第三章材料物理性能

第三章材料的介电性能本章主要内容电介质及其极化压电性和热释电性铁电性1.以电荷长程迁移即传导的方式（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）对外电场作出响应，这类材料即导电材料；材料对外电场作用的响应2.以感应的方式对外电场作出响应，即沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质；这种现象称为电介质的极化。。极化绝缘体≠电介质将物质分类为绝缘体、半导体、导体、以及超导体时，其依据是物质的电荷传导特性或者说电荷长程迁移特性。电荷的传导（电荷的长程迁移），作为物质对外电场的响应，其宏观表现即为电流。根据欧姆定律:J=σE，其中J为电流密度，E电场强度，而σ为电导率张量(二阶对称张量)。电导率反映了物质的电荷传输特性或电荷长程迁移特性。物质对外电场的响应除去电荷的传导外，还有电荷短程运动与位移。这种电荷的短程运动与位移称为极化(Polarization)，其结果是促使正负电荷中心偏移、从而产生电偶极矩。而以极化方式传递、储存或记录外电场作用和影响的物质就是电介质。显然，电介质中起主要作用的乃是束缚电荷而非自由电荷。极化可以来自极性晶体或分子的自发极化、也可以来自电场的诱导作用。传导与极化是物质对电场的两种主要响应方式，它们虽有主次、但往往同时存在。当我们主要关注其传导特性时，将物质分类为绝缘体、半导体与导体；而当我们重点关注其极化特性时，则将物质分类为顺电体、铁电体、反铁电体、压电体、热释电体等电介质。电介质与绝缘体是相互密切联系、然而并不能等同的两个概念。绝缘体肯定是电介质，但电介质却不仅仅包括绝缘体。虽然大部分实用电介质材料为绝缘体，然而半导体甚至金属都有电介质的特性、只是其对外电场的响应中传导效应远远超过了极化效应而已。介电材料和绝缘材料是电子与电气工程中不可缺的功能材料。3.1电介质及其极化3.1.1平板电容器及其电介质电容：两个临近导体加上电压后存储电荷能力的量度。是表征电容器容纳电荷的本领的物理量电容的单位是法拉，简称法，符号是F,毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF)3.1.2介电常数1）材料因素：ε材料在电场中被极化的能力2）尺寸因素：d和A：平板间的距离和面积如果平板间为真空：在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，CC0真空介电常数：ε0=8.85×10-12F.m-1(法拉/米)相对介电常数：εr介电常数（电容率）：=0r(F/m)介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。dAVQC/0000CCrdAVQCdACCrr/00材料频率范围/Hz相对介电常数二氧化硅玻璃102-10103.78金刚石直流6.6-SiC直流9.70多晶ZnS直流8.7聚乙烯602.28聚氯乙烯603.0聚甲基丙烯酸甲酯603.5钛酸钡1063000刚玉6093）电介质的极化：介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料电介质：在电场作用下能建立极化的物质。在真空平板电容器中，嵌入一块电介质。加入外电场时，在正极附近的介质表面感应出负电荷，负极板附件的介质表面感应出正电荷，这些电荷称为感应电荷或束缚电荷。极化：电介质在电场作用产生束缚电荷的现象。－+偶极子－++++－－－－++－－+－+－+－+－+－+－+－+－+－+自由电荷束缚电荷3.1.2极化相关的物理量1）电偶极矩：带有等量异号电荷并且相距一段距离的荷电质点，形成电偶极矩。对于极性分子电介质，由于分子的正负电荷中心不重合，存在电偶极矩；对于非极性分子电解质，由于外界作用，正负电荷中心瞬时分离，也产生电偶极距。ql电偶极子：具有一个正极和一个负极的分子或结构.极化电荷：和外电场相垂直的电介质表面分别出现的正负电荷，不能自由移动，也不能离开，总保持电中性。2）极化强度P：电介质极化程度的量度，单位体积内的电偶极矩，数值上等于分子表面电荷密度σ；Xe:电极化率,不同材料具有不同的值。VPEPe0它和实际有效电场有关，实际电场包括(1)外加电场；(2)极化电荷自身的电场可以证明：所以有：令电位移D为：代入得：在各向同性的电介质中，电位移等于场强的ε倍。1re)1(0rEPEPe0PED0EEEEPEDrr0000)1(1.电子位移极化无外电场作用+E±-3.1.3极化机制电子位移极化：在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生位移，原子中的正、负电荷重心产生相对位移，形成电矩，称电子的位移极化。特点：1.范围：一切气体、液体及固体介质中2.能耗：具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。不引起能量损耗3.与频率关系：由于电子质量轻，极化速度快，10-14-10-15秒，在各种频率的交变电场下均能产生，与频率无关其平均极化率为：3034Re2.离子位移极化离子位移极化：电介质中的正负离子在电场作用下发生可逆的弹性位移。正离子沿电场方向移动，负离子沿反电场方向移动。由此形成的极化称为离子位移极化。离子在电场作用下偏移平衡位置的移动相当于形成一个感生偶极矩。E特点：1.范围：由离子键构成的电介质中2.能耗：具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。有微量能量损耗3.与频率关系：极化完成时间约为l0-12-10-13s。离子位移极化率：0341naa式中：a为晶格常数；n为电子层斥力指数，对于离子晶体n为7-113、松弛极化（驰豫极化）1）.松弛极化当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定的温度下发生极化。这种极化具有统计性质，叫做松弛极化。2）.特点松弛极化的带电质点在热运动时移动的距离，可与分子大小相比拟，甚至更大。因此这种极化建立的时间较长(可达10-2-10-9秒)，需要吸收一定的能量，是一种非可逆的过程。3）.类型松弛极化包括离于松弛极化，电子松弛极化和偶极子松弛极化，多发生在晶体缺陷区或玻璃体内。（一）电子松弛极化电子松弛极化是由弱束缚电子引起的极化。1.弱束缚电子：晶格的热振动、晶格缺陷、杂质的引入、化学组成的局部改变等因素都能使电子能态发生改变，出现位于禁带中的局部能级，形成弱束缚电子。2.电子松弛极化：电介质在外电场作用下，其中弱联系电子能在一定范围内作定向运动，造成电荷分布不均匀，引起的极化。外加电场使弱束缚电子的运动具有方向性，形成极化状态。这种极化与热运动有关，也是一个热松弛过程，所以叫电子松弛极化。电子松弛极化的过程是不可逆的，必然有能量的损耗。19（二）离子松弛极化离子式电解质在外电场作用下，其中的弱联系离子能在一个或几个离子范围内作定向运动，以致内部电荷分布不均匀，而引起的极化。1）强联系离子：在完整的离子晶体中，离子处于正常结点，能量最低，最稳定，离子牢固地束缚在结点上，称为强联系离子。它们在电场作用下，只能产生弹性位移极化。2)弱联系离子：在玻璃态物质、结构松散的离于晶体中以及晶体的杂质和缺陷区域，离子本身能量较高，易被活化迁移的离子，称为弱联系离子。弱联系离子的极化从一个平衡位置到另一个平衡位置，当去掉外电场时，离子不能回到原来的平衡位置，因而是不可逆的迁移。这种迁移的行程比弹性位移距离大。20kTqaT1222Ta极化率；q为离子荷电量；δ为弱离子电场作用下的迁移；温度越高，热运动对质点的规则运动阻碍增强，极化率减小。离子松弛极化率比位移极化率大一个数量级，可导致材料大的介电常数。离子松弛极化率：4.转向极化(取向极化）偶极分子在无外电场时就有一定的偶极矩，但因热运动缘故，它在各方向运动概率相同，故无外电场时它的宏观电矩为零。但有外电场时，由于偶极子要受到转矩的作用，有沿外电场方向排列的趋势，因而呈现宏观电矩，形成极化。这种极化所需时间较长，约10-2～10-10s,且极化是非弹性的，即撤去外电场后，偶极子不能恢复原状。在极化过程中要消耗能量。转向极化主要发生在极性分子介质中。具有恒定偶极矩μ的分子称为极性分子。在外场不是很高时，取向极化率：kTd320无外场时的均方偶极距比电子极化大2个数量级，但由于分子质量大，极化建立时间慢，约为10-2~10-10s。5.空间电荷极化在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电荷（电子、离子）运动的障碍；在障碍处，自由电荷积聚，形成空间电荷极化。这种极化所需时间最长，约几秒到数十分钟，甚至数十小时。----++++----++++----++++外电场P极化形式极化的电介质种类极化的频率范围与温度的关系能量消耗电子位移极化一切陶瓷直流——光频无关无离子位移极化离子结构直流——红外温度升高极化增强很弱离子松弛极化离子不紧密的材料直流——超高频随温度变化有极大值有电子松弛极化高价金属氧化物直流——超高频随温度变化有极大值有转向极化有机直流——超高频随温度变化有极大值有空间电荷极化结构不均匀的材料直流——高频随温度升高而减小有各种极化形式的比较6、自发极化是一种特殊的极化方式。自发极化不是由外加电场引起的，它是由晶体的内部结构造成的。在此类晶体中，每个晶胞里存在固有电矩，此类晶体称为极性晶体。自发极化现象通常发生在一些具有特殊结构的晶体中。3.1.4宏观极化强度和微观极化率的关系(1)作用于分子、原子上的有效电场（局部电场）Eloc：作用于分子、原子上的有效电场外加电场E0电介质极化形成的退极化场Ed周围的荷电质点作用形成Ei++++++++++++++++++-------------------E0EdEi03PEiidlocEEEE0E宏=E0+Ed质点位置上的局部电场Eloc（有效电场）：Eloc=E0+Ed+P/3o对于气体质点，其质点间的相互作用可以忽略，局部电场与外电场相同。对于固体介质，周围介质的极化作用对作用于特定质点上的局部电场有影响。周围介质的极化作用对作用于特定质点上的电场贡献。（2）.克劳修斯-莫索堤方程iiNPlociiElociiENP03PEPNii宏)1(0rEP宏003)1(PPPNriiiiirrN03121克劳修斯-莫索堤方程克劳修斯-莫索堤方程的意义：建立了可测物理量r（宏观量）与质点极化率（微观量）之间的关系。iiirrN03121相对介电常数偶极子种类极化率偶极子数目宏观介电常数微观介电机制)(3121443322110NNNNirr电子位移极化离子位移极化取向极化空间电荷极化从克劳修斯-莫索堤方程：讨论高介电常数的质点：（r－1）/（r+2）=n/（3o）（r－1）/（r+2）-----r越大其值越大克劳修斯-莫索堤方程的适用范围：适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极性固体、具有适当对称性的固体。介质中质点极化率大，极化介质中极化质点数多，则介质具有高介电常数。电介质在电场作用下，内部通过的电流包括：：电容电流：由样品的几何电容的充电引起电流；：介质极化的建立引起的电流：与极化的松弛（驰豫）过程有关；：介质的电导（漏导）造成的电流：与自由电荷有关。3.2交变电场下的电介质3.2.1复介电常数和介质损耗在真空中的平行平板式电容器两极板上加交变电压U=Uoeit，电容上的电流与外电压相差90o的位相。由Q=CoUU=Q/Co=Idt/CoI=CodU/dt电容上的电流：Ic=iCoU两极板间填充相对介电常数为r的理想介电材料（绝缘、非极性），电容上的电流：I=iCU=irCoU=rIc,电容上的电流与外电压仍相差90o的位相如果介质有微弱的导电，则其中有一个与外加电压相位相同的小电流通过（I=iCU+GU）UiCU设电导G仅由自由电荷产生，则:G