材料物理-材料的介电性能

材料的介电性能 材料的所有性能 都取决于原子和电子的排布状态 如果外界环境波动得足够剧烈 会扰动材料内部原子或者电子的排布 1 施加电压 导电材料内部的电子会发生定向迁移 问题的引入 施加电压 导电材料内部的电子会发生定向迁移 问题的引入 施加拉应力 材料会发生塑性变形或者断裂 问题的引入 电阻率导体 10 3 cm例如 Cu 10 6 cm半导体 10 2 cm 109 cm Ge 0 2 cm绝缘体 109 cm 问题的引入 如果给绝缘体施加电场 绝缘体内部的电子会不会重新排布 问题的引入 如果施加的压力 应变场 或者温度 温度场 呢 1 介电材料在电场中的极化2 介电材料在其它环境中的极化3 极化机制4 介电材料的应用 1 介电材料在电场中的极化 介电材料 dielectricmaterial 从英文词意 di 有二的意思 可以理解为在外加条件下 具有两个电荷中心的材料 当然 除了外加电场外 温度场 应力场都会导致电荷中心一分为二 极化 2 介电材料在其它环境中的极化 应变场中的极化 压电效应 采用直径为2 5毫米 高度为4毫米的压电陶瓷 就可得到10 20千伏的高电压 2 介电材料在其它环境中的极化 在完全黑暗的环境中 将一块干燥的冰糖用榔头敲碎 可以看到冰糖在破碎的一瞬间 发出暗淡的蓝色闪光 这是强电场放电所产生的闪光 产生闪光的机理是晶体的压电效应 应变场中的极化 压电效应 2 介电材料在其它环境中的极化 压电效应 某些电介质 当沿着一定方向对其施力而使它变形时 内部就产生极化现象 同时在它的一定表面上产生电荷 当外力去掉后 又重新恢复不带电状态的现象 当作用力方向改变时 电荷极性也随着改变 应变场中的极化 压电效应 2 介电材料在其它环境中的极化 逆压电效应 当在电介质的极化方向施加电场 这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力 当外加电场撤去时 这些变形或应力也随之消失的现象 电能 机械能 正压电效应 逆压电效应 应变场中的极化 压电效应 2 介电材料在其它环境中的极化 应变场中的极化 压电效应 2 介电材料在其它环境中的极化 电荷对称分布 应变场中的极化 压电效应 2 介电材料在其它环境中的极化 电荷分布不对称 应变场中的极化 压电效应 2 介电材料在其它环境中的极化 应变场中的极化 压电效应 2 介电材料在其它环境中的极化 温度场中的极化 热电效应 有极分子 Polarmolecule 在无外场作用下存在固有电矩例如 H2OHclCOSO2因无序排列对外不呈现电性 电子云的正电中心 极化面电荷 取向极化 3 极化机制 电子位移极化 无极分子 Nonpolarmolecule 在无外场作用下整个分子无电矩 例如 CO2H2N2O2He 极化面电荷 束缚电荷 3 极化机制 离子位移极化 离子在电场作用下偏移平衡位置的移动 也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长 例如碱卤化物晶体就是如此 由于离子质量远高于电子质量 因此极化建立的时间也较电子慢 大约为10 12 10 13s 3 极化机制 电子弛豫极化 由于晶格的热振动 晶格缺陷 杂质引入 化学成分局部改变等因素 使得在局部范围内出现导带 这样一来 电子可在局部范围内发生迁移 3 极化机制 离子弛豫极化 在完整离子晶体中 离子处于正常结点 能量最低最稳定 它们在极化状态时 只能产生弹性位移 离子仍处于平衡位置附近 而在玻璃态物质中 结构松散的离子晶体或晶体中的杂质或缺陷区域 离子自身能量较高 易于活化迁移 可以从一平衡位置移动到另一平衡位置 3 极化机制 空间电荷极化 对金属来说 电子被所以原子个共有 所以溶质原子 晶界等缺陷不会引起净电荷 对于离子晶体 各种缺陷会引起局部区域的净电荷 3 极化机制 空间电荷极化 离子晶体的晶界 位错等缺陷处存在空间电荷 这些混乱分布的空间电荷 在外电场作用下 趋向于有序化 即荷空间电荷的正 负电荷质点分别向外电场的负 正极方向移动 从而表现为极化 电子极化最灵敏 只要稍有风吹草动 就会做出响应 3 极化机制 极化得太过分 电介质击穿 在强电场作用下 电介质丧失电绝缘能力 电介质的电导突然增大甚至引起结构损坏或破碎 称为介电击穿 热击穿 电击穿 化学击穿 3 极化机制 热击穿 在电场作用下 固体电介质承受的电场强度虽不足以发生电击穿 但因电介质内部热量积累 温度过高而导致失去绝缘能力 感应电荷会发生流动而消失 电击穿 如果电子在散射过程损失的能量 小于电场做的功 电子的能量积累起相当大的动能 足以在电介质内部产生碰撞电离 形成电子雪崩现象 结果电导急剧上升 最后导致击穿 3 极化机制 化学击穿 在电场 温度等因素作用下 固体电介质因缓慢的电化学反应 改变了电介质的组成 固体电介质因离子电导而发生电解 离子化合物电解得到金属 结果在电极附近形成导电的金属树状物 甚至从一个电极伸展到另一个电极 结果在两电极间构成导电的通路 3 极化机制 提高击穿电压措施 提高电介质材料的均匀性 使电场分布更为均匀 以免出现局部电压过高的情况 3 极化机制 4 介电材料的应用 A 电容材料B 压电材料C 热电材料D 铁电材料 32种点群 20个点群具有压电性10个含单一对称轴 具有自发极化 热释电 自发极化能被电场转向 铁电 4 介电材料的应用 A 电容材料 I 存储电能 电池供电稳定 但是功率密度 爆发力 太小 所以在闪光灯中 需要利用电容来存储能量 电容虽然爆发力很强 但是持续时间短 一闪而过 A 电容材料 I 存储电能 A 电容材料 I 存储电能 A 电容材料 I 存储电能 小型超级电容器 各种微处理机 玩具车 闪光灯 电动手工具 大型超级电容器各种交通工具电网UPS医院手术室核反应堆控制防护设备航空通讯设备无线电通讯系统电力高压开关的分合闸操作电阻焊机及科研测试设备等 A 电容材料 I 存储电能 根据存储电荷的机理 超级电容器分为 A 双电层电容器 ElectricalDoubleLayerCapacitor EDLC 双电层电容器利用电极材料和电解质界面形成的电荷分离存储电荷 B 准电容器 Pseudocapacitor赝电容器 利用电化学活性物质的吸脱附或电化学氧化还原反应来存储电荷 A 电容材料 I 存储电能 制备高性能的超级电容器有2个途径 A 是增大电极材料比表面积 从而增大双电层电容量 B 是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率 从而提高准电容容量 实际应用中 这2种储能机理往往同时存在 A 电容材料 I 存储电能 A 电容材料 I 存储电能 A 电容材料 介质介电常数s 极板面积 极板间距离 也可以通过减小极板间距来增加电容 II 传感器 A 电容材料 II 传感器 变极距型 变间距型 电容传感器 A 电容材料 II 传感器 A 电容材料 II 传感器 A 电容材料 II 传感器 B 压电材料 应变场中的极化 压电效应 将两根高分子压电电缆相距若干米 平行埋设于柏油公路的路面下约5cm 可以用来测量车速及汽车的载重量 并根据存储在计算机内部的档案数据 判定汽车的车型 高分子压电电缆的应用演示 B 压电材料 B 压电材料 B 压电材料 B 压电材料 利用逆压电效应将高频交流电转变为高频声波 B 压电材料 压电引爆装置 压电打火机的点火原理可应用于各个领域 特别是军事领域 在反坦克炮弹上装上压电陶瓷元件 当炮弹击中坦克时 陶瓷因受压而产生高电压 从而引燃炸药 摧毁坦克 压电陶瓷在非常强的机械冲击波的作用下 储存的能量在以微秒计的瞬间释放出来 产生瞬间电流达10万安培以上的高压脉冲 可用于原子武器的引爆 纳米发电机创始人 王中林 1961年王中林出生于陕西省蒲城县高阳镇 王中林的初中和高中就是在这种大背景下度过的 三分之一的时间都在田里泡着 毕业于尧山中学 进入大学校门的第一天 他就暗暗给自己定下一条标准 本科每门课程不能低于90分 B 压电材料 纳米发电机 ZnO ZnO纳米线 B 压电材料 纳米发电机 气相沉积法制作纳米线 1 利用热蒸发的方式 获得ZnO蒸汽2 在金纳米颗粒的催化下 ZnO纳米线沿垂直方向生长 B 压电材料 纳米发电机 气相沉积工艺中 通过调节反应条件 例如温度 气流速度 压强等方式可以调控纳米线的形貌 700度 750度 800度 850度 B 压电材料 纳米发电机 C 热电材料 Seebeck效应 1823年 德国人Seebeck首先发现当两种不同导体构成闭合回路时 如果两个接点的温度不同 则两接点间有电动势产生 且在回路中有电流通过 即温差电现象或Seebeck效应 I 热电效应 C 热电材料 I 热电效应 Pettier效应 1834年 法国钟表匠Pletier发现了Seebeck效应的逆效应 即电流通过两个不同导体形成的接点时 接点处会发生放热或吸热现象 称为Peltier效应 C 热电材料 II 研究现状 C 热电材料 II 研究现状 C 热电材料 II 研究现状 增强热电材料的热电性能的有效方式是降低其晶格热导率 所以在实际的实验中往往会在材料中引入纳米尺度孔洞 增强声子散射 达到降低晶格热导率的目的 电导率 温差 热导率 空洞不能太多 也不能太少 C 热电材料 II 研究现状 不同空隙率下的热导率 C 热电材料 II 研究现状 不同空隙率下的应力应变曲线 C 热电材料 热电致冷 体积小重量轻结构简单坚固耐用无需运动部件无磨损无噪音 III 应用 C 热电材料 III 应用 C 热电材料 美国 德国 日本 韩国等汽车公司 GM BMW HONDA 大众 现代等 正在开展相关研发工作 可节省油耗5 国内相关研究刚刚起步 上汽 利用燃烧热 地热 体表温差等热源 为野外作业 偏远山区 小型电器 植入式医疗器械等提供电能 III 应用 C 热电材料 热电偶的工作原理 热电极A 自由端 参考端 冷端 测量 工作端 热端 热电极B 热电势 A B III 应用 D 铁电材料 铁电材料 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施电场的方向而改变 推迟到磁性材料部分讲解 D 铁电材料 自发极化不是由外加引起的 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 I 自发极化与铁电畴 D 铁电材料 对于晶体 由于晶格的限制 取向无法随机分布 所以在局部区域内形成铁电畴 I 自发极化与铁电畴 铁电畴 D 铁电材料 I 自发极化与铁电畴 对于BaTiO3 130 以上 为立方结构 当温度低于130 以后 Ba原子可以沿a 也可以是b或c 方向移动 极化 在一个单晶内部 畴壁之间的夹角是固定的 只会出现 90 和 180 两种情况 D 铁电材料 I 自发极化与铁电畴 D 铁电材料 I 自发极化与铁电畴 例如 对于BaTiO3 当两个电畴为180 时 施加电场 横向长大机制较弱 以在反向畴中形成新畴为主 D 铁电材料 I 自发极化与铁电畴 电畴的观测 电子显微镜TEM原子力显微镜AFM液晶法化学腐蚀法粉末沉淀法X射线形貌术光的双折射 D 铁电材料 I 自发极化与铁电畴 180 畴 90 畴 纳米薄膜中的电畴的AFM照片 D 铁电材料 铁电材料 外部电场与内部电场的滞后效应 铁电材料并不一定含铁 而是由于其电滞回线和铁磁材料的磁滞回线相似 I 自发极化与铁电畴 D 铁电材料 特性一临界温度 即居里温度 Tc 温度低于Tc时 铁电体才表现铁电性 而温度高于Tc 铁电体进入顺电相 极化消失 高的居里温度 可以使得铁电材料及其器件的处理和应用温度范围变得更宽 D 铁电材料 II 铁电材料的特性 BaTiO3居里温度 替换浓度 特性二是临界尺寸 由于铁电性质是一个集合效应 通常当铁电材料的几何尺寸超过某一个值时 才会表现出铁电性 而当它的尺寸低于某一个值的时候 便不会再表现出铁电特性 D 铁电材料 II 铁电材料的特性 铁电存储器的优点读写速度快操作电压低可擦写次数多工作温度宽 50 150 D 铁电材料 III 铁电存储 疲劳 晶格缺陷使得铁电畴的翻转变得困难 在设计电压 部分电畴无法有效翻转 晶格缺陷 不同颜色区分不同电畴 D 铁电材料 III 铁电存储 界面 界面电畴无法翻转 成为死层缺陷浓度大界面应力 D 铁电材料 缺陷聚集和扩散现象缺陷随着翻转电场而迁移到界面发生界面聚集界面元素的扩散包括两个方面 电极元素以杂质的形态进入铁电层 钉扎电畴 铁电层元素向电极层扩散 其本身因为化学剂量比失衡从