lec4-材料的介电性能

材料的介电性能DielectricPropertiesofMaterials杜宇雷材料科学与工程学院1.以电荷长程迁移即传导的方式（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）对外电场作出响应，这类材料即导电材料；。材料对外电场作用的响应2.以感应的方式对外电场作出响应，即沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质；这种现象称为电介质的极化。。极化电偶极子与电偶极矩电偶极子（electricdipole）——两个相距很近的等量异号点电荷+q与-q所组成的带电系统。电偶极矩（electricdipolemoment）——电偶极子中的一个电荷的电量与轴线的乘积，简称电矩。LqP→→=电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。绝缘体≠电介质将物质分类为绝缘体、半导体、导体、以及超导体时，其依据是物质的电荷传导特性或者说电荷长程迁移特性。电荷的传导（电荷的长程迁移），作为物质对外电场的响应，其宏观表现即为电流。根据欧姆定律:J=σE，其中J为电流密度，E电场强度，而σ为电导率张量(二阶对称张量)。电导率反映了物质的电荷传输特性或曰电荷长程迁移特性。物质对外电场的响应除去电荷的传导外，还有电荷短程运动与位移。这种电荷的短程运动与位移称为极化(Polarization)，其结果是促使正负电荷中心偏移、从而产生电偶极矩。而以极化方式传递、储存或记录外电场作用和影响的物质就是电介质。显然，电介质中起主要作用的乃是束缚电荷而非自由电荷。极化可以来自极性晶体或分子的自发极化、也可以来自电场的诱导作用。介电响应可用如下方程描述：D=εε0E或P=χε0E，其中，D为电位移、P为极化强度、ε0为真空电容率、ε为相对介电常数、χ为宏观极化率，ε与χ均为二阶对称张量。由于ε=1+χ，用相对介电常数与宏观极化率描述介电性质是等价的。介电常数的物理意义可以理解为电介质在极化过程中储存电荷能力之度量。传导与极化是物质对电场的两种主要响应方式，它们虽有主次、但往往同时存在。当我们主要关注其传导特性时，将物质分类为绝缘体、半导体与导体；而当我们重点关注其极化特性时，则将物质分类为顺电体、铁电体、反铁电体、压电体、热释电体等电介质。电介质与绝缘体是相互密切联系、然而并不能等同的两个概念。绝缘体肯定是电介质，但电介质却不仅仅包括绝缘体。虽然大部分实用电介质材料为绝缘体，然而半导体甚至金属都有电介质的特性、只是其对外电场的响应中传导效应远远超过了极化效应而已。真空－++++－－－E－++++－－－－++－－++－+－+－+－+－+－+－+－+－自由电荷+－偶极子束缚电荷1.具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象极化现象及其物理量在外电场中，电介质表面出现的束缚电荷叫做极化电荷。电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，使其转变成偶极子的过程。或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变成偶极子的过程。偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，形成一个偶极子。2.物理量－++++－－－－++－－++－+－+－+－+－+－+－+－+－单位板面上束缚电荷的数值(极化电荷密度）可以用单位体积材料中总的偶极矩即极化强度P来表示。设N是体积V内偶极矩的数目，电偶极矩相等于两个异号电荷Q乘以间距d，则：P=N/V=Qd/V=Q/A－++－－+P－Q+Q3介质的极化强度与宏观可测量之间的关系两块金属板间为真空时，板上的电荷与所施加的电压成正比：Qo=CoV两板间放入绝缘材料，施加电压不变电荷增加了Q1，有：Qo+Q1=CV相对介电常数r：介电质引起电容量增加的比例。r=C/Co=(Qo+Q1)/Qo电介质提高电容量的原因：由于质点的极化作用，结果在材料表面感应了异性电荷，它们束缚住板上一部分电荷，在同一电压下，增加了电容量。结果：材料越易极化，材料表面感应异性电荷越多，束缚电荷也越多，电容量越大，相应电容器的尺寸可减小。极板上自由电荷密度：Qo/A=CoV/A=(oA/d)V/A=oE（E----两极板间自由电荷形成的电场，也即宏观电场）介电材料存在时极板上电荷密度D:等于自由电荷密度与束缚电荷密度之和：由：r=(Qo+Q1)/Qo得：rQo/A=(Qo+Q1)/A有：roE=(Qo+Q1)/A=DD=oE+P=orE=1E(l---绝对介电常数）P=(1－o)E=o(r-1)E电介质的电极化率e：束缚电荷和自由电荷的比例：e=P/oE=(r-1)得：P=oeE（作用物理量与感应物理量间的关系）12极化状态的描述--电极化强度矢量在没有外电场时，电介质未被极化，内部宏观小体积元中各分子的电偶极矩的矢量和为零；当有外电场时，电介质被极化，此小体积元中的电偶极矩的矢量和将不为零。外电场越强，分子的电偶极矩的矢量和越大。用单位体积中分子的电偶极矩的矢量和来表示电介质的极化程度电极化强度的定义单位体积中分子的电偶极矩的矢量和叫作电介质的电极化强度。VpP=•电极化强度用来表征电介质极化程度的物理量；•单位：C.m-2，与电荷面密度的单位相同；•若电介质的电极化强度大小和方向相同，称为均匀极化；否则，称为非均匀极化。极化强度•摩尔定律指出，集成电路上的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，处理器性能也将提升一倍，而价格也将下降一倍。无极分子：分子的正负电荷中心在无电场时是重合的，没有固定的电偶极矩，如H2、HCl4，CO2，N2，O2等有极分子：分子的正负电荷中心在无电场时不重合的，有固定的电偶极矩，如H2O、HCl等。正负电荷中心原子核电子云1O1P2O2POH21020301P2P3PP正电荷中心负电荷中心电介质的分类+-非极性电介质极性电介质电介质极化的机制•电子、离子位移极化•弛豫（松弛）极化•取向极化•空间电荷极化无外电场作用+电子位移极化±-1.电子位移极化电子位移极化：在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生相对位移形成的极化。在外场作用下正负电荷中心被拉开形成一个电偶极子，电矩方向与外场方向相同。E无极分子E外VE外0iip外场T=0K热运动T0K电子极化率的大小与原子（离子）的半径有关。2.离子位移极化离子位移极化：离子在电场的作用下，偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感生偶极矩；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，这样所引起的极化称为离子位移极化。－++－EX+X-离子极化率的大小与原子（离子）的半径有关。3.弛豫（松弛）极化松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混乱，电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。离子松弛极化率：T=q2x2/12kT温度越高，热运动对质点的规则运动阻碍增强，极化率减小。离子松弛极化率比电子位移极化率大一个数量级，可导致材料大的介电常数。（1）离子松弛极化结构正常区缺陷区U松U’松U导电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。这些离子称为弱联系离子。（2）电子松弛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，使电子能态发生改变，出现位于禁带中的局部能级形成所谓弱束缚电子。材料中弱束缚电子在晶格热振动下，吸收一定能量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态；处于激发态的电子连续地由一个阳离子结点，移到另一个阳离子结点；外加电场使其运动具有一定的方向性，由此引起极化，使介电材料具有异常高的介电常数。4.取向极化——有极分子的极化机理•当没有外电场时，电偶极子的排列是杂乱无章的，因而对外不显电性。–++q–qE+++–––0E取向极化•当有外电场时，每个电偶极子都将受到一个力矩的作用。在此力矩的作用下，电介质中的电偶极子将转向外电场的方向。•在垂直于电场方向的两个表面上，将产生极化电荷。5.空间电荷极化空间电荷极化：在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化。----++++----++++----++++外电场P极化形式极化的电介质种类极化的频率范围与温度的关系能量消耗电子位移极化一切陶瓷直流——光频无关无离子位移极化离子结构直流——红外温度升高极化增强很弱离子松弛极化离子不紧密的材料直流——超高频随温度变化有极大值有电子位移松弛极化高价金属氧化物直流——超高频随温度变化有极大值有转向极化有机直流——超高频随温度变化有极大值有空间电荷极化结构不均匀的材料直流——高频随温度升高而减小有各种极化形式的比较空间电荷极化松弛极化离子极化电子极化工频声频无线电红外紫外极化率或极化率和介电常数与频率的关系6.2.2克劳修斯-莫索蒂方程外加电场E0Ed外加电场E0束缚电荷产生的电场Ed（退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生）E宏=E0+Ed1.宏观电场：－++++－－－－++－－+－++++－－－2.原子位置上的局部电场Eloc（有效电场）Eloc=E0+Ed+E2+E3++++++++－－－－－－－+++－－－E0EdE2E3对于气体质点，其质点间的相互作用可以忽略，局部电场与外电场相同。对于固体介质，周围介质的极化作用对作用于特定质点上的局部电场有影响。作用于介质中质点的内电场周围介质的极化作用对作用于特定质点上的电场贡献。球外介质的作用电场：设想把假想的球挖空，使球外的介质作用归结为空球表面极化电荷作用场（洛伦兹场）E2和整个介质外边界表面极化电荷作用场Ed之和。对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场：由P=Q1/A=oEd得：Ed=P/oEd的计算：假想：有一个特定质点被一个足够大的球体所包围，球外的电介质可看成连续的介质，同时，球半径比整个介质小得多。介质中的其它偶极子对特定质点的电场贡献分为两部分：球外介质的作用Ed＋E2和球内介质的作用E3根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电荷上的P方向分力dF：dF=－（－PcosdS/4or2)cos由qE=F1×E=FE=FdE=Pcos2dS/4or2=(2rsinrd)(Pcos2/4or2)=Pcos2sin/2or2d整个空心球面上的电荷在O点产生的电场为：dE由0到的积分洛伦兹场E2：E2=P/3oE3为只考虑质点附近偶极子的影响，其值由晶体结构决定，已证明，球体中具有立方对称的参考点位置，如果所有原子都可以用平行的点型偶极子来代替，则E3=0。Eloc=E0+Ed+P/3o=E宏+P/3o根据D=oE+P得P=D－oE=（1－o）E=o（r－1）E由Eloc=E0+Ed+P/3o=E宏+P/3o得Eloc=（r+2）E宏/3设介质单位体积中的极化质点数等于n，则又有P=n=nEloc得（r－1）/（r+2）=n/（3o）上式为克劳修斯-莫索蒂方程3.克劳修斯-莫索蒂方程克劳修斯-莫索蒂方程的意义：建立了可测物理量r（宏观量）与质点极化率（微观量）之间的关系。克劳修斯-莫索蒂方程的适用范围：适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极性固体、具有适当对称性的固体。从克劳修斯-莫索蒂方程：讨论高介电常数的质点：（r－1）/（r+2）=n/（3o）（r－1）/（r+2）-----r越大其值越大介质中质点极化率大，极化介质中极化质点数多，则介质具有高介电常数。介质损耗电介质在交变电场中极化时，会因极化方向的变化而损耗部分能量和发热，称介电损耗。（1）电导损耗（2）极化损耗（3）电介质结构损耗是指电介质所含的微量导电载流子在电场作用下流动时，因克服电阻所消耗的电能。这部分损耗在交变电场和恒定电场中都会发生。（1）电导损耗（2