现代电子材料与元器件_71

1、第七章电介质材料 光电工程学院微电子教研中心冯世娟27.1 概述n什么是电介质材料？q电绝缘材料？q1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现了压电效应和逆压电效应。q1920年，瓦拉塞克发现了铁电性。q此外，任何电介质在足够强的电场的作用下，还会出现与电场强度平方成比例的另一种效应，称为电致伸缩效应。 q在电场的作用下具有极化能力并能在其中长期存在在电场的作用下具有极化能力并能在其中长期存在电场的一种物质。电场的一种物质。37.1 概述本章主要介绍电介质晶体的静态极化和动态极化过程、电介质的压电效应、热释电效应和铁电效应、以及典型的铁电材料。 47.2 电介质在静电场中的极化 n1

2、 电介质的极化现象q 导体q电介质n在无外加电场作用时，分子热运动使得偶极矩排列混乱，因而在各个方向上的分子偶极矩矢量和为零。n而在外加电场作用下，偶极分子将沿电场方向偏转定向，这是整个电介质对外感生出宏观偶极矩。 传导电流 原子、分子或离子中的正负电荷被强烈束缚，在电场的作用下，只能在微观尺度上做相对位移。且正负电荷的相对位移相反，在相距一定距离后，就会产生感应偶极矩。位移电流电介质的极化：电介质的极化：电介质在电场作用下内部感应偶极矩的现象。电介质在电场作用下内部感应偶极矩的现象。57.2 电介质在静电场中的极化 n1 电介质的极化现象 电介质的极化能力的大小用介电常数表示r0DE 0DE

3、Pr1 0PE极化强度极化率67.2 电介质在静电场中的极化n1 电介质的极化现象 极化的本质： 介质内质点（原子、分子、离子）正负电中心分离而变成偶极子。一般分子偶极矩的大小取决于有效电场的大小iE分子总的极化率是各种极化机制所决定的极化率的总和：eads 电子位移极化率 离子位移极化率 转向极化率 空间电荷极化率 每单位电场强度的分子偶极矩 77.2 电介质在静电场中的极化n1 电介质的极化现象q通常希望具有大的介电常数值n一是要提高N值，即提高电介质的密度或选用密度较大的电介质材料；n二是要选取由分子极化率大的质粒所组成的电介质；n三是要选取介质内部具有大的有效电场的介质材料。n金红石（

4、TiO2）和钙钛矿型离子晶体具有高的介电常数：Ti4+和O2-具有高的极化率。同时其内电场Ei较大。iPNV0i(1)PEN E i01NEE 87.2 电介质在静电场中的极化n2 电介质极化机制 p电子极化p离子极化p偶极子转向极化p自发极化p空间电荷极化极化形式极化形式位移极化：是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量 弛豫极化：与热运动有关，完成这种极化需要一定的时间，并且是非弹性的，因而消耗一定的能量97.2 电介质在静电场中的极化n2 电介质极化机制 q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形成的极化ep ffl加上外电场后0 ep0 ep无外电场时e107

5、.2 电介质在静电场中的极化n2 电介质极化机制 q电子位移极化n1)球状原子模型 3e23014Ze Ze dZeEdr30eee4Zedr EE3e04r117.2 电介质在静电场中的极化q电子位移极化n2)圆周轨道模型 qEKd2qqdEK2eqK202222 1/20sin4() ()qdFFrdrd2304qdr2304qKr3e04r127.2 电介质在静电场中的极化q电子位移极化n考察同类原子的一个集合体 2cos3e0143r各原子的感应偶极矩相对电场方向取向角余弦平方的平均值 电场强度比较低，原子的电子轨道在空间是随机分布的2cos1/3 2cos13e04r电场强度足够高，

6、所有原子的电子轨道平面都垂直于电场方向137.2 电介质在静电场中的极化q电子位移极化n需要注意：n在恒定电场中，任何电介质都要发生电子位移极化，不管其物质组成如何。n并且，电子位移极化与温度无关。温度的改变只影响电介质组成粒子的热运动，对原子或离子的半径影响不大。n电子位移极化完成的时间非常短，在10-1510-14s之间。 147.2 电介质在静电场中的极化n2 电介质极化机制 q离子位移极化 在离子晶体中，除存在电子位移极化之外，在电场作用下，还会发生正、负离子沿相反方向位移形成离子位移极化。 没有电场时，正、负离子对所形成的偶极矩相互抵消，极化强度为零；有外加电场时，所有的正离子顺电场

7、方向移动，所有的负离子则逆电场方向移动，正、负离子对形成的偶极矩不再相互抵消，极化强度不为零而呈现宏观电矩。 157.2 电介质在静电场中的极化q离子位移极化n1)用谐振子模型求K值 iqEK raaiq rE 2aqK002/fK m12111mmm22120124m mKfmm221221204()C M MMMN222012a2212()4qN qMMKC M M167.2 电介质在静电场中的极化q离子位移极化n2)根据离子对相互作用能求K值 200( )44nqbu rrr( )0r au rr12naqbn22100( )44nnqq au rrnr220()()ru rrKr 23

8、0(1)4nqa230a41qaKn177.2 电介质在静电场中的极化q离子位移极化n对于NaCl晶体，其离子位移极化率 3a040.58(1)an离子位移极化建立所需的时间与离子晶格振动的周期具有相同的数量级，为10-1310-12s，比电子位移极化的速度慢23个数量级，但同电子位移极化一样，极化速度很快，在极化过程中没有能量的损耗。 187.2 电介质在静电场中的极化n2 电介质极化机制 q偶极子转向极化 极性分子：分子正负电荷极性分子：分子正负电荷中心不重合。中心不重合。非极性分子：分子正负电荷中心重合；非极性分子：分子正负电荷中心重合；电介质正负电荷 中心重合 CH+H+H+H+甲烷分

9、子甲烷分子CH4 正电荷中心正电荷中心 负电荷负电荷 中心中心 水分子水分子H2O 分子电偶极矩分子电偶极矩 p+H+HOp197.2 电介质在静电场中的极化n2 电介质极化机制 q偶极子转向极化 f无外电场时，电矩取向不同 转向外电场 ep外外Eep外外EpMe 加上外场 f+207.2 电介质在静电场中的极化n2 电介质极化机制 q偶极子转向极化 E0时，极性分子随机取向，就介质整体来看，偶极矩等于零 E0时，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致 热运动抵抗这种趋势，所以体系最后建立一个新的统计平衡 在这种状态下，沿外场方向取向的偶极子比和它反向的偶极子的数目多，所以介质整体出现宏观偶极

10、矩。217.2 电介质在静电场中的极化q偶极子转向极化偶极子的转向极化由于受到电场力的作用，分子热运动会阻碍分子间的相互作用，因而这种极化建立所需的时间比较长，约为10-610-2s或更长，属于慢极化形式，极化过程中伴随着有能量的损耗。 20a3kT转向极化率与温度有关，且与温度T成反比。 在电场很强的情况下，离子转向极化达到饱和，即所有偶极子均沿电场方向排列。此时即使再增大电场强度，偶极矩保持为一常数。227.2 电介质在静电场中的极化n2 电介质极化机制 q离子松弛极化 n极化与电场有关，还与质点的热运动有关。n当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等时q热运动质点分布混乱q电场质点按电场

11、规律分布在一定的温度下发生极化因而这种极化建立的时间较长（可达10-910-2s），并且需要吸收一定的能量，这种极化是一种不可逆的过程。并且，当外加电场频率较高时，极化方向的改变往往滞后于外电场的变化。 237.2 电介质在静电场中的极化n2 电介质极化机制 q离子松弛极化 与热运动有关，完成极化需一定时间，非弹性的，需消耗能量离子松弛极化：松弛时间长达10-510-2秒。电子松弛极化：松弛时间约为10-910-2秒离子/电子松弛极化在M(G)Hz的无线电频率下，其松弛极化来不及建立；频率升高，无松弛极化；只存在电子/离子位移极化，故电常数随频率的升高而降低电常数随频率的升高而降低247.2

12、电介质在静电场中的极化q离子松弛极化 离子松弛极化是除偶极子转向极化以外的又一种与热运动有关的极化形式。转向极化由介质中存在的极性分子在电场作用下发生旋转旋转而引起，而离子极化则是介质中存在的某些联系较弱的离子，在电场的作用下发生沿电场方向的跃迁跃迁运动引起的。在离子键结构的电介质中，处于晶格节点上的正负离子之间的相互作用力很强，离子被牢固地束缚在晶格节点上，因而在电场的作用下，只会发生电子位移极化和离子位移极化。但当电介质中含有杂质或存在缺陷含有杂质或存在缺陷时，这些杂质原子或处于缺陷位置附近的离子相应的能量状态比较高，就变得不够稳定，容易被激活，此时就会发生离子松弛极化离子松弛极化。257

13、.2 电介质在静电场中的极化q离子松弛极化 图7.8 有缺陷存在时的离子体系势垒图 缺陷区域的势垒（即离子的激活能）远小于正常节点区的势垒 UU缺陷区域离子所具有的势垒高度和位置取决于缺陷的性质和数量。 在电场力的作用下，这些离子的运动是有限的。但与离子位移极化相比，其运动的距离要大很多，已经超出了离子的间距。 267.2 电介质在静电场中的极化q离子松弛极化 图7.9 缺陷势垒分布，（a）当外电场为零时（b）当外电场不为零时在某一时刻，位置A上的离子数减少N，则位置B上的离子数增加N /16U kTU kTtU kTU kTN eeNeee单位体积中电矩 /16U kTU kTtU kTU

14、kTNqeePNqeee 为松弛时间，表示离子松弛极化建立的快慢。 277.2 电介质在静电场中的极化q离子松弛极化 当外电场较弱时 /11612ttN UNqNeEekTkT22/112tNqPNqEekT /12U kTe松弛极化的建立需要一定的时间。刚刚加上电场时，N和P均为零。加上电场后，电介质中联系较弱的离子沿电场方向发生跃迁，形成电偶极矩。松弛极化强度P按指数规律增加。对于固体电介质而言，势垒越低，则松弛时间就越短，极化建立的速度越快。 287.2 电介质在静电场中的极化q离子松弛极化 当时间趋于无穷大时，极化才达到稳定 12NqNEkT2212NqPEkT22d12NqkT弱联系

15、离子的形成：玻璃态物质、结构松散的离子晶体及晶体的杂质和缺陷区域，离子本身能量较高，易被激活迁移。297.2 电介质在静电场中的极化q离子松弛极化 除离子松弛极化以外，还有电子松弛极化，由弱束缚电子引起。晶格的热振动、晶格缺陷、杂质的引入、化学组成的偏移等使电子能态改变，出现局部能级，形成弱束缚电子。主要在折射率大、结构紧密、内电场大和电子电导大的电介质中出现。307.2 电介质在静电场中的极化n2 电介质极化机制 q空间电荷极化介质中的自由载流子（正、负离子或电子）可以在缺陷及不同介质的界面上积累，使电介质中的电荷分布不均匀电荷分布不均匀，产生宏观电矩。这种极化叫作空间电荷极化。 用双层电介

16、质为例 1122EE111222,VE dVE d211212211221,VVEEdddd317.2 电介质在静电场中的极化q空间电荷极化当达到稳定态时，第一层和第二层的传导电流密度符合欧姆定律 111222,jEjE一般来说，传导电流不同，这将在两层介质的分界处开始积聚自由电荷。这些自由电荷在分层界面上的积聚，实际上就导致了电荷的重新排布。按照极化的概念，这种电荷的重新分布就会产生极化，这种极化就是空间电荷极化。 晶界、相界、晶格畸变、杂质等缺陷区易形成自由电荷积聚，形成空间电荷极化，所以又称界面极化界面极化空间电荷极化建立时间长，只发生在低频下。空间电荷极化建立时间长，只发生在低频下。3

17、27.2 电介质在静电场中的极化q空间电荷极化当达到平衡时，有j1=j2 当未达到平衡时 /1221121221tjjVe 122112001221jj dtV 211212211221,VVEEdddd12110 12202dEdEJEEdtdt 双层电介质界面处积聚的电荷密度为337.2 电介质在静电场中的极化n2 电介质极化机制 q自发极化n线性介质q没有外加电场时，这些介质的极化强度等于零q有外电场时，介质的极化强度与宏观电场E成正比n非线性介质q其极化强度和外施电压的关系是非线性的q铁电体就是一种典型的非线性介质q铁电体中，存在自发极化铁电体中，存在自发极化n晶体中每一个晶胞里存在固

18、有电偶极矩，由于晶胞的重晶体中每一个晶胞里存在固有电偶极矩，由于晶胞的重复性和周期性，使其在没有外电场时已是高度极化状态。复性和周期性，使其在没有外电场时已是高度极化状态。n具有自发极化的单晶是永久带电体。具有自发极化的单晶是永久带电体。347.2 电介质在静电场中的极化n2 电介质极化机制q几种物质的介电常数r极化形式光频下低频下金刚石5.665.68电子位移极化NaCl2.255.9电子、离子位移极化H2O1.7780.4电子、离子位移极化、偶极子转向极化357.2 电介质在静电场中的极化n2 电介质极化机制q各种极化形式的比较极化形式极化率极化建立时间与T关系能量损耗介质电子位移极化10

19、-15 10-14 s无关无所有介质离子位移极化10-13 10-12 sT而弱离子结构空间电荷极化长T而有结构不均匀的陶瓷离子松弛极化10-510-2s与T有关，存在极值有离子结构的玻璃结构不紧密的晶体及陶瓷电子松弛极化10-9 10-2s有钛质瓷、以高价金属氧化物为基的陶瓷转向极化10-1010-2s有有机材料，极性介质自发极化有居里点以下的铁电材料304/3R3041aA n2212qkT20/3kT367.3 电介质的动态极化 n1 电介质的极化过程 电介质极化的建立和消失都有一个响应过程，需要一定的时间。 在变化电场作用下的极化响应大致有三种情况： 如果电场的变化很慢，相对于极化建立

20、的时间，像在静电场中的那样，则极化完全来得及响应，则不需要考虑响应过程，可以按照与在静电场中的情形进行分析；如果电场的变化很快，以至于极化完全跟不上，就没有极化的发生；如果电场的变化与极化建立的时间可以比拟，则极化对电场的响应受极化建立过程的影响很大，因而会产生比较复杂的介电现象。 377.3 电介质的动态极化n1 电介质的极化过程电子位移极化、离子位移极化建立的时间极短，通常被称为瞬时极化或快极化； 而对于偶极子转向极化及离子松弛极化等，因其建立的时间较长，故称之为慢极化或弛豫极化。 r( )( )( )P tP tP t瞬间极化强度，与时间无关。 松弛极化强度，与时间的关系比较复杂 /rr

21、m( )( ) 1tP tPte387.3 电介质的动态极化n1 电介质的极化过程q极化强度与电场强度的关系 0( )1P tEr0S( )P tE0( )1SP tES为静态介电常数，为光频介电常数。 介电常数随电场频率的改变而变化，且介电常数的温度关系与在恒定电场下的情形也不一样；在极化过程中，存在能量的损耗，损耗掉的那部分能量转化为热能，使电介质的温度升高，这种损耗称为极化损耗，极化损耗的大小与电场的频率有密切的关系。 397.3 电介质的动态极化n2 复数介电常数 考虑一个平板电容器，加一个交变电场，其电场强度为 0expEEi t0expDDi t当极化跟不上电场变化时，D和E之间便

22、会有一定的相位差 0expDDit引入一个表征在交变电场下复电场E与复电位移D间关系的参数，复数介电常数复数介电常数 *0rrr000expDDiiEE0r00cosDE0r00sinDE407.3 电介质的动态极化n2 复数介电常数 电流密度 *0r0r0rcrdEjiEEjjdt 纯位移电流密度或无功电流密度，与复数介电常数的实部成正比 ， 与介质的静态相对介电常数的物理意义相同 r有功电流密度，与虚部成正比， 表示介质中的能量损耗的大小 r在实际应用中，介质中的能量损耗称为介电损耗 rrtan称为介质损耗角正切，常用来定量描述电介质的损耗 417.3 电介质的动态极化n3 介电损耗q电导

23、损耗电导损耗q松弛极化损耗松弛极化损耗q谐振损耗（色散与吸收）谐振损耗（色散与吸收）电介质在外电场的作用下，将一部分电能转变成热能的物理过程，称为电介质的损耗，其结果是电介质发热，温度上升。 介电损耗不仅会引起线路上的附加衰减，而且会使电路中的元器件发热，工作环境温度升高，可能破坏其正常工作的环境。一般来说，产生介质损耗的主要原因有如下几个方面： 427.3 电介质的动态极化n3 介电损耗q电导损耗 在电场的作用下，电介质中存在的一些弱联系的导电载流子作定向移动，形成传导电流。这部分传导电流中的能量以热的形式消耗掉，称之为电导损耗。2PECR1/IIIi CR VRCtan/1/IICVRRs

24、incosPI VIVIV图7.12 电容器值存在电导损耗时的等效电路图 437.3 电介质的动态极化n3 介电损耗q松弛极化损耗 热离子松弛极化、偶极子转向极化等所需建立的时间比较长，为10-210-8s，甚至更长。当外电场频率比较高，如高频或超高频，偶极子转向极化等跟不上电场周期的变化，产生松弛现象，致使电介质的极化强度P滞后于外加电场强度E，并且电介质的介电系数也随之下降；当外电场频率足够高，偶极子转向极化将完全跟不上电场周期性变化时，介电系数下降至零，这时电介质的介电系数只由位移极化提供，而趋于光频介电系数，这一过程也消耗部分能量，而且在高频和超高频中，这类损耗将起主要作用，甚至比电导

25、损耗还大。这种损耗就称为松弛极化损耗。447.3 电介质的动态极化n3 介电损耗q谐振损耗(色散与吸收) 谐振损耗来源于原子、离子、电子在振动或转动时所产生的共振效应。这种效应发生在红外到紫外的光频范围。 频率高于X射线的电磁场不可能在原子内激起任何振动，电介质材料不会产生极化现象。此频率下的电介质的介电系数等于真空的介电系数。 若电磁场的频率低于内层电子的谐振频率，则内层电子可以随电磁场而振动，对材料的极化有贡献，相对介电系数大于1。 若电磁场的频率低于外电子壳层的电子(外层电子)的谐振频率，其谐振频率范围为从紫外到近红外光谱范围，此类电子也将参与极化。 457.3 电介质的动态极化n3 介

26、电损耗q谐振损耗(色散与吸收) 在紫外到近红外区，只可能出现电子谐振极化，在远红外区则会出现原子或离子谐振极化，在光频范围内不可能出现偶极子转向极化和松弛极化。467.3 电介质的动态极化n3 介电损耗q谐振损耗(色散与吸收) 图7.13 介电常数及介电损耗随频率的变化 电子或离子的谐振极化谐振色散谐振色散偶极子转向极化和松弛极化松弛色散松弛色散 色散现象的同时伴随着能量损耗。色散现象的同时伴随着能量损耗。其损耗因数随频率的变化称为吸收其损耗因数随频率的变化称为吸收 在介电系数发生色散的频率范围，无论是哪种极化，其损耗因数都是明显地变大且出现峰值。 随着电场频率的升高，电介质的介电系随着电场频

27、率的升高，电介质的介电系数要降低。这种介电系数随频率变化的数要降低。这种介电系数随频率变化的现象称为色散现象。现象称为色散现象。 477.3 电介质的动态极化n4 极化弛豫与德拜方程q极化弛豫现象 图7.14 极化弛豫现象 电介质在不同平衡态之间的过渡即弛豫过程。 aaii吸收电流介质在交变电场中,由于慢极化跟不上电场的变化，表现出极化的滞后性。系统需要经过一定时间才能达到平衡状态。以实际介质电容器为例487.3 电介质的动态极化n4 极化弛豫与德拜方程q德拜方程 图7.15 缓慢极化电容器的等效电路图 0jiE 对于驰豫过程，Debye首先提出并建立了复介电常数与频率间的关系式，主要适用于极

28、性液体和固体介质。由平板电容器的等效电路 得到流经电容C的充电电流密度 和流经电容Ca的充电电流密度 a0a1/aEji 497.3 电介质的动态极化n4 极化弛豫与德拜方程q德拜方程 220222211EiE ajjj0r0rjiEE 0r0221 20r221 当0时，s0s507.3 电介质的动态极化q德拜方程sr221 sr221 2()()srrstg以上三式称为德拜方程，或是德拜弛豫方程。 0rsr,0 rr,0恒定电场下 光频下 517.3 电介质的动态极化n5 复数介电常数与频率和温度的关系 q与频率的关系 r0ddm1/当在0之间时，介电常数随频率的增加而降低，从静态值降至光

29、频值；损耗因子随频率的增加而出现极大值。527.3 电介质的动态极化q与频率的关系 此时，德拜方程 在这一频率区域，介电常数发生剧烈变化，同时出现极化的能量耗散，这种现象称为弥散现象，这一频率区域称为弥散区域。 sr2sr2smstan537.3 电介质的动态极化q与频率的关系 tan0ddsm1mmtan在频率较高时才达到极值 德拜方程srs2 srss smaxstan2 在tan与频率的关系中也出现极大值 547.3 电介质的动态极化q与频率关系的解释1) 当外加电场频率很低，即趋于0时，介质的各种极化都能跟上外加电场的变化，此时不存在极化损耗，介电常数达最大值。介电损耗主要由漏导引起，

30、 tg只是介质在频率不等于零的交变电场中的物理参数。2) 当外加电场频率逐渐升高时，松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化，松弛极化对介电常数的贡献逐渐减小，因而，r随升高而减少。tg出现极大值，P也增大。3) 当很高时，介电常数仅由位移极化决定，在这一频率范围内，随的升高，r，tg0，P 变化较小。557.3 电介质的动态极化n5 复数介电常数与频率和温度的关系 q与温度的关系n 1) s、 与温度T的关系 0ei01n r0sPE、 001naaTT主要是单位体积内的极化粒子数n0随温度的变化引起的，也即是因为介质的密度发生变化而引起的。光频介电常数随温度的上升呈线性下降。 r0dePn

31、E567.3 电介质的动态极化q与温度的关系n 2)与温度T的关系 弛豫时间与温度呈指数关系，可简化表示成 exp(/)BA T577.3 电介质的动态极化q与温度的关系n3) 复介电常数 与温度T的关系 rmm1/sm1q与温度的关系n3) 复介电常数 与温度T的关系 rsr221 当温度很低时，很大 122/ 11/ 反之，在高温区 122/ 1 1出现极大值。Tm通过极值时对应的弛豫时间m 表征tan的极值温度比复介电常数的极值温度要低。 587.3 电介质的动态极化q与温度关系的解释rrrrsrrsr在一定频率下，当温度很低时，极化粒子热运动能量很小，几乎处于“冻结”的状态，因此取向极

32、化缓慢，时间很长，来不及随外加电场发生变化，弛豫极化难以建立，这时只有瞬时极化，所以介电常数 趋于光频介电常数 ，介质损耗 和tan很小；当温度升高时，极化粒子的热运动能量加大，弛豫时间减少小，可以与外加电场的周期相比拟，弛豫极化逐渐得以建立， 相应增加。随着温度继续升高，弛豫时间很快降低，弛豫极化进一步建立， 急剧增加，几乎趋近于静态介电常数 。在 剧烈变化的同时，伴随着能量损耗，并出现伴随着能量损耗，并出现损耗极值；损耗极值；若温度再继续升高则弛豫时间继续减少。弛豫极化完全来得及建立，趋近于静电场的情况，这时 趋于 。介质损耗 和tan又恢复很小。 597.3 电介质的动态极化q与温度关系

33、的解释rrsr同样将要指出，若频率发生变化，则 和tan要随频率的增加向高温方向移动；反之则向低温方向移动。这可解释如下：当频率发生改变时，若频率增高，则电场变化周期缩短，与之相比拟的弛豫时间也相加减少，因此出现了弛豫极化的温区，即 由 增至 的温区也随之向高温方向移动，出现 和tan峰值的温度也相应升高。607.3 电介质的动态极化n6 电介质的电导和击穿弱联系的带电质点在电场作用下作定向漂移从而构成传导电流的过程，称为电介质的电导。 电导率的普遍表达式 Nq提高电介质的绝缘性能可以从两个方面着手：一是减少电介质单位体积的载流子数；一是降低迁移率。对固体电介质，要尽量减少杂质、热缺陷数目；对

34、于液体电介质，除了要减少杂质含量以外，还可以从提高液体的粘度着手，载流子的移动就不那么容易了。 617.3 电介质的动态极化n6 电介质的电导和击穿q电导类型 n1)离子电导 n2)电子电导n3)电泳电导 其载流子是正、负离子(或离子空位)，这是固体电介质中最主要的导电形式。 其载流子是电子(或电子空穴)，由于电介质内电子数极少，所以这种形式的电导表现得比较微弱，只有在一定的条件下才明显。 其载流子是带电的分子团，电流流经液体电介质时，就有电泳现象发生 。例如含钛陶瓷以银作电极时，高温下会发生以下反应： 627.3 电介质的动态极化n6 电介质的电导和击穿q固体介质电导n1)固体介质中的离子电

35、导q(1)本征离子电导 晶体中位于晶格点阵上的离子，被牢固地束缚在结点上作不停的热运动，并不参与导电。但在受到热激励后，就有少数离子会离开原位成为填隙离子，并同时产生空位，从而构成离子电导和离子空位电导。离子晶体中的肖特基缺陷往往成对出现，即正离子空位与负离子空位数相等。但两者对电导的贡献是有区别的。一般情况下，尺寸较小的正离子迁移率较大，对电导的贡献是主要的，所以，导电载流子主要是正离子空位。对于其中一种离子的尺寸特别小的离子晶体，主要形成弗伦克尔缺陷。所以载流子主要是正填隙离子和正离子空位。637.3 电介质的动态极化q固体介质电导n1)固体介质中的离子电导q(2)弱联系离子电导 与晶格点

36、阵联系较弱的离子活化而形成导电载流子，主要是杂杂质离子质离子和晶体位错晶体位错与宏观缺陷处的离子引起的电导。它往往决定了晶体的低温电导低温电导。晶体电介质中离子电导具有离子跃迁的特征，而且参与导电的也只是晶体中部分活化了的离子(或离子空位)。 647.3 电介质的动态极化q固体介质电导n2)固体介质中的电子电导 在实际晶体电介质中，由于杂质的存在，以及晶体中的缺陷、位错等，在禁带中将引入中间能级杂质能级杂质能级，接近于导带。它们在热激发的作用下，容易产生导电的载流子。另外，当电子的能量低于阻碍它运动的势垒高度不很大，而势垒厚度又比较薄(约几十nm)时，在强电场作用下，电子就可能由隧道效应而穿过

37、势垒后到达导带，构成隧道电流。电介质中可能存在的几种隧道效应隧道效应。在金属半导体接触中，金属电极中具有的大量电子，也可能向电介质中发射(或注入)，如热电子发射热电子发射，也可以为电介质提供导电载流子。657.3 电介质的动态极化n6 电介质的电导和击穿q固体介质的击穿n热击穿 n电击穿 n电化学击穿 外加电场增加到相当强时，电介质的电导就不服从欧姆定律了。当电场继续增加到某一临界值时，电导率突然剧增，电介质丧失其固有的绝缘性能，变成导体，作为电介质的特性被破坏，这种现象称为电介质的击穿。667.3 电介质的动态极化n6 电介质的电导和击穿q固体介质的击穿 n电化学击穿 电介质在长期的使用过程

38、中受电、光、热以及周围介质的影响，使电介质产生化学变化，电性能发生不可逆的破坏，最后被击穿。属于这一类的击穿在工程上被称为老化，也称为电化学击穿。 电化学击穿过程包括两个部分：一是因固体电介质发生化学变化而引起的电介质老化；二是与老化有关的击穿过程。由于化学变化通常导致介质损耗增加，因而电化学击穿的最终形式常是热击穿。677.4 晶体的压电性质n1 晶体的压电性 q正压电效应：在没有对称中心没有对称中心的晶体上施加机械作用时，发生与机械应力成比例成比例的介质极化，同时在晶体的两端面出现正负电荷。q逆压电效应：当在晶体上施加电场时，则产生与电场强度成比例的变形或机械应力。 q正、逆压电效应统称为

39、压电效应。q晶体的这种性质称为晶体的压电性。压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。687.4 晶体的压电性质n1 晶体的压电性 q压电效应的解释697.4 晶体的压电性质n1 晶体的压电性 q晶体是否具有压电效应，取决于晶体结构的对称性。q在晶体的32种点群中，具有对称中心的11个点群不具有压电效应。在21种不存在对称中心的点群中，除了432点群由于对称性很高导致其压电效应退化之外，其余20个点群都有可能产生压电效应。q对于压电陶瓷、复合材料等，描述其对称性的7种居里点群中，有3种可能产生压电效应。 707.4 晶体的压电性质n2 晶体的介电性质和弹性 晶体的压电效应是由应变S和应力T等

40、机械量与电场强度E和电位移D（或极化强度P）等电气量之间的耦合效应造成的。因而，压电效应是一种具有明显方向性的机电耦合效应，在讨论压电效应之前，有必要讨论晶体的介电性和弹性。 q晶体的介电性质 压电晶体和压电陶瓷都是各向异性的。 111121312212223233132333DEDEDE122123323113独立介电常数的分量只有6个 717.4 晶体的压电性质n2 晶体的介电性质和弹性 q晶体的弹性 n1)应力张量n2)应变张量 一般来说T为二阶对称张量，其分量Tij=Tji。6个独立分量分为两类，一类是法向分量:T11、T22、T33；一类为切向分量:T12、T23、T31。 单位面积

41、上受力的大小受力面的单位长度所发生的形变 切应变相当于晶体切变角的正切值。 727.4 晶体的压电性质n2 晶体的介电性质和弹性 q晶体的弹性 n3)弹性 应力和应变的关系 ijijklklSs TijijklklTcSs为弹性柔顺系数，c为弹性刚度系数。它们都是四阶张量，各有81个分量。但由于应力和应变都是对称张量，i和j，k和l可互换位置；另外，弹性柔顺系数和弹性刚度系数也是对称的，ij和kl的位置可互换。因此，s和c都只有21个独立分量。 737.4 晶体的压电性质n3 晶体的机电耦合效应q压电方程 1)以应力T和电场强度Ej作为自变量 TiijjiDEd TEjjSd Es T2)以应

42、变S和电场Ej作为自变量 siijjiDEd SEjjTe Ec S 3)以应力T和电位移Dj作为自变量 TiijjiEDg TDjjSg Ds T4)以应变S和电位移Dj作为自变量 siijjiEEh SDjjTh Dc S 747.4 晶体的压电性质n3 晶体的机电耦合效应 q电致伸缩效应n电致伸缩效应是一种高阶机电耦合效应，它指的是当外加电场作用于电介质时，所产生的应变近似正比于电场强度（或极化强度）的平方。n因此要比线性压电效应要弱。各种类型的固体电介质都有电致伸缩效应。n比如BaTiO3铁电陶瓷是各向同性体，不存在压电效应，但存在电致伸缩效应。对于没有对称中心的晶体，起主要作用的是压

43、电效应；对于具有对称中心的晶体，由于不存在压电效应，就要考虑电致伸缩效应电致伸缩效应。 757.4 晶体的压电性质n3 晶体的机电耦合效应 q电致伸缩效应图7.21 压电效应与电致伸缩效应 ijijklklxQP PijijklklxME EQ 、M为电致伸缩常数 767.4 晶体的压电性质n3 晶体的机电耦合效应 q机电耦合系数 2k 机电转换获得的能量输入的总能量机电耦合系数是一个小于1的因子。应当注意的是，不要把机电耦合系数看成是能量转换效率。这是因为在压电体中，没有被转换的那部分能量是以电能或是弹性能的形式可逆的存储在压电体中。k2只是表示能量转换的有效程度。例如，一个k2=0.5的压

44、电振子，在谐振时期能量转换效率可高达90%以上。 777.4 晶体的压电性质n4 常用压电材料787.4 晶体的压电性质n4 常用压电材料q石英晶体zxyoxzyobzoxacy( a )( b )( c )石英晶体的纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。 沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。797.5 晶体的铁电性质n1 自发极化与热释电效应 如果晶胞本身的正、负电荷中心不重合，也就是说，晶胞具有一定的固有电

45、偶极矩。那么由于晶体结构的周期性和重复性，晶胞的固有电矩便会沿同一方向整齐排列，使晶体处于高度的极化状态之下，由于这种极化状态是在外电场为零时自发建立起来的，因此称为自发极化自发极化。 在21种不存在对称中心的点群中，有10种含有单一对称轴的点群可能会产生自发极化。这10个点群是1，m，mm2，2，3，3m，4，4mm，6，6mm。属于这10个点群的极性晶体，结构上的单一对称轴便成为极轴。但是否具有自发极化，还要看其组成单元本身（晶胞）是否带有极性。 807.5 晶体的铁电性质n1 自发极化与热释电效应q热释电效应自发极化所建立的表面束缚电荷被外来的表面自由电荷所屏蔽，束缚电荷建立的电场被抵消

46、。但当温度发生改变当温度发生改变时，由于离子键的键长和键角键长和键角发生变化，自发极化强度P也将发生变化。这是被自发极化束缚在表面的自由电荷层就要发生相应的调整，如将电荷释放出来，使得晶体显示出带点状态或在闭合电路中产生电流。这一现象就是热释电效应热释电效应。 显而易见，应力也会改变晶体内的极化强度，因而热释电晶体总是具有压电效应。 817.5 晶体的铁电性质n1 自发极化与热释电效应q热释电效应q三种热释电效应n初级热释电效应受夹状态（不发生形变）n次级热释电效应自由状态（发生形变）n第三热释电效应有温度梯度Pp Tp为热释电系数 实际测量中，多数为自由状态下的热释电效应，其值为初级和次级两

47、项热释电效应之和。而第三热释电效应通常很小，往往可以忽略。827.5 晶体的铁电性质n2 铁电体与电畴q这类晶体由于正负电荷的分离，在没有外加电场时，在某一温度范围内可自发极化，且极化强度随外电场的反向而反向，这类晶体称为铁电体。q少数的热释电体，其自发极化强度矢量却能在外电场的作用下，沿某几个特定的晶向重新定向。这种热释电体就是铁电体。铁电体是热释电体的一个亚类，自发极化能被外电场定向是其最重要的特性。q铁电体具有压电性和热释电性。 具有热释电效应的晶体可分为两类：一类是具有自发极化，且自发极化不为外电场所转向的晶体；另一类是自发极化可为外电场所转向的晶体，即铁电体。 837.5 晶体的铁电

48、性质n2 铁电体与电畴q电畴n90畴壁 n180畴壁 铁电体在晶体内部退极化电场的作用下，会分裂出一系列自发极化方向不同的小区域，使其各自所建立的退极化电场互相补偿，直至整个晶体对内、对外均不显示出电场为止。这些由自这些由自发极化方向相同的晶胞所构成的小区域成为电畴，相邻电畴的发极化方向相同的晶胞所构成的小区域成为电畴，相邻电畴的界面称为畴壁。界面称为畴壁。 847.5 晶体的铁电性质n2 铁电体与电畴q电畴n典型的BaTiO3 铁电晶体在5120温度范围内属于四角晶系。相邻电畴的自发极化方向反平行的180电畴和相互垂直的90电畴。反平行电畴之间的界面称为180畴壁，而相互垂直的电畴之间的界面

49、则为90畴壁。 857.5 晶体的铁电性质n3 电滞回线 图7.25 铁电体的电滞回线 OA B CCB D F通常铁电晶体是多电畴体，需要在强电场下转变成单畴晶体。多畴转单畴的过程极化Ps：无电场时单畴的自发极化强度；Pr：剩余极化强度；EC ：矫顽场强。867.6 电介质的光学性质 n1 折射率与双折射 q折射率 /nc v0r/n 物质的折射率主要取决于介质中原子的极化率及其堆积密度。许多电介质晶体的折射率都很高。由于大部分的电介质的禁带宽度在5eV以上，因而在可见光频段，即波长为400-800nm的范围内是透明的。 对于非磁性介质 0001/c 1/v877.6 电介质的光学性质 n1

50、 折射率与双折射 q色散现象 晶体的折射率与光的频率（或波长）有关，这被称为色散现象。 2220022220012nenm 实际电介质材料的色散现象很复杂，这主要是材料中引起色散现象的外层电子有很多种，其固有振动频率各不相同。 光是一种电磁波，色散现象是电磁波对电介质作用的结果。 887.6 电介质的光学性质 n1 折射率与双折射 q双折射 晶体的折射率n是各向异性的，并可用光率体来形象表示。由麦克斯韦理论可知，对应于同一波前法向方向，有2个面偏振的波在晶体中传播，这两个这两个波的传播速度不同波的传播速度不同，把这两个波的c/v比值也不相同，这一现象被称为双折射。双折射可用这两个波的折射率之差

51、n来表示。 2223122221231xxxnnn897.6 电介质的光学性质 n2 电光效应 一般情况下，电场E0对晶体折射率的影响 2000nnaEbE由电场的一次线性项aE0 造成的折射率变化称为一次电光效应，或是普克尔（Pockels）效应。由二次项 所造成的折射率变化称为二次电光效应，或是克尔（Kerr）效应。一次电光效应类似于压电效应，只能出现在没有对称中心的晶体中。而二次电光效应则存在于所有的电介质中。 20bE外加电场可电介质的折射率或介电常数的改变，从而使光的传播特性发生改变，这种现象称为电介质的电光效应。 907.6 电介质的光学性质 n3 弹光效应q弹性应变使得许多铁电体

52、和非铁电体的折射率发生变化，这种现象称为弹光效应。q如果晶体的弹性应变是由晶体内部通过压电效应产生的，或是从外部施加的声波造成的，则这一现象称为声光效应。 20nna Xb X对于具有对称中心的晶体，电场反向时，晶体内部离子间的相对位置没有什么变化，晶体的折射率不发生变化，但应力反向，即由张应力变成压应力时，晶体内部离子的相对位置不同，从而晶体的折射率发生改变。因此，这些晶体尽管没有一次电光效应，却会产生一次弹光效应。 917.6 电介质的光学性质 n4 声光效应 光在各向异性介质中传播，满足折射率椭球方程 22111ijijijx xnn在线性近似条件下 21ijklklijP unPijk

53、l是个对称的四阶张量，称为应变弹光系数 声光介质对入射光波的相位调制 0knl当介质中存在声波时，内部的弹性形变导致折射率发生改变 927.6 电介质的光学性质 n5 热光效应 图7.26 铌酸锂的折射率温度曲线 当介质中温度发生变化时，其光学参数折射率n和双折射n均发生很大的变化，这就是热光效应。 937.7 钛酸钡的结构与性质 n1 铁电材料的分类 q按照结晶化学分类 q按照铁电体极化轴的多少分类 一类是含有氢键的晶体；另一类是双氧化物晶体，如KNbO3、Cd2Nb2O7、BaTiO3、LiNbO3等。这类晶体在结构上常具有氧八面体结构基元，并在氧离子之间的空隙中填有阳离子。一类是只含单一

54、的极化轴的铁电晶体；另一类是可沿几个晶轴方向极化的铁电晶体。947.7 钛酸钡的结构与性质 n1 铁电材料的分类 q按照晶体在顺电相有无对称中心来分类 q按照顺电-铁电相转变的微观机制分类 一类是在顺电相时没有对称中心，即具有压电效应的晶体；另一类是顺电相时有对称中心，即没有压电效应的晶体。 一类是位移型转变的铁电晶体，如BaTiO3等具有氧八面体结构的双氧化物；另一类是有序-无序型转变的铁电晶体，如KDP、TGS等含氢键的化合物。 957.7 钛酸钡的结构与性质 n1 铁电材料的分类 q铁电晶体材料之所以发展很快，是由铁电晶体本身的一些特点决定的：q一、铁电晶体必然是热释电晶体、压电晶体和电

55、介质晶体。具有铁电性的晶体在许多方面的应用，远比利用铁电现象本身广泛得多。q二、对于铁电现象本身的研究，很有理论价值和实用前景。n特别是对于铁电晶体的相变和临界现象的研究，已从传统的热力学唯象理论发展到晶格动力学理论(即软模理论)。电性在信息存贮、固体显示等方面都显示出巨大的应用前景。 967.7 钛酸钡的结构与性质n2 钛酸钡的晶体结构 钛酸钡是第一种被发现具有铁电特性的陶瓷材料。 属于钙钛矿结构：ABO3 A离子周围有12个氧离子，而B离子则位于氧八面体位的间隙处。AOBO2RRt RR977.7 钛酸钡的结构与性质n2 钛酸钡的晶体结构 图7.29 在不同温度条件下，钛酸钡晶体结构的变化

56、 987.7 钛酸钡的结构与性质n2 钛酸钡的晶体结构 图7.30 钛酸钡晶体中，立方晶系-四方晶系形变时的离子位移 图7.31 钛酸钡晶体晶轴长度的变化 997.7 钛酸钡的结构与性质n3 钛酸钡的铁电性质q晶体结构对极化的影响 0附近，正交晶系，晶体对称性下降 ，沿011方向极化。-80附近，三方晶系，对称性继续下降 ，沿111方向极化。130时，具有立方对称性，无铁电性。130时，四方晶系 ，沿c轴自发极化，呈现出明显的铁电性质。用很小的外电场加在单晶体a轴方向所测量的介电常数可达6000，可是当外场沿c轴作用时，介电常数仅数百。这两种情况下所得到的介电常数相差很大表明，在外场作用下，离子容易沿垂直于极化轴的方向发生位移。 130：居里温度：居里温度 1007.7 钛酸钡的结构与性质n3 钛酸钡的铁电性质