第三章 介電材料

電介質(zhì)功能材料介電材料鐵電材料壓電材料敏感電介質(zhì)材料電功能材料電導體功能材料導電材料快離子導體電阻材料超導電體介電材料本章前幾節(jié)中討論的電現(xiàn)象都是以材料中存在的電子、離子和空穴等載流子在電場作用下產(chǎn)生長程遷移而形成的。與此不同，存在另一類材料，即所謂的介電材料，它們是絕緣體，并不存在其中載流子在電場作用下的長程遷移，但仍然有電現(xiàn)象。這種電現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為材料中也存在荷電粒子，盡管這些荷電粒子被束縛在固定的位置上，但可以發(fā)生微小移動。這種微小移動起因于材料中束縛的電荷，在電場作用下，正負束縛的電荷重心不再重合，從而引起電極化，如此將電荷作用傳遞開來。

可以說，介電材料的電學性質(zhì)是通過外界作用，其中包括電場、應(yīng)力、溫度等來實現(xiàn)的，相應(yīng)形成介電晶體、壓電晶體、熱釋電晶體和鐵電晶體，并且依次后者屬于前者的大類，其共性是在外力作用下產(chǎn)生極化。這幾類材料的屬于關(guān)系如圖4.20所示。第三章介電材料（電介質(zhì)）dielectricmaterials又稱電介質(zhì)，是以電極化為特征的材料，是電的絕緣材料。分類：可分氣體、液體、固體三大類。氣體：天然電介質(zhì)：空氣非極性電介質(zhì)：N2,He,O2,H2,CH4等極性電介質(zhì)：HCl,NO液體：非極性：苯，CCl4弱極性：二甲苯，汽油，煤油，變壓器油極性：乙醇，水固體：非極性：金剛石、硫磺，聚四氟乙烯PTFE極性：晶體，聚氯乙烯用途：主要用于制造電容器主要用途介電材料具有很高的電阻系數(shù)，主要的應(yīng)用是作為電的絕緣體與電容器。絕緣體：用來隔絕電荷在電路中的傳導，如高壓輸電方面用的陶瓷礙子（bell）電容器：用來儲存從電路中接收到的電荷的電子元件。MarketimpactofFE“SmartCards”地鐵票、行李標簽、免接觸的信用卡等1極化polarization

在電場作用下，電介質(zhì)中束縛著的電荷發(fā)生位移或者極性按電場方向轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，稱為電介質(zhì)的極化。2自發(fā)極化spontaneouspolarization

在沒有外電場作用時，晶體中存在著由于電偶極子的有序排列而產(chǎn)生的極化，稱為自發(fā)極化。在垂直于極化軸的表面上，單位面積的自發(fā)極化電荷量稱為自發(fā)極化強度。單位面積的極化電荷量稱為極化強度，它是一個矢量，用P表示，其單位為C/m2。3介電常數(shù)dielectricconstant表征材料極化并儲存電荷能力的物理量稱為介電常數(shù)，用ε表示，無量綱。介電材料的特征值電極化：在電場作用下分子中正負電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生電偶極矩的現(xiàn)象1.分子極化率α在電場作用下，介電材料產(chǎn)生電偶極矩μ電場E

電介質(zhì)的極化有3種主要基本過程，即:材料中原子核外電子云畸變產(chǎn)生的電子極化；分子中正、負離子相對位移造成的離子極化;分子固有電矩在外電場作用下轉(zhuǎn)動導致的轉(zhuǎn)向極化。

1．電極化現(xiàn)象

介電材料本身不荷電荷，但將其置于電場中，在其體積內(nèi)部和表面會感應(yīng)出一定量的電荷。這種現(xiàn)象稱作電極化現(xiàn)象。這種極化現(xiàn)象可以分為4類，如圖4.21所示。

電子極化

任何材料都是由原子和分子或離子構(gòu)成的。原子可以看作是由荷正電荷原子實和其外荷負電的電子云所構(gòu)成的。無電場時，原子時的正電重心和電子云的負電重心是重合在一起的。在電場存在時，正電重心和負電重心發(fā)生輕微錯位，形成的極化稱作電子極化。偶極子極化

由偶極分子結(jié)合成的共價化合物，偶極子在無電場時是隨機取向的，但在電場作用下，偶極子沿電場方向取向，產(chǎn)生的電極化稱作偶極極化。離子極化

離子化合物是由正負離子按照一定堆積方式形成的，正負離子之間依靠靜電引力形成離子鍵。離子晶體中，正負離子沒有平動和轉(zhuǎn)動，只有振動，粒子間距離雖有微動，但其方向和大小都是隨機的。因此，整體上正電和負電重心是重合在一起的，保持電中性。在電場作用下，正、負離子分別沿著不同電場方向取向，趨向于與外電場一致的方向，產(chǎn)生的極化稱作離子極化。2.極化強度P介電材料的極化強度是單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和極化效應(yīng)的大小通常用單位體積內(nèi)的電偶極矩或其介質(zhì)表面的極化電荷密度來衡量，稱作電極化強度P，相應(yīng)電場強度為E，那么有：P=αE4.4.1式中α定義為介電晶體的電極化率，決定于介電物質(zhì)的本質(zhì)。電極化率可以分解為電子極化率αe、離子極化率αi、偶極極化率αd，總極化率α是它們的總和：α=αe+αi+αd4.4.2

這3種極化作用并非在任何類型的介電材料中都等額地存在。在一種類型的材料中，往往只有一種或二種極化起主導地位。一般說來，電子極化存在于一切類型的固體物質(zhì)中，離子極化主要存在于離子晶體中，偶極極化主要存在于具有永久偶極的物質(zhì)中，空間極化則主要存在于那些結(jié)構(gòu)非理想的、內(nèi)部可以發(fā)生某種長程電荷遷移的介電物質(zhì)中。例如氯化鈉晶體中存在陰離子空位時，陽離子可以優(yōu)先向負極方向遷移，因此在電極-NaCl界面處建立了一個雙電層。當然，這類效應(yīng)顯著時，則形成了導體或快離子導體，而不再是介電質(zhì)了。另外，上述4種極化率的大小程度也不相同，一般大小次序為：αe<αi<αd4.4.33.靜態(tài)介電常數(shù)介電常數(shù)表征介質(zhì)在外電場作用下極化程度的物理量，介電常數(shù)代表了電介質(zhì)的極化程度，也就是對電荷的束縛能力，介電常數(shù)越大，對電荷的束縛能力越強。用ε表示，其單位是F·m-1。介電常數(shù)的大小用于衡量絕緣體儲存電能的性能.它是兩塊金屬板之間以絕緣材料為介質(zhì)時的電容量與同樣的兩塊板之間以空氣為介質(zhì)或真空時的電容量之比。靜態(tài)介電常數(shù)與極化強度P的關(guān)系為4.相對介電常數(shù)

εr

(有時用κ或K表示)其中ε是指介質(zhì)的絕對介電常數(shù),而ε0是指真空介電常數(shù)8.85×10-12

F/m5.動態(tài)介電常數(shù)實際上，介電常數(shù)并不是一個不變的數(shù)，在不同的條件下，其介電常數(shù)也不相同。在交變電場作用下，介質(zhì)的介電常數(shù)是復數(shù)，虛數(shù)部分反映了介質(zhì)的損耗）。極化強度與電場頻率的關(guān)系圖6.介電損耗在交變電場中，在每秒內(nèi)，每立方米電介質(zhì)消耗的能量稱介電損耗

7.電導率漏電電導率和位移電導率引起8.擊穿電壓電介質(zhì)承受的電壓超過一定值后，就喪失了電介質(zhì)的絕緣性，這個電壓叫做擊穿電壓高介電常數(shù)材料和低介電常數(shù)材料介電常數(shù)k比Si3N4(k>7)大的材料稱為高介電常數(shù)材料，而其k值比SiO2（k<3.9）小的材料稱為低介電常數(shù)材料。k的最小值為1(空氣中)，最大k值材料（鐵電體）為24700（頻率1kHz時）高介電常數(shù)材料DRAM(動態(tài)隨機存取存儲器)上單個電容器的面積在急劇減小，解決這一問題的辦法是使用較薄的傳統(tǒng)電介質(zhì)－SiO2和Si3N4。隨著存儲器芯片（速度）超過64M（位），這一方法不再有效，因為欲達到所需元件電容量，材料需薄至1nm以下，這樣，它們（隨著現(xiàn)代存儲器芯片工作電壓的下降）就會產(chǎn)生不能容忍的漏電流或嚴重的擊穿，按電容器方程(C=εS/4πkd)，很明顯，只剩一個參數(shù)來調(diào)整，那就是介電常數(shù)。所以開發(fā)大介電常數(shù)材料，使電容器電介質(zhì)可維持其“堅固”的厚度，又能提供有效的電荷存儲，僅管其面積和存儲電壓在繼續(xù)下降。

低介電常數(shù)材料或稱low-K材料通過降低集成電路中使用介電材料的介電常數(shù)，可以降低集成電路的漏電電流及寄生電容。傳統(tǒng)半導體使用二氧化硅作為介電材料，二氧化硅的介電常數(shù)約為4。鐵電材料發(fā)展歷史@166（5）5年前后法國LaRochelled地方人PierredelaSeignette最早試制成功羅息鹽（RS）（酒石酸甲鈉,NaKC4H4O6·4H2O）SodiumPotassiumTartrateTetrahydrate@1920年法國人Valasek發(fā)現(xiàn)羅息鹽的特異的非線性介電性能，導致了“鐵電性”概念的出現(xiàn).1920年成為鐵電物理學研究開始的象征？目前，世界上存在200多種鐵電體鐵電材料

ferro-electricmaterials1920年Valasek(France)酒石酸鉀鈉NaKC4H4O6·4H2O所謂鐵電材料，是指材料的晶體結(jié)構(gòu)在不加外電場時就具有自發(fā)極化現(xiàn)象，其自發(fā)極化的方向能夠被外加電場反轉(zhuǎn)或重新定向。鐵電材料的這種特性被稱為“鐵電現(xiàn)象”或“鐵電效應(yīng)”。其特點是不僅具有自發(fā)極化，而且在一定溫度范圍內(nèi)，自發(fā)極化偶極矩能隨外加電場的方向而改變。它的極化強度P與外施電場強度E的關(guān)系曲線如圖所示，與鐵磁材料的磁通密度與磁場強度的關(guān)系曲線（B-H曲線）極為相似。極化強度P滯后于電場強度E,稱為電滯曲線。電滯曲線是鐵電材料的特征。即當鐵電晶體二端加上電場E后，極化強度P隨E增加沿OAB曲線上升，至B點后P隨E的變化呈線性(BC線段)。E下降，P不沿原曲線下降，而是沿CBD曲線下降。當E為零時,極化強度P不等于零而為Pb,稱為剩余極化強度。只有加上反電場EH時P方等于零,EH稱為鐵電材料的矯頑電場強度。CBDFGHIC構(gòu)成整個電滯曲線。鐵電晶體是由許多小區(qū)域(電疇)所組成，每個電疇內(nèi)的極化方向一致，而相鄰電疇的極化方向則不同。在外電場作用下，極化沿電場方向的電疇擴大。在某一溫度以上，鐵電材料的自發(fā)極化即消失，此溫度稱為居里點。

典型鐵電材料有：鈦酸鋇（BaTiO3）、磷酸二氫鉀(KH2PO4)等。過去對鐵電材料的應(yīng)用主要是利用它們的壓電性、熱釋電性、電光性能以及高介電常數(shù)。近年來，由于新鐵電材料薄膜工藝的發(fā)展，鐵電材料在信息存儲、圖像顯示和全息照像中的編頁器、鐵電光閥陣列作全息照像的存儲等已開始應(yīng)用。這些材料可以是單晶、陶瓷、聚合物等。

與鐵元素沒有直接關(guān)系

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DRAM鐵電現(xiàn)象是在一種名為鈣鈦礦的材料中發(fā)現(xiàn)的，而鈣鈦礦材料的晶格點陣中的離子，是在某一方向上被分離成的正負離子，也就是在鈣鈦礦晶體內(nèi)部產(chǎn)生了一個電耦極子。當給這種晶體加上一個電壓時，這些耦極子就會