電介質(zhì)物理與材料

關(guān)于電介質(zhì)物理與材料1．基本概念1.1電介質(zhì)(dielectric)一切絕緣體統(tǒng)稱為電介質(zhì)。電介質(zhì)的基本屬性：在外電場作用下，電介質(zhì)內(nèi)部原子分子發(fā)生位移運動，稱之極化，這種極化能在電介質(zhì)內(nèi)部長期存在，相應(yīng)地，極化可以形成電場,并且這種電場反過來可以影響外電場。具有上述極化能力的物質(zhì)就是電介質(zhì)。1）靜電場中，電介質(zhì)內(nèi)部能夠存在電場；2）電介質(zhì)內(nèi)部束縛電荷這種物理現(xiàn)象和過程與金屬有明顯的區(qū)別：在靜電平衡態(tài)，金屬導(dǎo)體內(nèi)部，不存在自由電荷，其內(nèi)部電場是等于零的。或者說，金屬導(dǎo)體內(nèi)不存在束縛電荷。這一事實，已在靜電學(xué)中應(yīng)用高斯定理得到了證明。第2頁,共26頁，2024年2月25日，星期天電力線能穿過的物質(zhì)，也就是能存在較強電場，且具有明顯極化特性的材料。存在束縛電荷。需要明確的兩個概念電介質(zhì)束縛于電介質(zhì)內(nèi)的正原子實和其它負電子。束縛電荷不可以自由運動，只能做局域位移。這些特點與電介質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。（客觀存在，與是否有電磁作用無關(guān)）電介質(zhì)內(nèi)部的束縛電荷來源和特點第3頁,共26頁，2024年2月25日，星期天1.2電介質(zhì)物理研究特點電介質(zhì)物理主要研究介質(zhì)內(nèi)部束縛電荷行為特征和移動機制。1）在場（電、光、磁、應(yīng)變場）作用下，電介質(zhì)發(fā)生電極化，電介質(zhì)物理研究特點之一是：首先描述介質(zhì)極化過程和機制，其次，闡明極化規(guī)律，即電極化與電介質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。2）電介質(zhì)物理也研究絕緣材料的電導(dǎo)或漏導(dǎo)、電擊穿過程，指導(dǎo)電絕緣材料設(shè)計（強電技術(shù)）。3）金屬也具有類介電效果，但意義完全不同。金屬的類介電性來源于電子氣運動中感生出虛空穴（正電荷），引起動態(tài)屏蔽效應(yīng)。但是，金屬內(nèi)不涉及束縛電荷，不能把金屬的介電性列入電介質(zhì)物理研究的范疇。第4頁,共26頁，2024年2月25日，星期天1.3電介質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)特征與電響應(yīng)特征1）電子結(jié)構(gòu)特征用固體能帶理論，可將電介質(zhì)定義為這樣一種物質(zhì)：電介質(zhì)能級圖中，基態(tài)被占滿，基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間被很寬的禁帶隔開，電子激發(fā)到導(dǎo)帶必須足夠的能量，這個能量大到可使電介質(zhì)遭到破壞，見示意圖。將電介質(zhì)的能帶結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體、導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)相比較，可以看出，他們有明顯的區(qū)別。第5頁,共26頁，2024年2月25日，星期天2）電響應(yīng)特征電介質(zhì)對電場的響應(yīng)特性不同于金屬導(dǎo)體。金屬的特點是電子共有化，體內(nèi)有自由載流子，這就決定了金屬具有良好的導(dǎo)電性。它們以傳導(dǎo)方式傳遞電作用。電介質(zhì)中，一股只存在束縛電荷。在電場的作用下，電荷不能以傳導(dǎo)方式而只能以感應(yīng)的方式作用，即以其中正、負電荷受電場驅(qū)使形成正、負電荷中心不相重合的電極化方式來傳遞和記錄電場的影響。不同電介質(zhì)電極化機制不同，但他們響應(yīng)電場的作用是共同的——電極化方式。因此，研究電介質(zhì)在電場作用下發(fā)生極化的物理過程并導(dǎo)出相應(yīng)的極化規(guī)律，是電介質(zhì)物理的一個重要課題。第6頁,共26頁，2024年2月25日，星期天綜上所述，電介質(zhì)體內(nèi)沒有自由電荷，有良好的絕緣性能。在工程應(yīng)用上，通常需要將電路中具有不同電位的導(dǎo)體彼此隔開，要使用電介質(zhì)材料，利用的就是電介質(zhì)的絕緣特性，從這個意義上講，電介質(zhì)又可稱為絕緣材料

(Insulatingmaterial)或絕緣體(Insulator)。工程上應(yīng)用的電介質(zhì)與理想的電介質(zhì)不同，主要區(qū)別是：實際電介質(zhì)在電場作用下存在漏電流和電能的耗散，甚至在強電場下，實際電介質(zhì)還可能被破壞。因此，除了要研究電極化外，還要研究電介質(zhì)的電導(dǎo)、損耗、擊穿等特性。這些就是電介質(zhì)物理需要研究的主要問題。第7頁,共26頁，2024年2月25日，星期天2.電介質(zhì)的分類電介質(zhì)種類繁多，組成物質(zhì)結(jié)構(gòu)亦千差萬別?？梢詮牟煌嵌葘﹄娊橘|(zhì)進行分類。1）按材料類可將電介質(zhì)分為：無機電介質(zhì)和有機電介質(zhì)兩大類。無機電介質(zhì)：云母、玻璃、陶瓷等一類的無機材料。有機電介質(zhì)：礦物油、紙、高分子聚合物等有機材料。2）按照物質(zhì)的聚集態(tài)可將電介質(zhì)分為：氣體介質(zhì)(如空氣)液體介質(zhì)(如電容器油)固體介質(zhì)第8頁,共26頁，2024年2月25日，星期天3）按組成物質(zhì)原子排列的有序化程度分類晶體電介質(zhì)：石英晶體、陶瓷晶體等非晶態(tài)電介質(zhì)：玻璃、塑科、一些非晶陶瓷等前者表現(xiàn)為長程有序，而后者只表現(xiàn)為短程有序。4）按分子電極性分類工程應(yīng)用上常常按照電荷在介質(zhì)空間分布進行分類。非極性電介質(zhì)：無外電場作用時，介質(zhì)的正、負電荷中心重合。如聚四氟乙烯薄膜、變壓器油等。聚四氟乙烯的分子結(jié)構(gòu)：第9頁,共26頁，2024年2月25日，星期天極性介質(zhì)：由正、負電荷中心不重合的極性分子組成。如電容器紙的主要成分—纖維素及聚氯乙烯薄膜等。第10頁,共26頁，2024年2月25日，星期天5）其他按照介質(zhì)成分均勻度進行分類：均勻電介質(zhì)

(如聚苯乙烯)非均勻電介質(zhì)

(如電容器紙—聚苯乙烯薄膜復(fù)合介質(zhì))。還有別的分類：塊狀介質(zhì)膜狀介質(zhì)。分類研究電介質(zhì)，有利于將其性能研究統(tǒng)一在物質(zhì)共同屬性基礎(chǔ)之上，便于總結(jié)出介電性能與材料組成、結(jié)構(gòu)之間相互關(guān)聯(lián)的規(guī)律。第11頁,共26頁，2024年2月25日，星期天3.電介質(zhì)材料的研究對象和頻域范圍（1）材料對象及特點固態(tài)電介質(zhì)，包括晶態(tài)電介質(zhì)和非晶態(tài)電介質(zhì)兩大類。例如，玻璃、陶瓷、樹脂、高分子聚合物等，這些材料是良好的絕緣材料。在電場作用下，這類固態(tài)電介質(zhì)產(chǎn)生不等于零的電偶極矩，形成束縛電荷，這種現(xiàn)象就是電極化。這些能產(chǎn)生電極化的材料也就是電介質(zhì)材料。例如：絕緣材料：電阻率一般都很高，是典型的電介質(zhì)材料。寬禁帶半導(dǎo)體：電阻率不很高，不屬于絕緣材料。在電場下可以發(fā)生極化，也歸入到電介質(zhì)材料體系。例如，III-V族和II-VI族半導(dǎo)體，共價鍵-離子鍵混合結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出電極化和弛豫特征。第12頁,共26頁，2024年2月25日，星期天大多數(shù)生物體——駐極體：荷電長期駐留與生物體內(nèi)，荷電分布對電場（包括對交變電場及電磁場）有強烈的介電響應(yīng)，也被納入到電介質(zhì)的研究范圍。利用電介質(zhì)物理學(xué)研究生物體的性能是這門學(xué)科的一個特點。由于絕大多數(shù)生物體不屬于固態(tài)電介質(zhì)，在駐極體物理研究領(lǐng)域，對這類介質(zhì)有專門研究。電介質(zhì)物理內(nèi)容中一般都不做介紹。第13頁,共26頁，2024年2月25日，星期天BroadbandDielectricSpectroscopyPorousmaterialsandcolloidsClustersSingledropletsandporesGlassformingliquidsMacromolecules10-210-410010210410610810101012TimeDomainDielectricSpectroscopyf(Hz)10-6Waterice（2）研究的頻域范圍第14頁,共26頁，2024年2月25日，星期天材料結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、極化機制與介電性能。電介質(zhì)基本性能：電極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗、介質(zhì)擊穿等。這些現(xiàn)象和性質(zhì)統(tǒng)稱為：“電介質(zhì)在電場作用下發(fā)生的物理過程”，其本質(zhì)源于電場與電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成之間存在作用關(guān)系、機制和規(guī)律，這種規(guī)律性是電介質(zhì)選材、制造、研究開發(fā)、乃至應(yīng)用的科學(xué)依據(jù)。4.電介質(zhì)材料的研究內(nèi)容第15頁,共26頁，2024年2月25日，星期天材料的結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、極化機制與介電性能研究電介質(zhì)介電能及其機制涉及的基本內(nèi)容包括：材料結(jié)構(gòu)（晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)）極化機制（電結(jié)構(gòu)決定的微觀極化機制）材料微結(jié)構(gòu)與組織特征（顯微組織、相及其界面等）介電性能（介電常數(shù)、電導(dǎo)、損耗等）介電性能與電介質(zhì)材料的微結(jié)構(gòu)以及與溫度和外場頻率間有關(guān)系，電介質(zhì)的導(dǎo)熱和導(dǎo)電、損耗、擊穿等與這些因素也有關(guān)系。第16頁,共26頁，2024年2月25日，星期天材料的結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、極化機制與介電性能

下面舉例說明1）原子分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)原子晶體？離子晶體？共價晶體？混合鍵晶體？無機非晶體？高分子晶體？高分子？（構(gòu)象、分子量、主鏈、側(cè)鏈？？？）極性分子？非極性分子？原子、分子結(jié)構(gòu)不同，對應(yīng)的微觀極化機制不同。第17頁,共26頁，2024年2月25日，星期天材料結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、極化機制與介電性能問題一：晶體結(jié)構(gòu)不同，價鍵或化學(xué)鍵不同，原子的荷電分布、電子云分布、能帶結(jié)構(gòu)都會不同，極化機制不同。（弛豫、電導(dǎo)）問題二：材料組織、界面結(jié)合狀態(tài)不同，對應(yīng)的介電常數(shù)實部、介電損耗、電導(dǎo)損耗不同。（界面弛豫、界面散射）第18頁,共26頁，2024年2月25日，星期天材料的結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、極化機制與介電性能

-helix

-sheetPeptidebond,

-helixand

-sheetHOCNC

C

mp=3.6Dq=46.7-0.30.30.4-0.4Lactatedehydrogenase生物大分子，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，荷電分布不同、其微觀極化機制不同。生物組織不同，極化和介電行為也不同。第19頁,共26頁，2024年2月25日，星期天材料的結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、極化機制與介電性能H

H3N+—C—COO-

R

生物細胞對電磁場的響應(yīng)可能會具有多樣性。第20頁,共26頁，2024年2月25日，星期天材料的結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、極化機制與介電性能2）微觀極化機制通常情形下電介質(zhì)中的正、負電荷互相抵消，宏觀上不表現(xiàn)出電性，但在外電場作用下可產(chǎn)生變化（響應(yīng)）：①原子核外的電子云分布產(chǎn)生畸變，從而產(chǎn)生不等于零的電偶極矩，稱為電子云畸變極化；②原來正、負電中心重合的分子或原子，在外電場作用下正、負電中心彼此分離，稱為原子位移極化；③具有固有電偶極矩的分子原來的取向是混亂的，宏觀上電偶極矩總和等于零，在外電場作用下，各個電偶極子趨向于一致排列，從而宏觀電偶極矩不等于零，稱為分子轉(zhuǎn)向極化。第21頁,共26頁，2024年2月25日，星期天材料的結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、極化機制與介電性能3）宏觀介電性能電介質(zhì)極化時，電極化強度P與總電場強度E的關(guān)系，

P＝ε0χeE，Ε0真空介電常數(shù)，χe

電極化率，εr＝1＋χe

相對介電常數(shù)。電極化率、介電常數(shù)與外電場的頻率有關(guān)，舉例來說：靜電場或低頻電場：上述三種極化類型都參與極化過程。電場頻率增大時形：轉(zhuǎn)向極化逐漸跟不上外場的變化，介電常數(shù)變?yōu)閺?fù)數(shù)，介質(zhì)中電場能量出現(xiàn)損耗，稱為介電損耗。頻率進一步增加-——高頻電場時：轉(zhuǎn)向極化失去作用，介電常數(shù)減小。第22頁,共26頁，2024年2月25日，星期天材料結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、極化機制與介電性能在紅外線波段：電介質(zhì)正、負電中心的固有振動頻率往往與外場頻率一致，產(chǎn)生共振，電介質(zhì)對紅外線強吸收。介電常數(shù)實部和虛部隨頻率發(fā)生大起大落的變化。在可見光波段：位移極化也失去作用，只有電子云畸變極化作用。光頻區(qū)域的介電常數(shù)實部進一步減小，它對應(yīng)電介質(zhì)的折射率，虛部決定了對光波的吸收。第23頁,共26頁，2024年2月25日，星期天在強電場（如激光）作用下：極化強度P

與