第三章 介电材料.ppt.ppt

电介质功能材料 介电材料铁电材料压电材料敏感电介质材料 电功能材料 电导体功能材料 导电材料快离子导体电阻材料超导电体 介电材料本章前几节中讨论的电现象都是以材料中存在的电子 离子和空穴等载流子在电场作用下产生长程迁移而形成的 与此不同 存在另一类材料 即所谓的介电材料 它们是绝缘体 并不存在其中载流子在电场作用下的长程迁移 但仍然有电现象 这种电现象的产生 是因为材料中也存在荷电粒子 尽管这些荷电粒子被束缚在固定的位置上 但可以发生微小移动 这种微小移动起因于材料中束缚的电荷 在电场作用下 正负束缚的电荷重心不再重合 从而引起电极化 如此将电荷作用传递开来 可以说 介电材料的电学性质是通过外界作用 其中包括电场 应力 温度等来实现的 相应形成介电晶体 压电晶体 热释电晶体和铁电晶体 并且依次后者属于前者的大类 其共性是在外力作用下产生极化 这几类材料的属于关系如图4 20所示 第三章介电材料 电介质 dielectricmaterials 又称电介质 是以电极化为特征的材料 是电的绝缘材料 分类 可分气体 液体 固体三大类 气体 天然电介质 空气非极性电介质 n2 he o2 h2 ch4等极性电介质 hcl no液体 非极性 苯 ccl4弱极性 二甲苯 汽油 煤油 变压器油极性 乙醇 水固体 非极性 金刚石 硫磺 聚四氟乙烯ptfe极性 晶体 聚氯乙烯用途 主要用于制造电容器 主要用途 介电材料具有很高的电阻系数 主要的应用是作为电的绝缘体与电容器 绝缘体 用来隔绝电荷在电路中的传导 如高压输电方面用的陶瓷碍子 bell 电容器 用来储存从电路中接收到的电荷的电子元件 marketimpactoffe smartcards 地铁票 行李标签 免接触的信用卡等 1极化polarization 在电场作用下 电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象 称为电介质的极化 2自发极化spontaneouspolarization 在没有外电场作用时 晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化 称为自发极化 在垂直于极化轴的表面上 单位面积的自发极化电荷量称为自发极化强度 单位面积的极化电荷量称为极化强度 它是一个矢量 用p表示 其单位为c m2 3介电常数dielectricconstant 表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数 用 表示 无量纲 介电材料的特征值电极化 在电场作用下分子中正负电荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象1 分子极化率 在电场作用下 介电材料产生电偶极矩 电场e 电介质的极化有3种主要基本过程 即 材料中原子核外电子云畸变产生的电子极化 分子中正 负离子相对位移造成的离子极化 分子固有电矩在外电场作用下转动导致的转向极化 1 电极化现象介电材料本身不荷电荷 但将其置于电场中 在其体积内部和表面会感应出一定量的电荷 这种现象称作电极化现象 这种极化现象可以分为4类 如图4 21所示 电子极化任何材料都是由原子和分子或离子构成的 原子可以看作是由荷正电荷原子实和其外荷负电的电子云所构成的 无电场时 原子时的正电重心和电子云的负电重心是重合在一起的 在电场存在时 正电重心和负电重心发生轻微错位 形成的极化称作电子极化 偶极子极化由偶极分子结合成的共价化合物 偶极子在无电场时是随机取向的 但在电场作用下 偶极子沿电场方向取向 产生的电极化称作偶极极化 离子极化离子化合物是由正负离子按照一定堆积方式形成的 正负离子之间依靠静电引力形成离子键 离子晶体中 正负离子没有平动和转动 只有振动 粒子间距离虽有微动 但其方向和大小都是随机的 因此 整体上正电和负电重心是重合在一起的 保持电中性 在电场作用下 正 负离子分别沿着不同电场方向取向 趋向于与外电场一致的方向 产生的极化称作离子极化 2 极化强度p介电材料的极化强度是单位体积内电偶极矩的矢量和 极化效应的大小通常用单位体积内的电偶极矩或其介质表面的极化电荷密度来衡量 称作电极化强度p 相应电场强度为e 那么有 p e4 4 1式中 定义为介电晶体的电极化率 决定于介电物质的本质 电极化率可以分解为电子极化率 e 离子极化率 i 偶极极化率 d 总极化率 是它们的总和 e i d4 4 2 这3种极化作用并非在任何类型的介电材料中都等额地存在 在一种类型的材料中 往往只有一种或二种极化起主导地位 一般说来 电子极化存在于一切类型的固体物质中 离子极化主要存在于离子晶体中 偶极极化主要存在于具有永久偶极的物质中 空间极化则主要存在于那些结构非理想的 内部可以发生某种长程电荷迁移的介电物质中 例如氯化钠晶体中存在阴离子空位时 阳离子可以优先向负极方向迁移 因此在电极 nacl界面处建立了一个双电层 当然 这类效应显著时 则形成了导体或快离子导体 而不再是介电质了 另外 上述4种极化率的大小程度也不相同 一般大小次序为 e i d4 4 3 3 静态介电常数 介电常数表征介质在外电场作用下极化程度的物理量 介电常数代表了电介质的极化程度 也就是对电荷的束缚能力 介电常数越大 对电荷的束缚能力越强 用 表示 其单位是f m 1 介电常数的大小用于衡量绝缘体储存电能的性能 它是两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比 静态介电常数与极化强度p的关系为 4 相对介电常数 r 有时用 或k表示 其中 是指介质的绝对介电常数 而 0是指真空介电常数8 85 10 12f m 5 动态介电常数实际上 介电常数并不是一个不变的数 在不同的条件下 其介电常数也不相同 在交变电场作用下 介质的介电常数是复数 虚数部分反映了介质的损耗 极化强度与电场频率的关系图 6 介电损耗在交变电场中 在每秒内 每立方米电介质消耗的能量称介电损耗 7 电导率漏电电导率和位移电导率引起 8 击穿电压电介质承受的电压超过一定值后 就丧失了电介质的绝缘性 这个电压叫做击穿电压 高介电常数材料和低介电常数材料介电常数k比si3n4 k 7 大的材料称为高介电常数材料 而其k值比sio2 k 3 9 小的材料称为低介电常数材料 k的最小值为1 空气中 最大k值材料 铁电体 为24700 频率1khz时 高介电常数材料dram 动态随机存取存储器 上单个电容器的面积在急剧减小 解决这一问题的办法是使用较薄的传统电介质 sio2和si3n4 随着存储器芯片 速度 超过64m 位 这一方法不再有效 因为欲达到所需元件电容量 材料需薄至1nm以下 这样 它们 随着现代存储器芯片工作电压的下降 就会产生不能容忍的漏电流或严重的 击穿 按电容器方程 c s 4 kd 很明显 只剩一个参数来调整 那就是介电常数 所以开发大介电常数材料 使电容器电介质可维持其 坚固 的厚度 又能提供有效的电荷存储 仅管其面积和存储电压在继续下降 低介电常数材料或称low k材料通过降低集成电路中使用介电材料的介电常数 可以降低集成电路的漏电电流及寄生电容 传统半导体使用二氧化硅作为介电材料 二氧化硅的介电常数约为4 铁电材料发展历史 166 5 5年前后法国larochelled地方人pierredelaseignette最早试制成功罗息盐 rs 酒石酸甲钠 nakc4h4o6 4h2o sodiumpotassiumtartratetetrahydrate 1920年法国人valasek发现罗息盐的特异的非线性介电性能 导致了 铁电性 概念的出现 1920年成为铁电物理学研究开始的象征 目前 世界上存在200多种铁电体 铁电材料ferro electricmaterials1920年valasek france 酒石酸钾钠nakc4h4o6 4h2o所谓铁电材料 是指材料的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化现象 其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向 铁电材料的这种特性被称为 铁电现象 或 铁电效应 其特点是不仅具有自发极化 而且在一定温度范围内 自发极化偶极矩能随外加电场的方向而改变 它的极化强度p与外施电场强度e的关系曲线如图所示 与铁磁材料的磁通密度与磁场强度的关系曲线 b h曲线 极为相似 极化强度p滞后于电场强度e 称为电滞曲线 电滞曲线是铁电材料的特征 即当铁电晶体二端加上电场e后 极化强度p随e增加沿oab曲线上升 至b点后p随e的变化呈线性 bc线段 e下降 p不沿原曲线下降 而是沿cbd曲线下降 当e为零时 极化强度p不等于零而为pb 称为剩余极化强度 只有加上反电场eh时p方等于零 eh称为铁电材料的矫顽电场强度 cbdfghic构成整个电滞曲线 铁电晶体是由许多小区域 电畴 所组成 每个电畴内的极化方向一致 而相邻电畴的极化方向则不同 在外电场作用下 极化沿电场方向的电畴扩大 在某一温度以上 铁电材料的自发极化即消失 此温度称为居里点 典型铁电材料有 钛酸钡 batio3 磷酸二氢钾 kh2po4 等 过去对铁电材料的应用主要是利用它们的压电性 热释电性 电光性能以及高介电常数 近年来 由于新铁电材料薄膜工艺的发展 铁电材料在信息存储 图像显示和全息照像中的编页器 铁电光阀阵列作全息照像的存储等已开始应用 这些材料可以是单晶 陶瓷 聚合物等 与铁元素没有直接关系 dram铁电现象是在一种名为钙钛矿的材料中发现的 而钙钛矿材料的晶格点阵中的离子 是在某一方向上被分离成的正负离子 也就是在钙钛矿晶体内部产生了一个电耦极子 当给这种晶体加上一个电压时 这些耦极子就会在电场作用下排列 改变电压的方向 可使耦极子的方向反转 耦极子的这种可换向性 意味着它们可以在记忆芯片上表示一个 信息单元 而且 即使在电压断开时 这些耦极子也会保持在原来的位置 使铁电存储器不用电就能保存数据 这与大多数计算机中使用的随机存取存储器的记忆芯片明显不同 后者需要用电才能保存数据 电畴ferroelectricdomain 铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴 10 m 电畴与电畴之间的交界称为畴壁 两种 90 畴壁和180 畴壁 铁电晶体内自发极化一致的区域称为电畴 铁电体中一般包含着多个电畴 两个相邻电畴自发极化间的夹角可以为180 或90 分别称为180 畴和90 畴 batio3陶瓷材料的铁电性能在1942年被人们发现 由于其性能优良 工艺简便 很快被应用于介电 压电元器件 1954年人工法成功制备出batio3单晶 至今 batio3陶瓷仍是应用的最广泛和研究得比较透彻的一种铁电材料 batio3陶瓷材料 120 立方晶胞 6 120 四方晶胞 90 6 斜方晶胞 90 三方晶胞 batio3晶体结构有立方相 四方相 斜方相和三方相等晶相 均属于钙钛矿型结构的变体 四方相 斜方相和三方相为铁电相 立方相为顺电相 batio3的晶体结构 batio3在室温附近 20 为铁电相 当温度高于居里温度 120 铁电相转变为顺电相 顺电相batio3的结晶学原胞如图所示 顺电相batio3的结晶学原胞 整个batio3晶格可以看成是由ba ti o o o 各自构成的简单立方格子套构而成 在钙钛矿结构中 有一种非常重要的结构 氧八面体结构 钙钛矿结构中氧八面体结构和金刚石结构中的正四面体结构是固体物理学中两类非常重要的典型结构 batio3的介电 温度特性 介电常数随温度的变化显示明显的非线性 室温介电常数一般为3000 5000 在居里温度处 120 发生突变 可达10000以上 世界首次实现硅基板上光学晶体对红外光的