光电功能材料课程.ppt

光电功能材料 5 刘磊电话 84315437Email liulei442 2 电功能材料2 1 导电材料2 2半导体材料2 3介电材料 电介质 2 4 铁电材料 强极性电介质 2 5超导材料 2 3介电材料 电介质 dielectricmaterials 又称电介质 一切绝缘体统称为电介质 或者是在外电场的作用下内部结构发生变化 并且反过来影响外电场的物质 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 硫磺 聚四氟乙烯PTFE极性 云母 玻璃 陶瓷 聚氯乙烯用途 主要用于制造电容器 电介质是指能在电场中极化的材料 电介质在电场作用下产生感应电荷的现象叫极化 介电材料的特征值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 3 静态介电常数 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 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 法 米 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 电介质在外电场作用下 其内部会有发热现象 这说明有部分电能已转化为热能耗散掉 这种介质内的能量损耗称为介质损耗 或者说 在交变电场中 在每秒内 每立方米电介质消耗的能量称为介电损耗 常用tg 表示 其值越大 能量损耗也越大 称介电损耗角 tg 是所有应用于交变电场中电介质的重要的品质指标之一 介质损耗越小越好 7 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 8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 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 在平板电容器中 其电容量C与平板的面积S 板间距离d的关系 即C S 4 kd 式中 为静态介电常数 显然 代表了板间电介质的性能 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 2 4铁电材料ferro electricmaterials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 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 2 5超导材料1911年K Onnes 发现Hg在4 2K超导获1913年诺贝尔奖1931年发现金属锡的正常 超导转变1931年Meissner效应 抗磁体 超导体处于超导态时 体内的磁场恒等于零 1957年Bardeen Cooper和Schrieffer BCS理论 成功解释了超导体的性质 获1972年诺贝尔奖 1962年Josephson 超导量子干涉仪SQUID获1973年诺贝尔奖1970s 非常规超导体发现 重电子超导体和有机超导体 1986年Bednorz和Muller 高温超导体 铜氧化合物LaBaCuO超导体 Tc 30K 未确证 获得1987年诺贝尔物理学奖日本东京大学北泽宏一首次证实美国休斯敦大学朱经武1987年首次宣布得到了90K以上电阻消失的超导体 中国物理所赵忠贤 1987年2月他们小组独立地发现了液氮温度超导体 并首先向世界上公布了其化学成份Ba Y Cu O 这个研究成果推动了很多国家的超导研究梦想 常温超导体 K AlexanderMuller J GeorgBednorz KoichiKitazawa 1987年诺贝尔物理学奖 1990s 掺杂C60超导Tc 30K2000s 常规超导合金 MgB2 Tc 39K 实用化Na0 3CoO2超导超导和磁序共存对超导的研究已经产生8位Nobel奖 还会有 高温超导机理室温超导体 超导体superconductivity 某些物质在一定温度条件下电阻降为零的性质称为超导电性 低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体 从电阻不为零的正常态转变为超导态的温度称为超导临界温度Tc 超导体的电阻率小于目前所能检测的最小电阻率10 26 cm 可以认为电阻为零 2 5超导材料 超导体superconductivity 特性一 完全导电性 超导体进入超导态时 其电阻率实际上等于零 例如 室温下将超导体放入磁场中 冷却到低温进入超导状态 去掉外加磁场后 线圈产生感生电流 由于没有电阻 此电流将永不衰减 即超导体的 持久电流 特性二 完全抗磁性 不论开始时有无外磁场 只有T Tc 超导体变为超导态后 体内的磁感应强度恒为零 即超导体能把磁力线全部排斥到体外 这种现象称为迈斯纳效应 2 5超导材料 特性三 即使在低于临界温度以下 若进入超导体内的电流强度以及周围磁场的强度超过某一临界值时 超导状态被破坏 而成为普通的常导状态 电流和磁场的这种临界值分别称为临界电流Ic和临界磁场Hc临界 临界温度 Tc 临界磁场 Hc 临界电流Ic是约束超导现象的三大临界条件 当温度超过临界温度时 超导态就消失 同时 当超过临界电流或者临界磁场时 超导态也会消失 三者具有明显的相关性 只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界值时 才能发生超导现象 1 金属超导体 目前发现具有超导电性的金属元素有30种 其中过渡族元素19种 如Ti钛 V钒 Zr锆 Nb铌 Mo钼 W钨等 非过渡族元素有11种如Pb铅 Sn锡 Al铝 Ga镓等 超导金属中 铅 Pb 的临界温度最高 达7 196K Rh 的临界温度最低 为0 000325K 超导合金很多 临界温度有所提高 如NbTi二元合金 其临界温度为8 10K NbTiZr三元合金 其临界温度为10K 2 氧化物超导体 氧化物超导材料 1986年 Bednorz和Muller发现了具有较宽转变温度范围的超导体 属于LaBaCu 镧钡铜 系 进入超导态的开始温度为30K 因为该项工作而获得了诺贝尔奖 有机超导体主要有掺碱金属的C60 其中K3C60的Tc为18K Cs铯 Rb铷 C60的Tc为33K 高分子超导体主要是非碳高分子 SN x 3 有机高分子超导体 超导的应用 基本上可以分为强电强磁和弱电弱磁两大类 1 超导强电强磁应用主要基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性以及非理想第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临界磁场 主要应用在电力方面如超导电缆 超导磁体如超导磁悬浮列车 巨大环形超导磁体 超导磁分离等 4 超导材料的应用 电力传输 超导电缆 解决大容量 低损耗输电的重要途径 磁悬浮列车 磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力 即磁的吸力和排斥力 来推动的列车 由于其轨道的磁力使之悬浮在空中 行走时不需接触地面 因此其阻力只有空气的阻力 超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性 超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成 它不仅电流阻力为零 而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流 这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁 作业 画出示意图 解释磁悬浮列车的工作原理 2 超导弱电弱磁的应用基于Josephson效应为基础 建立极灵敏的电子测量装置为目标的超导电子学 发展了低温电子学 如超导量子干涉器件是一种高灵敏度的测量装置 主要功能是测量磁场 它可以在电工仪表 医学 生物 资源开发 环境保护 固体材料 地球物理等领域应用 4 超导材料的应用 利用Joseph