低介电系数电介质薄膜材料课案

低介电系数电介质薄膜材料课案第1页/共15页介电系数及其影响因素极化电介质在电场作用下发生极化时其极化程度的量度介电系数ε在外电场的作用下分子中电荷分布所发生的相应变化第2页/共15页特点：不随温度变化，仅取决于分子中电子云的分布情况电子极化

分子极化类型电子极化：在外电场作用下每个原子中

价电子云相对于原子核的位移原子极化：外加电场所引起的原子核之间的相对位移原子极化取向极化电子极化原子极化变形极化（亦称诱导极化）介电系数及其影响因素第3页/共15页介电系数及其影响因素具有永久偶极矩的极性分子置于均匀外电场时除诱导极化外，还能发生取向极化。特点：偶极子的取向与温度有关分子的热运动总是使偶极子取向趋于杂乱

取向极化：偶极子沿电场方向进行排列第4页/共15页

高分子材料的极化在外电场作用下高分子链内偶极基团沿外电场方向排列取向(a)无电场时(b)有电场时高分子链内偶极子在外电场中取向示意图介电系数及其影响因素均相聚合物的极化——偶极极化第5页/共15页界面两边的组分介电系数和导电率不同引起电荷在两相界面处聚集——界面极化非均相聚合物体系均质高聚物中含有杂质或缺陷晶态高聚物中，晶区与非晶区存在界面发生界面极化的条件：界面极化所需时间长，一般发生在低频下（0.001~1000Hz)

非均相聚合物的极化

介电系数及其影响因素偶极极化界面极化第6页/共15页非极性介质——以电子极化为主离子晶体——以离子极化为主强极性介质——以偶极子取向极化为主电介质材料组分、结构不同，其极化类型不同极化程度影响因素：电介质组分、结构温度外电场频率低介电常数的测试频率通常是1MHz介电系数及其影响因素第7页/共15页降低材料介电系数的理论途径降低材料电子密度1减少材料离子键数目2减少材料极性基团数量3降低材料密度4第8页/共15页1、降低构成材料中偶极子的极化率降低材料介电系数的方法降低材料介电系数的方法2、降低单位体积内偶极子的密度第9页/共15页

在材料中引入空气气隙电介质和空气隙形成多孔复合材料——获得超低介电系数材料的重要途径电介质理论在均匀介质中通过降低偶极子的极化率

使介电系数降低的程度是有限的降低材料介电系数的方法采用复合材料是降低材料介电系数的可能途径空气的介电系数k＝1第10页/共15页有机高分子类低介电系数材料

降低聚合物介电常数的方法和原理

降低聚合物材料介电常数常用方法——增加聚合物材料的自由体积——引入氟原子——生成纳米微孔材料第11页/共15页

有机高分子类低介电系数材料

降低聚合物介电常数的方法和原理增加聚合物材料的自由体积介电系数降低原理——

聚合物的自由体积增大可以降低单位体积内极化基团的数量◆

增加聚合物材料自由体积方法——

短的侧链——

柔性的桥结构——

能限制链间相互吸引的大的基团

第12页/共15页有机高分子类低介电系数材料

降低聚合物介电常数的方法和原理引入氟原子介电系数降低原理——C-F较C-H键有较小偶极和较低的极化率同时氟原子还能增加自由体积

◆氟原子引入方法——

利用含氟单体合成聚合物——

在聚合物链上引入含氟侧基第13页/共15页有机高分子类低介电系数材料

降低聚合物介电常数的方法和原理制备纳米微孔材料介电系数降低原理

——

空气介电系数最低ε＝