第三章 介电材料

1、电介质功能材料电介质功能材料介电材料介电材料铁电材料铁电材料压电材料压电材料敏感电介质材料敏感电介质材料电功能材料电导体功能材料电导体功能材料导电材料导电材料快离子导体快离子导体电阻材料电阻材料超导电体超导电体 第三章第三章 介电材料（电介质）介电材料（电介质） dielectric materials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

2、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。1 1 极化极化 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，称为性按电场方向转动的现象，称为电介质的极化电介质的极化。2 2 自发极化自发极化 spontaneous polarization 在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电

3、偶极子的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，称为有序排列而产生的极化，称为自发极化自发极化。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量称为自发极化强度自发极化强度。单位面积的极化电荷量称为单位面积的极化电荷量称为极化强度极化强度，它是一个矢量，它是一个矢量，用用P P表示，其单位为表示，其单位为C/mC/m2 2。3 3 介电常数介电常数 dielectric constant表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数介电常数，用用表示，无量纲。表示，无量纲。介电

4、材料的特征值：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E电场E 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。无电场时施加电场时a . 电子极化b . 离子极化c. 偶极子极化d. 空间电荷极化 无电场时施加电场时a . 电子极化b . 离子极化c . 偶极子极化d . 空间电荷极化 nVP2. 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 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

5、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Fm-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EP04. 相对介电常数相对介电常数 r (有时用或K表示)其中 是指介质的绝对介电常数介电常数, 而0 是指真空介电常数 8.8510-12 F/m0/r5. 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）。tani极化强度与

6、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 tan220fEW 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(k7)大的材料称为，而其k值比SiO2（k3.9）小的材料称为。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

7、（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/4kd )，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。166（5）5年前后 法国La Rochelled地方人 Pierr

8、e de la Seignette最早试制成功罗息盐（RS）（酒石酸甲钠,NaKC4H4O64H2O）Sodium Potassium Tartrate Tetrahydrate 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铁电材料 ferro-electric materials1920年Valasek(France) 酒石酸钾钠NaKC4H4O64H2O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

9、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

10、。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

11、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。 电畴电畴 ferroelectric domain铁电体内自发极化相同的小区域称为铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴电畴，10m10m；电畴与电畴之间的交界称为电畴与电畴之间的交界称为畴壁畴

12、壁两种：两种：9090畴壁和畴壁和180180畴壁畴壁 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。 BaTiOBaTiO3 3陶瓷材料的铁电性能在陶瓷材料的铁电性能在19421942年被人们年被人们发现，由于其性能优良，工艺简便，很快被应用发现，由于其性能优良，工艺简便，很快被应用于介电、压电元器件。于介电、压电元器件。19541954年人工法成功制备出年人工法成功制备出BaTiOBaTiO3 3单晶，至今，单晶，至今， BaTiOBaTiO3 3陶瓷仍是应用的最陶瓷仍是应用的最广泛和研究得

13、比较透彻的一种铁电材料。广泛和研究得比较透彻的一种铁电材料。BaTiOBaTiO3 3陶瓷材料陶瓷材料120120，立方晶胞，立方晶胞66120120，四方晶胞，四方晶胞-90-9066，斜方晶胞，斜方晶胞-90-90，三方晶胞，三方晶胞 BaTiO3 晶体结构有立方相、四方相、斜方相和三方相晶体结构有立方相、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。三方相为铁电相，立方相为顺电相。BaTiO3的晶体结构的晶体结构 BaTiO3在室温附近（在室温附近（20）为铁电相，当温）为铁电相，

14、当温度高于居里温度（度高于居里温度（120），铁电相转变为顺电相。），铁电相转变为顺电相。顺电相顺电相BaTiO3的结晶学原胞如图所示：的结晶学原胞如图所示：顺电相顺电相BaTiO3的结晶学原胞的结晶学原胞 整个整个BaTiOBaTiO3 3晶格可以晶格可以看成是由看成是由BaBa、TiTi、OO、OO、OO各自构成的简各自构成的简单立方格子套构而成。单立方格子套构而成。 在钙钛矿结构中，有在钙钛矿结构中，有一种非常重要的结构一种非常重要的结构-氧八面体结构。钙钛矿结氧八面体结构。钙钛矿结构中氧八面体结构和金刚构中氧八面体结构和金刚石结构中的正四面体结构石结构中的正四面体结构是固体物理学中两类非常是固体物理学中两类非常重要的典型结构。重要的典型结构。BaTiOBaTiO3 3的介电的介电- -温度特性温度特性 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电常数一般为30005000，在居里温度处（，在居里温度处（120）发生突变，可达发生突变，可达10000以上。以上。世界首次实现硅基板上光学晶体对红外光世界首次实现硅基板上光学晶体对红外光的传输的传输东京工业大学篠崎和夫（Kazuo Shino