電子材料的介電性能

1、1第2章 電子(dinz)材料的介電性能 電阻率107m 的材料稱為絕緣體。它能夠承受較強(qiáng)的電場； 電介質(zhì)除了絕緣體特性外，在較弱電場作用(zuyng)下具有極化能力并能在其體內(nèi)長期存在電場。 可以通過極化過程來傳遞和記錄電子信息。共一百七十八頁22.1 電介質(zhì)及其極化(j hu) 我們知道，電容是當(dāng)兩個(gè)臨近導(dǎo)體加上電壓后具有存儲(chǔ)電荷能力的量度， 即 C= Q/U 真空中平板電容器的電容 C0=0S/d 當(dāng)兩極板間充滿電介質(zhì)時(shí)，電容器的電容將增大(zn d)， C=rC0=0 r S/d=S/d 式中 =0r 為介電材料的電容率（介電常數(shù)）。r 為相對電容率。 共一百七十八頁3 放在電容器中用

2、來增加電容的材料稱為介電材料。顯然介電材料屬于電介質(zhì)。 當(dāng)電容器加上外電場時(shí)，則在正極板附近的電介質(zhì)表面感應(yīng)出負(fù)電荷，負(fù)極板附近的電介質(zhì)表面感應(yīng)出正電荷。這種感應(yīng)出的表面電荷稱為極化電荷，也稱為束縛電荷。 電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象(xinxing)稱為電介質(zhì)的極化。正是這種極化的結(jié)果，使電容器增加了電荷的存儲(chǔ)能力.共一百七十八頁4本節(jié)內(nèi)容(nirng)2.1.1 描述電介質(zhì)極化(j hu)的物理量2.1.2 克勞修斯莫索蒂（lausius- - Mosotti）方程2.1.3 電子位移極化2.1.4 離子位移極化2.1.5 松弛極化2.1.6 轉(zhuǎn)向極化2.1.7 空間電荷極化2.1

3、.8 自發(fā)極化2.1.9 介電常數(shù)的溫度系數(shù)共一百七十八頁52. 描述電介質(zhì)極化(j hu)的物理量 根據(jù)分子的電子結(jié)構(gòu)，電介質(zhì)可以分為兩大類： 非極性分子電介質(zhì)，例如 CH4 , He 等； 極性分子電介質(zhì)，如 H2O, CO等。 對于非極性分子，在無外加電場作用時(shí)分子的正，負(fù)電荷重心相重合,不具有電偶極矩，只有在外電場作用下正負(fù)電荷出現(xiàn)相對位移，才出現(xiàn)電偶極矩。 而極性分子，即使無外電場作用，每個(gè)分子的正、負(fù)電荷重心也不重合，相當(dāng)于電偶極子，具有電偶極矩，它與鐵電性有密切關(guān)系。 共一百七十八頁6 描述一個(gè)中性分子電極化狀態(tài)的參量是電偶極矩（電矩） p = ql 或 = ql 其中 q 為分

4、子中正電荷的總量（顯然其中負(fù)電荷的總量是-q），l為負(fù)、正電荷重心之間的位矢，其方向由負(fù)電荷重心指向正電荷重心。 電介質(zhì)在外電場作用下會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在與外電場方向垂直的兩個(gè)(lin )表面產(chǎn)生正、負(fù)極化電荷，極化電荷不能自由移動(dòng)，也不能離開電介質(zhì)，總值保持中性。共一百七十八頁7 單位電場作用下質(zhì)點(diǎn)電偶極矩的大小稱為質(zhì)點(diǎn)的極化率 Eloc為作用在微觀質(zhì)點(diǎn)上的局部電場，它與宏觀外電場并不相同。 極化率 (微觀量) 表征材料的極化能力，只與材料的性質(zhì)(xngzh)有關(guān),其單位為Fm2 (法拉米2)共一百七十八頁8定量描述電介質(zhì)的極化-極化強(qiáng)度(qingd) 極化強(qiáng)度 P 是電介質(zhì)極化強(qiáng)弱的量度，定

5、義為： 即單位體積(tj)內(nèi)分子電偶極矩的矢量和共一百七十八頁9 設(shè)介質(zhì)單位體積內(nèi)的極化質(zhì)點(diǎn)數(shù)等于n，由于每一電偶極子的電偶極矩具有同一方向（外電場方向），所以(suy)上式可用標(biāo)量代替，得到極化強(qiáng)度與極化率得關(guān)系 式中 為各質(zhì)點(diǎn)的平均電偶極矩共一百七十八頁10對于均勻電介質(zhì)，極化強(qiáng)度的大小等于極化產(chǎn)生的極化電荷面密度，即 = Pn我們知道 P=0(r-1)E=0eEe為電極化率，E 為宏觀平均電場定義電位移矢量(shling)：D =0E + P對于各向同性均勻介質(zhì)： D=0+0(r-1)E=0rE= E共一百七十八頁112.克勞修斯莫索蒂（lausius-Mosotti）方程(fngchn

6、g) 、宏觀電場(din chng) E 對介質(zhì)宏觀電場的貢獻(xiàn)有兩個(gè)方面，（）外加電場（）介質(zhì)的所有質(zhì)點(diǎn)電荷的電場之和共一百七十八頁12 靜電學(xué)原理：由均勻極化所產(chǎn)生的電場等于分布在物體表面上的束縛電荷在真空中產(chǎn)生的電場，用E表示， E與Eout或 P 反向，所以(suy)稱為退極化場 E ，如圖. 宏觀電場 E = Eout + E共一百七十八頁132、 原子位置(wi zhi)上的局部電場 Eloc 局部電場 Eloc 與宏觀電場 E 的數(shù)值相差很大（因該點(diǎn)附近電荷(dinh)的 電場）。 局部電場 Eloc 由外加電場 Eout 與晶體中其他原子所產(chǎn)生電場之矢量和。共一百七十八頁14 晶

7、體中其他原子所產(chǎn)生電場的計(jì)算方法： 以該原子為球心，以原子間距的幾十到幾百倍為半徑(比整個(gè)介質(zhì)小得多)畫一球。 對球心原子來說，球外電介質(zhì)可看作作是連續(xù)均勻的介質(zhì)，球內(nèi)也可視為均勻的 ，即宏觀(hnggun)電場對球內(nèi)各點(diǎn)作用一樣。共一百七十八頁15 洛倫茲設(shè)想(shxing)將該球挖空，則球外介質(zhì)的作用為整個(gè)介質(zhì)外表面極化電荷的場強(qiáng) E與空球表面極化電荷的場強(qiáng) E2 之和。 球腔內(nèi)各偶極子的電場為 E3 . 如圖4.3 Eloc = Eout + E + E2 + E3 E2 稱為洛倫茲電場共一百七十八頁16洛倫茲電場(din chng) E2 的計(jì)算如圖4.4，表示相對于極化方向(fngx

8、ing)的夾角， 空腔表面上 處的面電荷密度 (沿表面的法向分量Pn) 為 -Pcos取 d角對應(yīng)的微小環(huán)球面，其表面積 dS為共一百七十八頁17 dS面上(min shn)的電荷為共一百七十八頁18 dq在空腔(kn qin)球心O處產(chǎn)生的電場（在方向的投影）為共一百七十八頁19 整個(gè)空腔(kn qin)球面上的電荷在O點(diǎn)產(chǎn)生的電場（洛倫茲場）強(qiáng)度為共一百七十八頁20 球腔內(nèi)各偶極子的電場為 E3 是惟一的由晶體結(jié)構(gòu)決定的一項(xiàng)。 已經(jīng)證明，對于球體中具有立方對稱的參考位置，如果所有的原子(yunz)都可以用彼此平行的點(diǎn)型偶極子來代替，則 E3 共一百七十八頁21 所以由 Eloc = Eou

9、t + E + E2 + E3 得 這就是洛倫茲關(guān)系（局部電場、宏觀電場、極化強(qiáng)度之間的關(guān)系） 關(guān)于立方對稱離子晶體(jngt)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了洛倫茲關(guān)系的正確性。共一百七十八頁22、克勞修斯莫索蒂（lausius-Mosotti）方程(fngchng) 我們(w men)知道 P =0(r-1) E 即共一百七十八頁23由我們知道 P =0(r-1)E 比較以上兩式得:克勞修斯莫索蒂方程 建立了宏觀量相對電容率r與微觀量極化率之間的關(guān)系。適用于分子間作用很弱的氣體、非極性液體(yt)、非極性固體、一些NaCl型離子晶體、和具有適當(dāng)對稱性質(zhì)的晶體。 要獲得高電容率r的材料，應(yīng)選擇大，還要選 n

10、 大，即單位體積的極化質(zhì)點(diǎn)數(shù)要大。共一百七十八頁24對具有兩種以上極化(j hu)質(zhì)點(diǎn)的介質(zhì) 上式為共一百七十八頁252.1.3 電子位移(wiy)極化介質(zhì)的總極化包括(boku)三個(gè)部分： 電子極化 離子極化 偶極子轉(zhuǎn)向極化共一百七十八頁26 這些極化的基本形式又分為兩種： 1、位移式極化 特點(diǎn)：彈性的，瞬時(shí)完成的，不消耗(xioho)能量的極化。 如電子位移極化，離子位移極化。 2、松弛極化 特點(diǎn)：與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，非彈性的，有一定的能量消耗，并且完成這種極化需要一定的時(shí)間。 如電子松弛極化，離子松弛極化。共一百七十八頁27電子位移(wiy)極化 電子位移極化-在外電場作用下，原子外圍的電子云

11、相對于原子核發(fā)生位移形成的極化。 性質(zhì)(xngzh)：彈性束縛電荷在做強(qiáng)迫振動(dòng)。共一百七十八頁28電子位移極化(j hu)經(jīng)典理論結(jié)論 電子極化(j hu)率 式中 R 為電子的軌道半徑共一百七十八頁29 電子極化率的測量： 一般在光頻(紫外)下進(jìn)行(jnxng)，此時(shí)其他極化機(jī)構(gòu)(分子，離子極化)由于慣性跟不上電場的變化，因而此時(shí)的介電常數(shù)()幾乎完全來自電子極化率的貢獻(xiàn)。 在光頻范圍內(nèi)，相對介電常數(shù)等于介質(zhì)折射率的平方 r = n2共一百七十八頁302.1.4 離子(lz)位移極化 在離子晶體中，除存在電子位移極化外，在電場(din chng)作用下還會(huì)發(fā)生正、負(fù)離子沿相反方向位移形成的離

12、子位移極化（正離子沿外電場方向、負(fù)離子沿外電場相反方向移動(dòng)）。 在電場作用下，離子偏移平衡位置，相當(dāng)于形成一個(gè)感生電偶極矩。在電場中離子的位移，仍然受到彈性恢復(fù)力的限制，恢復(fù)力包括其他離子位移引起的電場作用。共一百七十八頁31 設(shè)正、負(fù)離子間距為 r ， 離子處于平衡位置時(shí) r = a ， 可得一維離子位移極化率： n為由實(shí)驗(yàn)(shyn)確定的晶格參數(shù) ， 對一般晶體 n = 9共一百七十八頁32 三維晶體(jngt)的離子位移極化率，要考慮晶體(jngt)結(jié)構(gòu)、被考察離子周圍其他所有的離子的作用。 如簡立方結(jié)構(gòu)NaCl晶體的離子位移極化率為共一百七十八頁33式中為 a 晶格常數(shù)(chngsh

13、) n為電子層斥力指數(shù)， n 取值在711之間 A為馬德隆常數(shù)，與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，對NaCl晶體， A=1.75，代入上式得可以估算 NaCl 晶體的離子位移極化率數(shù)量級為 10-40 Fm2共一百七十八頁34 比較可以看出，一維與三維公式的形式相近，只是系數(shù)稍有差別，這是由于NaCl晶體中其他離子(lz)的影響。共一百七十八頁35 離子(lz)位移極化建立的時(shí)間與離子(lz)晶格振動(dòng)的周期具有相同的數(shù)量級，為10-12 10-13s ， 比電子位移極化慢2 3個(gè)數(shù)量級 ， 但也屬于快速極化 ，極化過程中不伴隨有能量損耗。 離子位移極化只發(fā)生在離子鍵構(gòu)成的電介質(zhì)中 ，由于離子間距隨溫度變化不大

14、，所以離子位移極化率隨溫度升高會(huì)略有增加， 但增加的不大。共一百七十八頁362.1.5 松弛(sn ch)極化 當(dāng)材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子或偶極子等松弛質(zhì)點(diǎn)時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)使這些松弛質(zhì)點(diǎn)分布混亂，而外電場力圖使這些質(zhì)點(diǎn)按電場規(guī)律分布，最后在一定的溫度下發(fā)生(fshng)極化，這種極化具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，稱為松弛極化。 即這種極化也是由于與外電場作用造成的，但是還與質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)。共一百七十八頁37 松弛極化的帶電質(zhì)點(diǎn)在熱運(yùn)動(dòng)時(shí)移動(dòng)的距離，可與分子大小相比擬,甚至更大。 并且質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)需要克服一定的勢壘才能移動(dòng)。 因此這種極化建立的時(shí)間較長(可達(dá)10-2 10-9s)，并且需要吸收一定的能量，它與彈性

15、(tnxng)位移極化不同，它是一種不可逆過程。共一百七十八頁38 松弛極化包括三種(sn zhn)類型： 離子松弛極化 電子松弛極化 偶極子松弛極化 多發(fā)生在晶體缺陷區(qū)或玻璃態(tài)物質(zhì)內(nèi)，有機(jī)分子物質(zhì)也會(huì)發(fā)生松弛極化。共一百七十八頁391、 離子松弛(sn ch)極化 強(qiáng)聯(lián)系離子 在完整的離子晶體中，離子處于正常結(jié)點(diǎn)(平衡位置)，能量最低，最穩(wěn)定，離子牢固地束縛在結(jié)點(diǎn)上，稱為強(qiáng)聯(lián)系離子。 強(qiáng)聯(lián)系離子它們在電場作用(zuyng)下只能產(chǎn)生彈性位移極化，即極化質(zhì)點(diǎn)仍束縛于原平衡位置附近。共一百七十八頁40 弱聯(lián)系離子 在玻璃態(tài)物質(zhì)、結(jié)構(gòu)松散的離子晶體中以及晶體的雜質(zhì)和缺陷區(qū)域，離子本身能量較高，易被

16、激活遷移，稱為弱聯(lián)系離子。 弱聯(lián)系離子的極化可以從一個(gè)平衡位置到達(dá)另一個(gè)平衡位置，當(dāng)去掉外電場(din chng)時(shí)，離子不能回到原來的平衡位置，因而是不可逆的遷移。共一百七十八頁41 離子松弛極化遷移的行程可與晶格常數(shù)相比擬，因而比彈性位移距離大。 但是離子松弛極化的遷移又與離子電導(dǎo)不同。 離子電導(dǎo)是離子做遠(yuǎn)程遷移。 而離子松弛極化質(zhì)點(diǎn)僅做有限距離的遷移，它只能在結(jié)構(gòu)松散區(qū)域(qy)或有雜質(zhì)和缺陷的區(qū)域(qy)附近移動(dòng)。共一百七十八頁42 離子(熱)松弛極化率 式中 q 為弱聯(lián)系離子的電荷電量(dinling)， 為離子越過勢壘的平均距離。共一百七十八頁43 溫度越高，熱運(yùn)動(dòng)對質(zhì)點(diǎn)(zhdi

17、n)的規(guī)則運(yùn)動(dòng)阻礙增強(qiáng)，因而（熱）松弛極化率減小。 計(jì)算可知，離子松弛極化率比電子位移極化率以及離子位移極化率大一個(gè)數(shù)量級，因而提供較大的介電常數(shù)。共一百七十八頁44 松弛極化強(qiáng)度 P 與溫度 T 的關(guān)系中往往出現(xiàn)極大值，這是因?yàn)椋?一方面，溫度，弱聯(lián)系離子的松弛時(shí)間，松弛過程加快，極化建立的更充分， 另一方面，溫度，松弛極化率T ， 而某些具有離子松弛極化的陶瓷材料，其-T 關(guān)系中未出現(xiàn)極大值，是因?yàn)閰⒓铀沙跇O化的離子數(shù)隨溫度升高而連續(xù)(linx)的增加。共一百七十八頁45離子松弛極化隨頻率的變化，在無線電頻率以下比較明顯。由于離子松弛時(shí)間長達(dá) 10-2 10-5s，所以在無線電頻率(106

18、Hz)以上離子松弛極化來不及建立，因而介電系數(shù)隨頻率升高(shn o)明顯下降。頻率再高時(shí)，無松弛極化，只存在電子和離子的位移極化( 趨近于)共一百七十八頁462、 電子松弛(sn ch)極化電子松弛極化是由弱束縛電子引起的極化。由晶格的熱振動(dòng)、晶格缺陷、雜質(zhì)的引入、化學(xué)組成的局部改變等因素都能使電子能態(tài)發(fā)生(fshng)改變,出現(xiàn)位于禁帶中的局部能級，形成弱束縛電子。共一百七十八頁47如“F-心”就是由一個(gè)負(fù)離子空位俘獲一個(gè)電子形成的弱束縛電子?！癋-心”的弱束縛電子為周圍結(jié)點(diǎn)上的陽離子所共有，在晶格熱振動(dòng)(zhndng)作用下，該弱束縛電子吸收一定的能量由較低的局部能級躍遷到較高的局部能級

19、而處于激發(fā)態(tài)，連續(xù)地由一個(gè)離子結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)離子結(jié)點(diǎn),類似于弱聯(lián)系離子的遷移。外電場力圖使弱束縛電子的運(yùn)動(dòng)具有方向性，這就形成了極化狀態(tài)。電子松弛極化過程有能量的損耗，因而是不可逆的。共一百七十八頁48電子松弛極化與電子彈性位移極化不同：由于電子是處于(chy)弱束縛狀態(tài),所以極化作用明顯，而且因吸收一定的能量可作短距離遷移，極化作用強(qiáng)烈得多。共一百七十八頁49 電子松弛極化與電導(dǎo)不同： 因?yàn)槿跏`電子不同于自由電子，不能遠(yuǎn)程遷移（能帶結(jié)構(gòu)(jigu)不同）。只有當(dāng)弱束縛電子獲得更高的能量時(shí)，躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子，才形成電導(dǎo)。所以電子松弛極化的介質(zhì)往往具有電子電導(dǎo)的特性。一般以 TiO2

20、為基的電子材料很容易出現(xiàn)弱束縛電子，所以容易形成電子松弛極化。共一百七十八頁50 電子松弛極化建立的時(shí)間為10-2 10-9s當(dāng)電場頻率高于109Hz，電子松弛極化就不存在(cnzi)了，所以具有電子松弛極化的材料，其介電常數(shù) 隨頻率升高而減小 (類似于離子松弛極化) 。介電常數(shù) 隨溫度變化也有極大值。與離子松弛極化相比，電子松弛極化可能出現(xiàn)更高的介電系數(shù)。共一百七十八頁512.1.6 轉(zhuǎn)向(zhunxing)極化 由于某些物質(zhì)的分子（極性分子），在無外電場作用時(shí)本身的正、負(fù)電荷重心不重合，即存在著分子的固有電偶極矩 0 但由于熱運(yùn)動(dòng) 分子的電偶極矩取向隨機(jī)分布，單位體積(tj)內(nèi)的總電偶極矩

21、為零。 當(dāng)外電場作用時(shí)，分子的電偶極矩部分地轉(zhuǎn)向外電場方向，作取向排列，因而單位體積內(nèi)的總電偶極矩不為零。共一百七十八頁52 根據(jù)經(jīng)典(jngdin)理論，極性分子的轉(zhuǎn)向極化率為 0 為分子的固有電偶極矩 轉(zhuǎn)向極化一般需要較長的時(shí)間 (10-2 10-10 s)。共一百七十八頁53轉(zhuǎn)向極化率比電子(dinz)極化率大得多。例如，對于一個(gè)經(jīng)典的電偶極子， 0 =1610-29 Fm2 代入上式or = 210-38 Fm2 而電子極化率為10-40 Fm2共一百七十八頁542.1.7 空間電荷極化(j hu)空間電荷極化發(fā)生在不均勻介質(zhì)中在晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)等缺陷(quxin)區(qū)，都可成

22、為電荷運(yùn)動(dòng)的障礙，在這些障礙處自由電荷積聚，形成空間電荷極化。宏觀不均勻區(qū)，如夾層、氣泡等地方，也可形成空間電荷極化。共一百七十八頁55空間電荷的積聚，可形成很高的與外電場方向相反的電場。溫度升高，離子(lz)運(yùn)動(dòng)加劇，離子(lz)擴(kuò)散容易，空間電荷減少，空間電荷極化隨溫度升高而下降?？臻g電荷極化的建立時(shí)間較長，約幾秒到數(shù)十分鐘，甚至數(shù)小時(shí)，因而空間電荷極化只對直流和低頻下介電性質(zhì)有影響。共一百七十八頁562.1.8 自發(fā)(zf)極化以上各種極化形式是介質(zhì)在外電場作用(zuyng)下引起的，沒有外電場時(shí)這些介質(zhì)的極化強(qiáng)度為零。自發(fā)極化并非由外電場引起，而是由晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的。在這類晶體(稱

23、為極性晶體)中，每個(gè)晶胞里存在固有電矩。鐵電體具有自發(fā)極化現(xiàn)象。共一百七十八頁57各種極化(j hu)形式的比較極化形式具有此種極化的電介質(zhì)極化建立的時(shí)間發(fā)生極化的頻率范圍與溫度的關(guān)系能量消耗電子位移極化一切電介質(zhì)10-110-16s直流光頻無關(guān)無離子位移極化離子結(jié)構(gòu)介質(zhì)10-12 10-13s直流紅外溫度升高，極化增強(qiáng)很微弱離子松弛極化離子結(jié)構(gòu)的玻璃，結(jié)構(gòu)不緊密的晶體及陶瓷10-2 10-5s直流超高頻隨溫度變化有極大值有電子松弛極化鈦質(zhì)瓷，以高價(jià)金屬氧化物為基的陶瓷10-2 10-9s直流超高頻隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機(jī)材料10-2 10-10 s直流超高頻隨溫度變化有極大值有空間電

24、荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的陶瓷秒，分直流高頻隨溫度升高而減弱有自發(fā)極化溫度低于居里點(diǎn)的鐵電材料直流超高頻隨溫度變化有顯著極大值很大共一百七十八頁58各種極化形式的頻率(pnl)范圍及其對的貢獻(xiàn)共一百七十八頁592.1.9 介電常數(shù)的溫度(wnd)系數(shù) 根據(jù)介電常數(shù)與溫度的關(guān)系(gun x)，電子陶瓷可分為兩大類：(1)介電常數(shù)與溫度非線性關(guān)系(如鐵電陶瓷，松弛極化明顯的材料)。(2)介電常數(shù)與溫度成線性關(guān)系，可用介電常數(shù)的溫度系數(shù)來描述。共一百七十八頁60 介電常數(shù)的溫度系數(shù)是指介電常數(shù)隨溫度的相對變化率，即 實(shí)際(shj)工作中采用實(shí)驗(yàn)方法求 式中T0為原始溫度，一般為室溫； T為改變后的溫度； 0

25、、T 分別為介質(zhì)在 T0 和 T 時(shí)的介電常數(shù)。共一百七十八頁61 不同的材料由于極化(j hu)形式不同，介電常數(shù)的溫度系數(shù)也不同，可為正，也可為負(fù)。 只有電子極化的電介質(zhì)，溫度升高，介質(zhì)密度略有降低，極化強(qiáng)度也略有降低，所以介電常數(shù)的溫度系數(shù)為負(fù)。 以離子極化為主的材料隨溫度升高，其離子極化率增加，并且溫度對極化強(qiáng)度增加的影響超過了密度降低對極化強(qiáng)度的影響，因而這類材料介電常數(shù)的溫度系數(shù)為正。共一百七十八頁62 前面分析(fnx)過，以松弛極化為主的材料，其 和 T 的關(guān)系中可能出現(xiàn)極大值，所以 TK可為正，也可為負(fù)。 但是大多數(shù)此類材料，在廣闊的范圍內(nèi) TK 為正。共一百七十八頁632.

26、2 介質(zhì)(jizh)損耗4.2.1 介質(zhì)損耗的表示方法(fngf) 1 、介質(zhì)損耗的形式 電介質(zhì)在電場作用下所損耗的能量與通過其內(nèi)部的電流有關(guān)。電流包括三部分 (1)由樣品的幾何電容的充電所產(chǎn)生的電流稱為電容電流，不損耗能量。共一百七十八頁64 (2)由介質(zhì)電導(dǎo)(漏導(dǎo)) 所產(chǎn)生的電流（即傳導(dǎo)電流），引起的損耗稱為(chn wi)電導(dǎo)損耗。 (3)由各種介質(zhì)極化的建立所產(chǎn)生的電流 ，引起的損耗稱為極化損耗。共一百七十八頁65 極化(j hu)損耗主要與極化(j hu)的弛豫(松弛)過程有關(guān)。 電介質(zhì)在恒定電場作用下，從建立極化到其穩(wěn)定狀態(tài)需要經(jīng)過一定的時(shí)間。 共一百七十八頁66 (1)建立電子位

27、移極化和離子位移極化到達(dá)其穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間約為 10-16 s 10-12s 。 這在無線電頻率(51012 Hz以下)范圍可認(rèn)為是極短的，所以(suy)這類極化又稱為無慣性極化或瞬時(shí)位移極化?；旧喜划a(chǎn)生能量損耗。共一百七十八頁67 (2)電子和離子的松弛極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化和空間電荷極化，在電場作用下要經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間(10-10 s以上)才能達(dá)到穩(wěn)定，所以這類極化又稱為有慣性(gunxng)極化或弛豫極化。 這種極化損耗能量。共一百七十八頁68 考慮一個(gè)真空中理想的平行平板式電容器 C0 =0 S/d ， 把交變電壓 UU0 e i t 加在這個(gè)電容器上，則通過電容器的電流(dinli) 該

28、電流與外電壓相差90o的相位，是一種非損耗性的電流。 2、 復(fù)（數(shù)）介電常數(shù)(ji din chn sh)的引入共一百七十八頁69 當(dāng)兩極間充以非極性的完全絕緣的材料時(shí), C =rC0 把交變電壓 UU0 e i t 加在這個(gè)電容器上，則通過電容器的電流(dinli)變?yōu)?電流比I0大 ，但與外 電壓仍相差90o相位。共一百七十八頁70 如果填充材料是弱電導(dǎo)性的或是極性的，或兼有此兩種特性，則電容器不再是理想的電容器，電流與電壓的相位差就不恰為90o 這是由于電介質(zhì)內(nèi) 電荷的運(yùn)動(dòng)而存在一個(gè) 與電壓同相位(xingwi)的很小的 電導(dǎo)分量 GU，正是該電導(dǎo)分量 GU 產(chǎn)生損耗 共一百七十八頁71

29、 若是自由電荷運(yùn)動(dòng)，則電導(dǎo)G與外電壓頻率無關(guān)。 若是異號的束縛電荷(如振動(dòng)(zhndng)偶極子)運(yùn)動(dòng)，則電導(dǎo)G是外電壓頻率的函數(shù)。共一百七十八頁72 對于自由電荷和束縛電荷兩 種情況,合成電流 I = (iC+G)U G為電導(dǎo)，由 則G =S/d 又因 C = S/d 代入上式得電流密度 j = (iC+G)U/S = (i S/d + S/d )U/S = (i /d + /d )U = (i+ )U /d = (i+ )E位移電流密度(md)（無損耗）傳導(dǎo)電流密度（有損耗）共一百七十八頁73 j = (i+ )E 根據(jù) j =* E 可定義復(fù)介電導(dǎo)率* *= i+ 根據(jù) j = i* E

30、 也可定義復(fù)介電常數(shù)*= （i+） /(i)= =- i/損耗(snho)角的定義式為(復(fù)介電常數(shù)*的 虛部/實(shí)部)共一百七十八頁*= （i+） /(i)= =- i/ 損耗項(xiàng) （虛部）可理解為：與電壓同相位的電導(dǎo)(din do)分量引起的，它與自由電荷電導(dǎo)(din do)和松弛極化有關(guān)，且是頻率 的函數(shù)。74共一百七十八頁75 *= i+ *= * /(i)=- i/ 以上(yshng)只是引入 只要電導(dǎo)(損耗)不完全由自由電荷產(chǎn)生，一部分由束縛電荷產(chǎn)生，那么電導(dǎo)率就是一個(gè)依賴于頻率的復(fù)量 所以*的實(shí)部不是精確等于，虛部也不是精確等于 / 共一百七十八頁76 復(fù)介電常數(shù)最普遍(pbin)的表

31、示式為共一百七十八頁773、 介質(zhì)弛豫和德拜方程(fngchng) 介質(zhì)在交變電場中通常發(fā)生弛豫現(xiàn)象。 在一介質(zhì)樣品上突然加上一階躍電場E，所產(chǎn)生的極化過程不是瞬時(shí)的，如圖，P0代表瞬時(shí)建立的極化（位移極化），P1代表松弛(sn ch)極化，P1 (t)逐漸達(dá)到一穩(wěn)定值。P1 (t)的滯后通常是由松弛極化、偶極子極化和空間電荷極化所致。 在外電場施加或移去后,系統(tǒng)逐漸達(dá)到平衡的過程叫介質(zhì)馳豫。 共一百七十八頁78極化包括(boku)兩項(xiàng)， P（t）= P0+P1(t) 當(dāng)時(shí)間足夠長時(shí)， P1(t) P1 而總極化， P(t) P設(shè) P0 =0E ， P1 = 1E (0， 1 可認(rèn)為是絕對極化

32、系數(shù))根據(jù)弛豫過程的特征方程可以寫出為弛豫時(shí)間常數(shù)共一百七十八頁79解得 ( 考慮(kol)到 P1（0 ）= 0 ，P1 = 1E )所以共一百七十八頁80共一百七十八頁81共一百七十八頁82 以上五個(gè)等式聯(lián)立求解，得到四個(gè)德拜方程(復(fù)介電常數(shù)與頻率(pnl)和馳豫時(shí)間的關(guān)系)：共一百七十八頁83 如圖畫(thu)出了r,和r, ,及的關(guān)系曲線，橫坐標(biāo)為,當(dāng) =1時(shí)，r, ,最大,因而 tg 最大。共一百七十八頁84 r,從 （0）降到 （0）+ （） /2再降到 （） r, ,從 0 升到（0）（）/2然后(rnhu)降到 0共一百七十八頁85、介質(zhì)(jizh)損耗的表示法 在直流電壓(d

33、iny)下介質(zhì)損耗功率( G為介質(zhì)的電導(dǎo)1/R ) PW=IU=(GU)U=GU2 單位體積的介質(zhì)損耗 稱為介質(zhì)損耗率 因 所以共一百七十八頁86 可見，在一定直流電場下，介質(zhì)(jizh)損耗率取決于材料的電導(dǎo)率。共一百七十八頁87 在交變電場作用下，介質(zhì)損耗與自由電荷的電導(dǎo)(din do)和松弛極化都有關(guān)系。所以電導(dǎo)(din do)率不僅決定于自由電荷的電導(dǎo)(din do)，還決定于束縛電荷，而且與頻率有關(guān)。由 可得交流電壓下介質(zhì)的等效電導(dǎo)率 設(shè)僅與松弛極化損耗有關(guān)共一百七十八頁88 將德拜方程(fngchng) 代入上式共一百七十八頁89 在高頻(o pn)區(qū)， 1, 在低頻區(qū)， 1， 與

34、2成正比。共一百七十八頁902.2.2 介電損耗與頻率、溫度的關(guān)系(gun x) （計(jì)及漏導(dǎo)損耗） 1、 頻率的影響（1）當(dāng)外加電場頻率很低 即0時(shí)，介質(zhì)的各種極化都能跟上外加電場的變化，此時(shí)不存在極化損耗，介電常數(shù)達(dá)最大值。 介電損耗主要(zhyo)由漏導(dǎo)引起， PW與頻率無關(guān)。 共一百七十八頁91 tg= / 表示在靜電場中， tg 是沒有物理意義的。tg 只是介質(zhì)(jizh)在頻率不等于零的交變電場中的物理參數(shù)。但隨升高, tg減小。共一百七十八頁92 （2）當(dāng)外加電場頻率逐漸升高時(shí) 松弛極化在某一頻率開始跟不上外電場的變化，松弛極化對介電常數(shù)(ji din chn sh)的貢獻(xiàn)逐漸減小

35、，因而，r 隨 升高而減小。 在該頻率范圍內(nèi)1 ,由德拜方程知tg隨 升高而增大。 P也增大(因?yàn)樵诘皖l區(qū)， 1 ， 由德拜方程知tg隨升高而減小 。P 變化較小共一百七十八頁94 由圖看出,在 m時(shí), tg達(dá)到(d do)最大值，可由德拜方程tg對求導(dǎo)得到m共一百七十八頁95共一百七十八頁96共一百七十八頁97共一百七十八頁98 tg具有極大值主要是由松弛(sn ch)極化引起的。 在交變電場作用下，介質(zhì)損耗與自由電荷的電導(dǎo)和松弛極化都有關(guān)系 如果介質(zhì)電導(dǎo)顯著變大（不能忽略），則tg在m處變的平坦； 如果電導(dǎo)更大時(shí)，tg無極大值，表現(xiàn)為電導(dǎo)損耗特征： tg與成反比，如圖.共一百七十八頁992

36、、溫度(wnd)的影響 當(dāng)溫度很低時(shí)，松弛(sn ch)時(shí)間較長，所以r較小， tg也較??； 由于1，由德拜方程 、 可得 共一百七十八頁100 在溫度較低范圍內(nèi)，隨溫度升高，減小，因而(yn r)r上升， tg上升，所以上升。共一百七十八頁101 隨著(su zhe)溫度的升高，變小，由于1，由德拜方程 在此溫度范圍內(nèi)，隨溫度上升減小， tg減小 所以也隨溫度上升而減小。 如圖.，在某一溫度m，和tg有極大值共一百七十八頁102 當(dāng)溫度繼續(xù)(jx)升高到很大值時(shí)，離子熱運(yùn)動(dòng)能量很大，其轉(zhuǎn)向極化受到熱運(yùn)動(dòng)的阻礙， 因而r降低。 同時(shí)，由于高溫下電導(dǎo)損耗急劇上升，造成tg急劇增大。所以也隨溫度上

37、升而增大。共一百七十八頁103 比較不同頻率下的tg與溫度的關(guān)系， 增加時(shí)， m應(yīng)減小，T m增加(因高溫(gown)時(shí)松弛時(shí)間減小)。即高頻下T m點(diǎn)向高溫方向移動(dòng)。共一百七十八頁104 由以上分析 可知，如果介質(zhì)的貫穿電導(dǎo)很小，則松弛極化(j hu)介質(zhì)損耗的特征是： tg與頻率、 tg與溫度的關(guān)系曲線中出現(xiàn)極大值。共一百七十八頁1052.3 介電強(qiáng)度 當(dāng)電場強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，介質(zhì)(jizh)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，叫介質(zhì)的擊穿。 相應(yīng)的臨界電場強(qiáng)度稱為介電強(qiáng)度，或稱為擊穿電場強(qiáng)度。 一般情況下，對于凝聚態(tài)絕緣體，介質(zhì)的擊穿電場107108V/m數(shù)量級。 擊穿類型可分為兩種：熱擊穿、電

38、擊穿(含局部放電擊穿)共一百七十八頁106 處于電場中的介質(zhì)，由于其中的介質(zhì)損耗而受熱。 當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)，可能從散熱與發(fā)熱(f r)的熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入不平衡狀態(tài)。 若發(fā)出的熱量比散去的熱量多，介質(zhì)溫度將愈來愈高，直至出現(xiàn)永久性損壞，這就是熱擊穿。一、熱擊穿共一百七十八頁107二、電擊穿(j chun)本征電擊穿(j chun)“雪崩”電擊穿共一百七十八頁108 在強(qiáng)電場下，固體導(dǎo)帶中可能因冷發(fā)射（電子吸收其它能量）或熱發(fā)射（電子吸收熱能）存在一些電子。 這些電子一方面在外電場作用下被加速獲得動(dòng)能；另一方面與晶格振動(dòng)相互作用，把電場能量傳遞給晶格。 當(dāng)這兩個(gè)過程在一定的溫度和場強(qiáng)下平衡時(shí)，固體

39、介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)(導(dǎo)帶的電子數(shù)一定)； 當(dāng)電子從電場中得到的能量大于傳遞給晶格振動(dòng)的能量時(shí)，電子的動(dòng)能就越來越大。 當(dāng)電子能量大到一定數(shù)值時(shí)，電子與晶格振動(dòng)的相互作用導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子，使自由電子數(shù)迅速增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定階段(jidun)，電擊穿發(fā)生。共一百七十八頁109本征電擊穿理論 本征電擊穿與介質(zhì)中的自由電子有關(guān)，室溫(sh wn)下即可發(fā)生，發(fā)生的時(shí)間很短(10-8s-10-7s)。 介質(zhì)中自由電子的來源有兩個(gè)： (1)雜質(zhì)或缺陷能級 (2)價(jià)帶 共一百七十八頁110 設(shè) A 表示單位時(shí)間電子從電場獲得的能量， B 表示電子與晶格波相互作用時(shí)單位時(shí)間能量的損失， 當(dāng)獲得的能量與損失的

40、能量平衡時(shí)， A= B， 當(dāng)電場強(qiáng)度增加到使平衡破壞時(shí)，碰撞電離過程便突然發(fā)生， 把這一使碰撞電離發(fā)生的起始場強(qiáng)定義為介質(zhì)的電擊穿場強(qiáng)的理論，稱為本征電擊穿理論。 根據(jù)本征電擊穿模型(mxng)： 擊穿強(qiáng)度與樣品的形狀無關(guān)，特別是擊穿強(qiáng)度與樣品的厚度無關(guān)。共一百七十八頁111“雪崩”電擊穿理論 以碰撞電離后自由電子數(shù)倍增（導(dǎo)帶電子數(shù)1、2、4、8、16、）到一定數(shù)值(足以破壞介質(zhì)絕緣狀態(tài))作為電擊穿判據(jù)。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：由陰極發(fā)出的初始電子，在其向陽極運(yùn)動(dòng)(yndng)的過程中,在 1 厘米長度內(nèi)的電離次數(shù)達(dá)到40次，介質(zhì)便被擊穿，稱之為“四十代理論”。 由“四十代理論”可知，當(dāng)介質(zhì)很薄時(shí)，碰撞電

41、離不足以發(fā)展到四十代，電子“崩”已進(jìn)入陽極復(fù)合，此時(shí)介質(zhì)不能被擊穿，即這時(shí)的介質(zhì)擊穿場強(qiáng)將要提高。 定性解釋了薄層介質(zhì)具有較高擊穿場強(qiáng)的原因。 隧道電擊穿也是一種“雪崩”電擊穿共一百七十八頁112本征電擊穿與“雪崩(xubng)”電擊穿的區(qū)別 本征電擊穿理論(lln)中增加導(dǎo)電電子是繼穩(wěn)態(tài)破壞后突然發(fā)生的； 而“雪崩”電擊穿是在高場強(qiáng)時(shí)，導(dǎo)電電子倍增逐漸達(dá)到臨界值，最終介質(zhì)晶格被破壞。共一百七十八頁113 2.4 鐵電材料電介質(zhì)晶體可分為以下四類： 介質(zhì)晶體包括所有32種晶類的晶體，其介電性質(zhì)一般需用二階張量來描述。 壓電晶體存在于20種沒有對稱中心的晶類中，其壓電性質(zhì)需用三階張量來描述。 熱

42、釋電晶體存在于10種極性晶體中，其熱釋電性質(zhì)需用一階張量（矢量）來描述。 鐵電晶體熱釋電晶體中自發(fā)極化可隨外電場反向的晶體。上述(shngsh)四類晶體之間的關(guān)系如圖10.3.1所示 共一百七十八頁114 有些晶體在某一溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)(zf)電極化(不需要外電場)的性質(zhì)，而且自發(fā)電極化的方向能因外電場的作用而重新取向。 這種性質(zhì)和鐵磁體具有自發(fā)磁化的性質(zhì)相似，叫鐵電性，具有鐵電性的晶體叫鐵電材料(鐵電體)。共一百七十八頁115 鐵電材料是指在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化且極化強(qiáng)度可以因外電場而反向的晶體。 鐵電晶體內(nèi)自發(fā)極化一致的區(qū)域稱為(chn wi)電疇。 與鐵磁體一樣，鐵電體也具有電滯

43、回線。 也可以說：凡具有電疇和電滯回線的介電材料就稱為鐵電材料。 其實(shí)鐵電材料并不含鐵。 共一百七十八頁116 磷酸二氫鉀（KDP）、鈦酸鋇（BaTiO3）等都是鐵電體。目前已經(jīng)知道的鐵電體已有成百上千種，一般的鐵電體都具有熱電性和壓電性。 鐵電體的相對介電系數(shù)r并非常數(shù)，而是隨著(su zhe)所加外電場場強(qiáng)的變化而變化的，其最大值可達(dá)104以上。利用鐵電體作為介質(zhì)可制成容量大、體積小的電容器。共一百七十八頁117一、鐵電材料(cilio)的特性 1、鐵電體有許多(xdu)電疇，不同的電疇之間電偶極矩取向不一致，當(dāng)無外電場時(shí)，各電疇取向彼此無規(guī)則排列，所以凈極化強(qiáng)度為零。 而當(dāng)施加外電場時(shí)，

44、與電場方向一致的電疇長大，而其它電疇變小，因此極化強(qiáng)度隨外電場強(qiáng)度增加而增加。共一百七十八頁118 極化強(qiáng)度 P 隨外電場強(qiáng)度 E 變化形成電滯回線如圖2.2所示，P 和 E 不是呈線性關(guān)系，當(dāng)外電場從零開始增加時(shí)，極化強(qiáng)度 P沿OA增加，直到整個(gè)晶體變成單疇（B點(diǎn)）極化強(qiáng)度達(dá)到飽和。 E繼續(xù)增加時(shí)，P線性緩慢增加（BC段），外推線性部分(b fen)BC交P軸于PS，PS稱為飽和極化強(qiáng)度，PSBC相當(dāng)于P與E呈線性關(guān)系時(shí)的 P-E 曲線。共一百七十八頁119 當(dāng) E下降時(shí)，P 沿CBD曲線下降，到 E=0 時(shí)，仍保留有相當(dāng)大的極化強(qiáng)度 Pr，Pr稱為剩余極化強(qiáng)度； 當(dāng) P=0時(shí)，E= Ec，

45、Ec稱為矯頑電場強(qiáng)度，它表示將一單疇鐵電晶體變成宏觀極化為零的多疇晶體所需的外加電場強(qiáng)度； 反向電場繼續(xù)增大(zn d)，極化反向到達(dá)D達(dá)到飽和。電場在大于正、負(fù)飽和值之間循環(huán)一周過程中，P與 E沿封閉曲線CBPrEcDHC變化，這一曲線稱為電滯回線，它是鐵電體的標(biāo)志。鐵電介質(zhì)的損耗與電滯回線的面積成正比。 共一百七十八頁120 鐵電體的電極化強(qiáng)度 P 并不與所加外電場的場強(qiáng) E 成正比。當(dāng) E 從零開始增大時(shí)，P 初始增長較快，以后(yhu)就慢下來，并逐漸停止增大而達(dá)到飽和。此后，當(dāng) E 減小時(shí)，P 的變化并不沿著原曲線返回，當(dāng) E = 0 時(shí)，P也回不到零，而是保持在Pr（稱為剩余極化強(qiáng)

46、度）。鐵電體的這種性質(zhì)稱為電滯。如圖8所示因此，經(jīng)過極化的鐵電體可以處在極化強(qiáng)度為Pr的穩(wěn)定態(tài)上。 共一百七十八頁121 如果再對鐵電體加上 與 Pr 反向的電場，就 能將其反轉(zhuǎn)到極化強(qiáng) 度為 -Pr的另一穩(wěn)定(wndng)態(tài) 利用鐵電體的這種極 化雙穩(wěn)態(tài)，可以制成 二進(jìn)制的信息存儲(chǔ) 器件。 共一百七十八頁1222、居里溫度 Tc是鐵電相與(xingy)順電相的轉(zhuǎn)變溫度 凡鐵電體都存在一特定溫度，只有低于此溫度才具有鐵電性，這個(gè)溫度稱為居里溫度Tc (居里點(diǎn))。 由于在居里點(diǎn)附近鐵電材料的電阻率會(huì)隨溫度發(fā)生靈敏的變化(binhu)，故可利用來制成鐵電熱敏電阻器。 共一百七十八頁123 鐵電材料

47、的極化(j hu)狀態(tài)與溫度有關(guān)： T Tc 鐵電體處于順電相，是極化無序狀態(tài) 共一百七十八頁124 當(dāng)溫度高于居里溫度 Tc時(shí)，鐵電體的自發(fā)極化(j hu)消失(Ps=0)，成為順電相。 當(dāng)晶體從順電相向鐵電相過渡時(shí)，總伴隨著晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，即發(fā)生相變。 相變時(shí)晶體的許多物理特性皆成反常變化，自發(fā)極化強(qiáng)度 Ps可由零突然（一級相變）或連續(xù)地（二級相變）增大，電容率達(dá)到最大值。 共一百七十八頁125 如果晶體具有兩個(gè)或兩個(gè)以上自發(fā)極化(j hu)相（鐵電相），則在轉(zhuǎn)變點(diǎn)可由一個(gè)自發(fā)極化相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)自發(fā)極化相，介電性能也發(fā)生顯著變化 。 不同的極化相， P 或 r 不同 P=0 (r-1)E=

48、0eE共一百七十八頁126 例如鈦酸鋇是典型的鈣鈦礦型鐵電體。它有三個(gè)相變點(diǎn)，溫度高于居里溫度 Tc=120時(shí)為順電相，屬于等軸晶系； 而在120以下存在三個(gè)鐵電相。其中 0和 -80都是鐵電-鐵電相轉(zhuǎn)變(zhunbin)溫度，鐵電相分別屬于四方系、正交晶系和三方晶系。共一百七十八頁127 圖9-4為 BaTiO3單晶（單疇）的電容率與溫度的關(guān)系曲線，圖中a軸c軸分別沿外電場方向?？梢钥闯觯F電體在 Tc附近電容率很大。另外當(dāng) TTc 時(shí)，電容率隨溫度變化遵守居里-外斯定律 式中 特征溫度，一般低于居里點(diǎn)C居里常數(shù)代表(dibio)電子極化對電容率的貢獻(xiàn)。在Tc附近時(shí)，可略。 共一百七十八頁1

49、28共一百七十八頁129共一百七十八頁130 BaTiO3相對介電常數(shù)與溫度的關(guān)系共一百七十八頁131舉例(j l)：鈦酸鋇鐵電體 BaTiO3相對介電常數(shù)與溫度的關(guān)系立方(lfng)晶四方晶斜方晶菱方晶T120：順電相T120：鐵電相存在自發(fā)極化共一百七十八頁132共一百七十八頁133 二、鐵電材料的應(yīng)用 鐵電材料的電容率很高，單成分 BaTiO3 電容率高達(dá)1700以上。但電容率的溫度系數(shù)隨溫度呈非線性變化。 若摻入鈣鈦礦型結(jié)構(gòu) Sr鍶, Sn錫, Zr鎬的化合物，可使居里溫度由120 移至常溫，電容率提高到接近20000，電容率的溫度系數(shù)也隨之增加； 在 BaTiO3 中摻入少量SrTi

50、O3, WO3及 MnCO3，電容率可達(dá)20000以上；目前，通過對 BaTiO3 的改性，已制備出電容率在30000以上的鐵電陶瓷。 這些高電容率陶瓷的缺點(diǎn)是電容率隨溫度變化大，通過摻入Bi2(SnO3)3 ， NiSnO3和 LiSbO6 ，其溫度變化率可減到 10%以內(nèi)(y ni)。這種高電容率，低溫度變化率的陶瓷電容器已大量用于電視機(jī)，收錄機(jī)和錄像機(jī)等電子產(chǎn)品中。 共一百七十八頁134 鐵電體還有奇特的光學(xué)性質(zhì)(xngzh)，將它同偏振光技術(shù)結(jié)合起來可做成電光開關(guān)和電光調(diào)制器。 鐵電體在強(qiáng)光作用下能產(chǎn)生非線性效應(yīng)，故常作為激光技術(shù)中的倍頻或混頻器件，或用做光參量放大器元件。 利用鐵電體

51、的折射系數(shù)在強(qiáng)光下的變化（稱為折變效應(yīng)），還可以將許多全息照片存儲(chǔ)在一塊鐵電晶體中。共一百七十八頁135 三、反鐵電材料及其應(yīng)用 反鐵電材料的晶體結(jié)構(gòu)類似于鐵電體，與鐵電體相比(xin b)共同點(diǎn)為：高電容率，電容率與溫度呈非線性關(guān)系。 不同點(diǎn)為：反鐵電體電疇內(nèi)相鄰離子沿反平行方向自發(fā)極化，因而每個(gè)電疇內(nèi)存在兩個(gè)方向相反，大小相等的自發(fā)極化強(qiáng)度，即每個(gè)電疇總的自發(fā)極化強(qiáng)度為零。當(dāng)外電場降為零時(shí)，反鐵電體沒有剩余極化。反鐵電材料具有雙電滯回線。 共一百七十八頁136 當(dāng)外加電場作用于反鐵電體時(shí)，P與 E呈線性關(guān)系(gun x)（類似于線性介質(zhì)）。但當(dāng)超過 Ec時(shí)，P和 E呈非線性關(guān)系至飽和（此時(shí)

52、反鐵電體相變?yōu)殍F電體, Ec為相變場強(qiáng)），E下降時(shí) P也降低形成類似于鐵電體的電滯回線。當(dāng) E降至 Ec時(shí)，鐵電體又相變?yōu)榉磋F電體。施加反向電場時(shí)，在第3象限出現(xiàn)一個(gè)對稱的電滯回線，形成雙電滯回線。共一百七十八頁137 PbZrO3是一種常用的反鐵電體，相變場強(qiáng) Ec 很高，且只有當(dāng)溫度達(dá)到居里溫度 Tc 附近(fjn)時(shí)才能激發(fā)出雙電滯回線。 Pb0.94La0.04(Zr0.42Ti0.18Sn0.4)O3 和Pb0.98Nb0.02(Zr0.6Sn0.4)0.95Ti0.050.98O3在室溫下就能激發(fā)出雙電滯回線，且相變場強(qiáng) Ec 也較低。 共一百七十八頁138 應(yīng)用： 反鐵電材料具有

53、儲(chǔ)存電能密度高，釋放儲(chǔ)能(ch nn)充分的優(yōu)點(diǎn)，可制作儲(chǔ)能電容器； 反鐵電材料發(fā)生反鐵電 鐵電相變時(shí)，伴隨有很大的應(yīng)變（0.10.5），比壓電效應(yīng)大一個(gè)數(shù)量級，可實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，可以用來制作機(jī)電換能器；還可以用來制作電壓調(diào)節(jié)器和介質(zhì)天線。 共一百七十八頁1392.5 熱釋電材料(cilio) 1、 熱釋電效應(yīng)有些晶體物質(zhì)會(huì)由于溫度的變化引起電極化強(qiáng)度的變化，因而在某些相對應(yīng)的表面上也會(huì)產(chǎn)生異號電荷。這種現(xiàn)象(xinxing)稱為熱電效應(yīng)，也稱為熱釋電效應(yīng)。 具有熱釋電效應(yīng)的電介質(zhì)則稱為熱電體或者稱為熱釋電體。 例如電氣石(一種硅酸鹽礦物)，在不受外電場作用的情況下，其體內(nèi)的電極化

54、強(qiáng)度矢量 并不為零（具有自發(fā)極化），換句話說，電氣石存在宏觀的永久電矩。因此，在這種物質(zhì)的表面上分布著極化電荷。 共一百七十八頁140 但通常在正極化電荷的表面總吸附有等量的雜散負(fù)電荷（來自電導(dǎo)和空間離子），在負(fù)極化電荷的表面總吸附有等量的雜散正電荷。從而將極化電荷掩蔽起來，不能顯露出極化電荷的電場。 然而實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這些物質(zhì)的極化強(qiáng)度 P 的大小明顯地依賴于溫度(wnd)。 一旦溫度變化就會(huì)引起 極化強(qiáng)度 P 值的變化。 與此同時(shí)， 原來起掩蔽作用的雜散 電荷一時(shí)卻不易改變， 而變化了的極化電荷不 再能被它們完全抵消， 這時(shí)物質(zhì)表面就呈現(xiàn)帶 電狀態(tài)（如圖1所示） 共一百七十八頁141人們在研究

55、中發(fā)現(xiàn)，一些點(diǎn)陣對稱性差的晶體(jngt)或經(jīng)過極化處理過的多晶陶瓷，以及經(jīng)過駐極處理的高分子聚合物都能成為熱電體。目前，最常使用的熱電體有TGS（硫酸三甘肽）、SBN（鈮酸鍶鋇）、LiTaO3（鉭酸鋰）、鈦酸鉛陶瓷和PVF2（聚偏二氟乙烯）等。共一百七十八頁142 晶體因溫度變化（T）而導(dǎo)致自發(fā)極化強(qiáng)度的變化(Ps)，并在晶體的一定方向上引起表面電荷改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。 Ps=T式中 為熱釋電系數(shù)。 可見，晶體具有熱釋電效應(yīng)的條件是： （1）晶體具有自發(fā)極化，即晶體結(jié)構(gòu)的某些方向的正、負(fù)電荷重心不重合, 存在固有電矩(10種極性晶體)； （2）有溫度變化。 熱釋電效應(yīng)是反映材料在溫度變

56、化狀態(tài)下的性能(xngnng)。壓電晶體不一定具有熱釋電效應(yīng)，而熱釋電晶體則一定存在壓電效應(yīng)。 共一百七十八頁143 熱釋電晶體可分為兩類：一類是具有自發(fā)極化(j hu)，但自發(fā)極化(j hu)不能為外電場所轉(zhuǎn)向的晶體； 另一類是具有可為外電場轉(zhuǎn)向的自發(fā)極化的晶體，即鐵電體。由于鐵電體在經(jīng)過外電場處理后，具有宏觀剩余極化，且其剩余極化隨溫度而變化，所以呈現(xiàn)熱釋電效應(yīng)。 共一百七十八頁144 熱釋電材料的自發(fā)極化強(qiáng)度(qingd) Ps與溫度 T 的關(guān)系如圖。 由于在居里點(diǎn) Tc 附近自發(fā)極化強(qiáng)度急劇下降，所以熱釋電系數(shù)大，熱釋電效應(yīng)明顯。Ps=T 共一百七十八頁145 2、 熱釋電材料的應(yīng)用

57、在32種晶體結(jié)構(gòu)中，10種具有(jyu)極化軸的晶型具有熱釋電效應(yīng)。熱釋電材料分以下兩類： 熱釋電單晶： 如LiNbO3 , LiTaO3 , (Ba,Sr)Nb2O3 , TGS（硫酸三甘肽）等 多晶熱釋電陶瓷： BaTiO3 , PbTiO3 , Pb(Zr,Ti)O3 , PbScTaO3(即PST) 等 共一百七十八頁146所有物體不論其溫度如何，都在向外發(fā)射電磁波，而且隨著物體溫度的不同，所發(fā)射電磁波的能量或強(qiáng)度按波長的分布也不同，通常這種輻射稱為熱輻射。例如處在300K溫度下物體發(fā)射的熱輻射以波長為10m的最強(qiáng)。正常體溫(twn)下人體發(fā)射的最強(qiáng)電磁波約為9m，這些電磁波皆處于紅外

58、波段。利用熱電體接受來自目標(biāo)物體的熱輻射來探測目標(biāo)物的距離、形狀和結(jié)構(gòu)的器件稱為熱電探測器。這種探測器的突出優(yōu)點(diǎn)是具有夜視性能。共一百七十八頁147圖2就是一個(gè)簡單的熱電探測器示意圖。在片狀的熱電材料（稱為敏感元）的兩個(gè)表面上鍍制前后兩金屬電極，前電極為金屬半透膜，可讓熱輻射透入熱電體內(nèi)。當(dāng)被檢測目標(biāo)所發(fā)射的熱輻射被熱電體吸收引起溫度變化時(shí)，其前后電極上的極化電荷與屏蔽的雜散電荷失去了平衡(pnghng)，從而在兩電極間形成一定的電勢差，利用該電勢差在電路中產(chǎn)生電信號并送入前置放大器放大，再檢測，就成為一種簡單的單元檢測器。 共一百七十八頁148 實(shí)際(shj)應(yīng)用中常常將許多單元檢測器排成一

59、維陣列（線陣列）或二維陣列（鑲嵌面）。 這些陣列可在一片熱電體上直接加工而成，其每個(gè)單元面積僅為10m2100m2,每個(gè)陣列可包含約101000個(gè)單元）。利用這種陣列式熱電探測器，可以拍攝目標(biāo)物的二維熱像。共一百七十八頁149 圖3表示了利用線陣列探測器攝取一運(yùn)動(dòng)物體（汽車）熱像的過程。其具體過程是將探測器的線陣列方向垂直于目標(biāo)物的運(yùn)動(dòng)方向，通過紅外光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)物某一豎直線上各點(diǎn)發(fā)射的熱輻射聚焦到線陣列熱電體的各個(gè)敏感元上 ， 隨著目標(biāo)物 的運(yùn)動(dòng)就能接受到 整個(gè)目標(biāo)物的二維 圖象。 這種線陣列探 測器也可以(ky)安裝在 運(yùn)動(dòng)的載體上以攝 取靜止目標(biāo)的圖象， 如裝置在飛機(jī)或衛(wèi) 星上用來拍攝地

60、面 的固定目標(biāo)。 共一百七十八頁150利用熱電敏感元的二維陣列可以進(jìn)一步做成熱電攝像管。如圖4。 被攝景物的熱像通過光學(xué)系統(tǒng)聚焦在二維陣列的熱電體片上，轉(zhuǎn)換(zhunhun)為相應(yīng)的電偶極矩分布，然后由攝像管后方射來的電子束進(jìn)行掃描，將二維的電偶極矩分布轉(zhuǎn)換為一系列電信號，再顯示在熒光屏上。 共一百七十八頁151紅外成像“夜視” 各種物體即使在黑暗的環(huán)境中也會(huì)隨溫度的變化(binhu)發(fā)射具有不同強(qiáng)度和波長的紅外線。 利用分立的多行多列小塊熱釋電單元作為紅外攝像機(jī)的焦平面，每一個(gè)單元可作為一個(gè)像素。當(dāng)目標(biāo)發(fā)射的紅外線成像于該焦平面時(shí)，信號被放大和處理后可在熒光屏上還原出目標(biāo)的可視圖像。共一百七