子的吸附/脫吸附和插入/脫出種類貴金屬氧化物（RhO、IrO）；賤金屬氧化物（Co3O4、NiO/NiOH、MnO2、V2O5等）優(yōu)點高的比電容（是碳材料的10~100倍）；穩(wěn)定性好缺點結(jié)構(gòu)致密，導電性能差；電勢窗口太窄研究熱點通過不同的制備方法（如PLD）得到納米化的結(jié)構(gòu)，如已制備了納米棒、納米片納米環(huán)、分級多孔納米花、中空納米球等，主要為了增大表面積，同時有利于離子的傳輸；復合材料A、電容材料I、存儲電能金屬氧化物材料原理以法拉第電容為主：A、電容材料ε：介質(zhì)介電常數(shù)s：極板面積δ：極板間距離εδs

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ε：介質(zhì)介電常數(shù)εδs也可以通過減小極板間距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(nèi)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、壓電材料將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設于柏油B、壓電材料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(zhuǎn)變?yōu)楦哳l聲波B、壓電材料利用逆壓電效應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(lǐng)域，特別是軍事領(lǐng)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(chǎn)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(chǎn)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。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(lǐng)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)電機納米發(fā)電機創(chuàng)始人1961年王中林出生于陜西省蒲城縣高陽鎮(zhèn)，王ZnOZnO納米線B、壓電材料----納米發(fā)電機ZnOZnO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)電機氣相沉積法制作納米線1、利用熱蒸發(fā)的方式，獲得ZnO蒸汽B、氣相沉積工藝中，通過調(diào)節(jié)反應條件，例如溫度、氣流速度、壓強等方式可以調(diào)控納米線的形貌。700度750度800度850度B、壓電材料----納米發(fā)電機氣相沉積工藝中，通過調(diào)節(jié)反應條件，例如溫度、氣流速度、壓強等材料物理-材料的介電性能課件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(gòu)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(chǎn)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Seebeck效應：1823年，德國人SeebeC、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I、熱電效應Pettier效應：1834年，法國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)狀增強熱電材料的熱電性能的有效方式是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(jié)構(gòu)簡單堅固耐用無需運動部件無磨損無噪音III、應用C、熱電材料熱電致冷：III、應用C、熱電材料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(guān)研發(fā)工作，可節(jié)省油耗5%；國內(nèi)相關(guān)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、熱電材料美國、德國、日本、韓國等汽車公司（GM、BMC、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ABIII、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）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(nèi)，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、鐵電材料鐵電材料：具有自發(fā)極化，而且在一定推遲到磁性材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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的晶體中。I、自發(fā)極化與鐵電疇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(nèi)部結(jié)構(gòu)造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(nèi)形成鐵電疇。I、自發(fā)極化與鐵電疇鐵電疇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(jié)構(gòu)。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(nèi)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)極化與鐵電疇對于BaTiO3，130℃以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)極化與鐵電疇例如：對于BaTiO3，當兩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(shù)光的雙折射D、鐵電材料I、自發(fā)極化與鐵電疇電疇的觀測：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I、自發(fā)極化與鐵電疇180°疇90°疇納米薄膜中D、鐵電材料鐵電材料（外部電場與內(nèi)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、鐵電材料鐵電材料（外部電場與內(nèi)部電場的滯后效應）I、自發(fā)D、鐵電材料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一D、