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高介电陶瓷的介电响应机理李涛2012.5.29•电容器的用途•（1）能量储存•（2）调谐、振荡•（3）滤波旁路一、高介电电介质陶瓷的应用陶瓷电容器（按介质分类）铁电陶瓷电容器反铁电陶瓷电容器非铁电陶瓷电容器半导体陶瓷电容器表层陶瓷电容器晶界层陶瓷电容器电容器的种类电解电容器有机介质电容器无机介质电容器可变电容器独石电容器云母电容器玻璃釉电容器陶瓷电容器平行板电容器示意图无介质0CCrVQC00有介质VQQC'0rdAC0介电常数：表征电介质极化能力的参数二、电介质的介电常数I=iωC0V理想电容器加上交变电压tiVV0回路电流：实际情况：物理意义：相对介电常数（实部和虚部）随所加电场的频率而变化。电介质在恒定电场作用下，从建立极化到其稳定状态，一般来说要经过一定时间；建立电子位移极化和离子位移极化，到达其稳态所需时间约为10-16~10-12秒在无线电频率（5×1012Hz以下）范围，仍可认为是极短的，因此这类极化又称为无惯性极化或瞬时位移极化；这类极化几乎不产生能量损耗；偶极子转向极化和空间电荷极化，在电场作用下则要经过相当长的时间（10-10秒或更长）才能达到其稳态，所以这类极化称为有惯性极化或驰豫极化；这种极化损耗能量；三、铁电体BaTiO3的极化机理•一般铁电体的晶体结构和成键特点和电子分布•BaTiO3的电子构型•BaTiO3极化特性的解释•对居里点的解释•电滞出现的条件•外来离子的影响•BaTiO3晶体结构•一般铁电体的晶体结构：一般为层状钙钛矿型。•铁电体的成键特点和电子分布：正离子一般为多层多电子型，以较弱的离子键成键。•Ti-O-Ti以网格状分布与一层中，Ba离子单独于一层中。（见图）离子位移极化621062106262255444333221PSdPSdPSPSS6262233221PSPSSBa正离子:Ti正离：O负离子：622221PSS•E作用下电子的偏移•Ba离子核外空轨道：4f.5p.5d.6S。能量均较低，可以比较容易地容纳电子。•Ti-O-Ti层电子的丢失：Ba外层电子轨道俘获从Ti-O-Ti层偏移来电子•电滞（Pr）出现：电子在Ba层中的滞留BaTiO3极化特性的解释：BaTiO3的电子构型•正反电滞的出现：BaTiO3晶体层状对称性，反向电场(-E)使电子偏向Ti-O-Ti层另一侧的Ba层，表现为反向的电滞（-Pr）。•Pr的出现使电滞回线不再沿开始的极化曲线返回原点T(K)150200250300350400'020004000600080001000010kHzHeating10kHzCoolingGGreremv0202214456BaTiO3的居里温度：铁电体向顺电体转变的温度。对居里点得解释：电子的能量也可以依靠热运动来获得。一定的温度使得Ba的外层电子轨道无法再俘获外来的电子，使得极化不再出现，这一温度叫居里点。利用经典的方法：可见越大居里点越高。当然这只是一种趋向，不能由此计算居里点（经典理论不适用于原子尺寸）。rn电滞出现的条件：•温度在居里点以下•正离子为多质子核，且n/r足够大•正离子核外有空的且能级比较低的轨道•负离子为非强电负性•晶体结构为对称的层状结构外来离子的影响：•如在Ba层中引入结构比较复杂的离子如：La系，由于La系有(n-2)f,(n-1)d等能级更低的轨道，故电滞Pr较大；若在Ti-O-Ti层中引入La等，则电子不易偏向Ba层，从而使Pr更小。（图）。二、CCTO及陶瓷的介电、压敏特性CCTO晶体结构1.CCTO陶瓷的晶体结构非铁电体无相变（目前未发现）极化主要是空点电荷极化2001年，Ramirez和Subramanian等人发现具有类钙钛矿结构的CaCu3Ti4O12（CCTO）具有优异的介电性能介电常数高，可达105以上介电常数在100K~600K范围几乎不随温度而变化工艺简单，空气中一次烧成无相变发生2.CCTO陶瓷的介电性能3.优良的压敏特性压敏电阻器是一种具有瞬态电压抑制功能的元件，可以用来代替瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电容器的组合。压敏电阻器可以对IC及其它设备的电路进行保护，防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流（如雷击等）而造成对它们的损坏。（1）.压敏电阻“压敏电阻是中国大陆的名词，意思是在一定电流电压范围内电阻值随电压而变，或者是说电阻值对电压敏感的阻器。相应的英文名称叫“VoltageDependentResistor”3.CCTO陶瓷的压敏特性非线性系数a是表征压敏电阻器压敏性能好坏的重要参数。2004年S.Chung等人发现CCTO陶瓷样品在5～100mA的范围内测得的非线性系数a高达912。2005年V.P.B.Marques等人也报到了CCTO具有优良的压敏电阻特征。)lg()lg(1212VVIIVIK4.CCTO巨介电常数及压敏特性的解释机理IBLC阻挡层模型