材料物理-材料的介电性能.ppt
材料的介电性能材料的介电性能材料的介电性能材料的介电性能材料的所有性能，都取决于原子和电子的排布状态。如果外界环境波动得足够剧烈，会扰动材料内部原子或者电子的排布。1、施加电压，导电材料内部的电子会发生定向迁移。问题的引入施加电压，导电材料内部的电子会发生定向迁移问题的引入施加拉应力，材料会发生塑性变形或者断裂问题的引入电阻率电阻率 导体：导体：10-3cm 例如：例如：Cu10-6cm 半导体：半导体：10-2cm109cm Ge=0.2cm 绝缘体：绝缘体：109cm问题的引入如果给绝缘体施加电场，绝缘体内部的电子会不会重新排布？问题的引入如果施加的压力（应变场）或者温度（温度场）呢？1、介电材料在电场中的极化2、介电材料在其它环境中的极化3、极化机制4、介电材料的应用1、介电材料在电场中的极化介电材料（dielectric material）从英文词意，di-有二的意思，可以理解为在外加条件下，具有两个电荷中心的材料。当然，除了外加电场外，温度场、应力场都会导致电荷中心一分为二-极化。2、介电材料在其它环境中的极化应变场中的极化-压电效应采用直径为2.5毫米，高度为4毫米的压电陶瓷，就可得到1020千伏的高电压。2、介电材料在其它环境中的极化在在完完全全黑黑暗暗的的环环境境中中，将将一一块块干干燥燥的的冰冰糖糖用用榔榔头头敲敲碎碎，可可以以看看到到冰冰糖糖在在破破碎碎的的一一瞬瞬间间，发发出出暗暗淡淡的的蓝蓝色色闪闪光光，这这是是强强电电场场放放电电所所产产生生的的闪闪光光，产产生生闪闪光光的的机机理理是是晶体的压电效应晶体的压电效应应变场中的极化-压电效应2、介电材料在其它环境中的极化压压压压电电电电效效效效应应应应：某某某某些些些些电电电电介介介介质质质质，当当当当沿沿沿沿着着着着一一一一定定定定方方方方向向向向对对对对其其其其施施施施力力力力而而而而使使使使它它它它变变变变形形形形时时时时，内内内内部部部部就就就就产产产产生生生生极极极极化化化化现现现现象象象象，同同同同时时时时在在在在它它它它的的的的一一一一定定定定表表表表面面面面上上上上产产产产生生生生电电电电荷荷荷荷，当当当当外外外外力力力力去去去去掉掉掉掉后后后后，又又又又重重重重新新新新恢恢恢恢复复复复不不不不带带带带电电电电状状状状态态态态的的的的现现现现象象象象。当当当当作作作作用用用用力力力力方方方方向向向向改变时，电荷极性也随着改变。改变时，电荷极性也随着改变。改变时，电荷极性也随着改变。改变时，电荷极性也随着改变。F FF F 应变场中的极化-压电效应2、介电材料在其它环境中的极化逆逆逆逆压压压压电电电电效效效效应应应应：当当当当在在在在电电电电介介介介质质质质的的的的极极极极化化化化方方方方向向向向施施施施加加加加电电电电场场场场，这这这这些些些些电电电电介介介介质质质质就就就就在在在在一一一一定定定定方方方方向向向向上上上上产产产产生生生生机机机机械械械械变变变变形形形形或或或或机机机机械械械械压压压压力力力力，当当当当外外外外加加加加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应应变场中的极化-压电效应2、介电材料在其它环境中的极化应变场中的极化-压电效应2、介电材料在其它环境中的极化电荷对称分布应变场中的极化-压电效应2、介电材料在其它环境中的极化电荷分布不对称应变场中的极化-压电效应2、介电材料在其它环境中的极化应变场中的极化-压电效应2、介电材料在其它环境中的极化温度场中的极化-热电效应有极分子（有极分子（Polar molecule）在无外场作用下存在在无外场作用下存在固有电矩固有电矩例如，例如，H2O Hcl CO SO2 因无序排列对外不呈现电性。因无序排列对外不呈现电性。电子云的电子云的正电中心正电中心电介质电介质+无外场时，电偶极子杂乱无章的排列无外场时，电偶极子杂乱无章的排列+外场存在时，电偶极子沿外场排列外场存在时，电偶极子沿外场排列+极化面极化面电荷电荷取向极化3、极化机制、极化机制电子位移极化无极分子（无极分子（Nonpolar molecule）在无外场作用下整个分子在无外场作用下整个分子无电矩无电矩。例如，例如，CO2 H2 N2 O2 He无极分子，正负无极分子，正负电荷中心重合电荷中心重合在外场的作用下，二者在外场的作用下，二者分离，形成电偶极子分离，形成电偶极子+极化面电荷极化面电荷束缚电荷束缚电荷3、极化机制、极化机制离子位移极化离子在电场作用下偏移平衡位置的移动;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,例如碱卤化物晶体就是如此。由于离子质量远高于电子质量,因此极化建立的时间也较电子慢,大约为10-12 10-13 s。3、极化机制、极化机制电子弛豫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。使得在局部范围内出现导带，这样一来，电子可在局部范围内发生迁移。带隙带隙空带空带非导体非导体3、极化机制、极化机制离子弛豫极化在完整离子晶体中,离子处于正常结点,能量最低最稳定,它们在极化状态时,只能产生弹性位移,离子仍处于平衡位置附近。而在玻璃态物质中,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,可以从一平衡位置移动到另一平衡位置。3、极化机制、极化机制空间电荷极化对金属来说，电子被所以原子个共有，所以溶质原子、晶界等缺陷不会引起净电荷。对于离子晶体，各种缺陷会引起局部区域的净电荷。3、极化机制、极化机制空间电荷极化离子晶体的晶界、位错等缺陷处存在空间电荷。这些混乱分布的空间电荷,在外电场作用下,趋向于有序化,即荷空间电荷的正、负电荷质点分别向外电场的负、正极方向移动,从而表现为极化。电子极化最灵敏，只要稍有风吹草动，就会做出响应3、极化机制、极化机制极化得太过分电介质击穿在强电场作用下，电介质在强电场作用下，电介质丧失电绝缘能力丧失电绝缘能力，电电介质的电导突然增大甚至引起介质的电导突然增大甚至引起结构损坏或破碎结构损坏或破碎，称为介电击穿。称为介电击穿。热击穿电击穿化学击穿3、极化机制、极化机制热击穿在在电电场场作作用用下下，固固体体电电介介质质承承受受的的电电场场强强度度虽虽不不足足以以发发生生电电击击穿穿，但但因因电电介介质质内内部部热热量量积积累累、温温度度过过高高而而导导致致失失去去绝绝缘缘能能力力。感感应应电电荷荷会会发发生生流流动动而而消失。消失。带带隙隙空空带带绝缘绝缘体体电击穿如果电子在散射过程损失的能量，小于电场做的功。电子的能量积累起相当大的动能，足以在电介质内部产生碰撞电离，形成电子雪崩现象。结果电导急剧上升，最后导致击穿。eeeeeee3、极化机制、极化机制化学击穿在电场、温度等因素作用下，固体电介质因缓慢的电化学反应，改变了电介质的组成。固体电介质因离子电导而发生发生电解电解（离子化合物电解得到金（离子化合物电解得到金属）属），结果在电极附近形成导电的金属树状物，甚至从一个电极伸展到另一个电极。结果在两电极间构成导电的通路3、极化机制、极化机制提高击穿电压措施提高击穿电压措施提高电介质材料的均匀性，使电场分布更为均匀。以免出现局部电压过高的情况。3、极化机制、极化机制4、介电材料的应用、介电材料的应用A、电容材料B、压电材料C、热电材料D、铁电材料电介质材料电介质材料压电材料压电材料热释电材料热释电材料铁电材料铁电材料3232种点群种点群-20 20个点群具有压电性个点群具有压电性 1010个含单一对称轴，具有自发极化（热释电）个含单一对称轴，具有自发极化（热释电）自发极化能被电场转向（铁电）自发极化能被电场转向（铁电）4、介电材料的应用、介电材料的应用A、电容材料、电容材料I、存储电能电池供电稳定，但是功率密度（爆发力）太小。所以在闪光灯中，需要利用电容来存储能量。电容虽然爆发力很强，但是持续时间短，一闪而过。A、电容材料、电容材料I、存储电能A、电容材料、电容材料I、存储电能A、电容材料、电容材料I、存储电能小型超级电容器 各种微处理机 玩具车 闪光灯 电动手工具大型超级电容器 各种交通工具 电网UPS 医院手术室 核反应堆控制 防护设备 航空通讯设备 无线电通讯系统 电力高压开关的分合闸操作 电阻焊机及科研测试设备等A、电容材料、电容材料I、存储电能根据存储电荷的机理,超级电容器分为：A、双电层电容器(Electrical Double LayerCapacitor,EDLC)。双电层电容器利用电极材料和电解质界面形成的电荷分离存储电荷。B、准电容器(Pseudocapacitor赝电容器)。利用电化学活性物质的吸脱附或电化学氧化还原反应来存储电荷。A、电容材料、电容材料I、存储电能制备高性能的超级电容器有2个途径:A、是增大电极材料比表面积,从而增大双电层电容量;B、是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率,从而提高准电容容量。实际应用中,这2种储能机理往往同时存在。A、电容材料、电容材料I、存储电能碳素材料碳素材料原理原理以双电层为主种类种类活性炭（AC）；活性炭纤维（CFA）；碳纳米管（CNTs）；炭气凝胶（CAGs）；石墨等优点优点原料丰富价格低廉；比表面大；导电性好；化学稳定性高缺点缺点比电容相对较小；能量密度不高研究热点研究热点活化活性炭（物理/化学）；碳材料的分散高度有序的碳纳米管阵列；修饰石墨烯；复复合合材材料料：如CNT与金属氧化物、导电聚合物、石墨烯的复合材料A、电容材料、电容材料I、存储电能金属氧化物材料金属氧化物材料原理原理以法拉第电容为主：离子的吸附/脱吸附和插入/脱出种类种类贵金属氧化物（RhO、IrO）；贱金属氧化物（Co3O4、NiO/NiOH、MnO2、V2O5等）优点优点高的比电容（是碳材料的10 100倍）；稳定性好缺点缺点结构致密，导电性能差；电势窗口太窄研研 究究 热热点点通过不同的制备方法（如PLD）得到纳米化的结构，如已制备了纳米棒、纳米片纳米环、分级多孔纳米花、中空纳米球等，主要为了增大表面积，同时有利于离子的传输；复合材料A、电容材料、电容材料：介质介电常数介质介电常数 s：极板面积极板面积：极板间距离极板间距离 s 也可以通过减小极板间距来也可以通过减小极板间距来增加电容。增加电容。II、传感器、传感器A、电容材料、电容材料II、传感器、传感器变极距型变极距型(变间距型变间距型)电容传感器电容传感器A、电容材料、电容材料II、传感器、传感器A、电容材料、电容材料II、传感器、传感器A、电容材料、电容材料II、传感器、传感器B、压电材料、压电材料应变场中的极化-压电效应 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。高分子压电电缆的应用演示高分子压电电缆的应用演示B、压电材料、压电材料B、压电材料、压电材料B、压电材料、压电材料B、压电材料、压电材料利用逆压电效应将高频交流电转变为高频声波B、压电材料、压电材料压压电电引引爆爆装装置置：压电打火机的点火原理可应用于各个领域，特别是军事领域。在反坦克炮弹上装上压电陶瓷元件，当炮弹击中坦克时，陶瓷因受压而产生高电压，从而引燃炸药，摧毁坦克。压电陶瓷在非常强的机械冲击波的作用下，储存的能量在以微秒计的瞬间释放出来，产生瞬间电流达10万安培以上的高压脉冲，可用于原子武器的引爆。纳米发电机创始人（王中林）1961年王中林出生于陕西省蒲城县高阳镇，王中林的初中和高中就是在这种大背景下度过的，三分之一的时间都在田里泡着，毕业于尧山中学。进入大学校门的第一天，他就暗暗给自己定下一条标准，本科每门课程不能低于90分。B、压电材料、压电材料-纳米发电纳米发电机机ZnOZnO纳米线B、压电材料、压电材料-纳米发电纳米发电机机气相沉积法制作纳米线1、利用热蒸发的方式，获得ZnO蒸汽2、在金纳米颗粒的催化下，ZnO纳米线沿垂直方向生长B、压电材料、压电材料-纳米发电纳米发电机机气相沉积工艺中，通过调节反应条件，例如温度、气流速度、压强等方式可以调控纳米线的形貌。700度750度800度850度B、压电材料、压电材料-纳米发电纳米发电机机C、热电材料、热电材料Seebeck效应：1823年，德国人Seebeck首先发现当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个接点的温度不同，则两接点间有电动势产生，且在回路中有电流通过，即温差电现象或Seebeck效应。I、热电效应C、热电材料、热电材料I、热电效应Pettier效应：1834年，法国钟表匠Pletier发现了Seebeck效应的逆效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时，接点处会发生放热或吸热现象，称为Peltier效应。C、热电材料、热电材料II、研究现状C、热电材料、热电材料II、研究现状C、热电材料、热电材料II、研究现状增强热电材料的热电性能的有效方式是降低其晶格热导率。所以在实际的实验中往往会在材料中引入纳米尺度孔洞，增强声子散射，达到降低晶格热导率的目的。电导率电导率温差温差热导率热导率空洞不能太多，也不能太少C、热电材料、热电材料II、研究现状不同空隙率下的热导率C、热电材料、热电材料II、研究现状不同空隙率下的应力应变曲线C、热电材料、热电材料热电致冷热电致冷：1.体积小2.重量轻3.结构简单4.坚固耐用5.无需运动部件6.无磨损7.无噪音III、应用C、热电材料、热电材料III、应用C、热电材料、热电材料美国、德国、日本、美国、德国、日本、韩国等汽车公司（韩国等汽车公司（GM、BMW、HONDA、大众、现、大众、现代等）正在开展相关代等）正在开展相关研发工作，研发工作，可节省油可节省油耗耗5%；国内相关研究；国内相关研究刚刚起步（上汽）刚刚起步（上汽）利用燃烧热、地热、利用燃烧热、地热、体表温差等热源，体表温差等热源，为野外作业、偏远为野外作业、偏远山区、小型电器、山区、小型电器、植入式医疗器械等植入式医疗器械等提供电能提供电能III、应用C、热电材料、热电材料热电偶的工作原理热电偶的工作原理热电极热电极A A自由端自由端（参考端、（参考端、冷端）冷端）测量（工作测量（工作端、热端）端、热端）热电极热电极B B热电势热电势ABIII、应用D、铁电材料、铁电材料铁电材料：具有自发极化，而且在一定温度范围内，自发极化偶极矩能随外施电场的方向而改变。推迟到磁性材料部分讲解D、铁电材料、铁电材料自发极化不是由外加引自发极化不是由外加引起的，它是由晶体的内起的，它是由晶体的内部结构造成的。在此类部结构造成的。在此类晶体中，每个晶胞里存晶体中，每个晶胞里存在固有电矩，此类晶体在固有电矩，此类晶体称为称为极性晶体极性晶体。自发极化现象通常发生自发极化现象通常发生在一些具有特殊结构的在一些具有特殊结构的晶体中晶体中。I、自发极化与铁电畴D、铁电材料、铁电材料对于晶体：由于晶格的限制，取向无法随机分布。所以在局部区域内形成铁电畴。I、自发极化与铁电畴铁电畴铁电畴D、铁电材料、铁电材料I、自发极化与铁电畴对于BaTiO3，130以上，为立方结构。当温度低于130 以后，Ba原子可以沿a（也可以是b或c）方向移动（极化）。在一个单晶内部，畴壁之间的夹角是固定的，只会出现90和 180 两种情况。D、铁电材料、铁电材料I、自发极化与铁电畴D、铁电材料、铁电材料I、自发极化与铁电畴例如：对于BaTiO3，当两个电畴为180时。施加电场，横向长大机制较弱。以在反向畴中形成新畴为主。D、铁电材料、铁电材料I、自发极化与铁电畴 电畴的观测：电子显微镜TEM原子力显微镜AFM液晶法化学腐蚀法粉末沉淀法X射线形貌术光的双折射D、铁电材料、铁电材料I、自发极化与铁电畴180180畴畴9090畴畴纳米薄膜中的电畴的纳米薄膜中的电畴的AFM照片照片D、铁电材料、铁电材料铁电材料（外部电场与内部电场的滞后效应）铁电材料并不一定含铁，而是由于其电滞回线和铁磁材料的磁滞回线相似。I、自发极化与铁电畴D、铁电材料、铁电材料特性一临界温度，即居里温度(Tc)。温度低于Tc时，铁电体才表现铁电性，而温度高于Tc，铁电体进入顺电相，极化消失。高的居里温度，可以使得铁电材料及其器件的处理和应用温度范围变得更宽。D、铁电材料、铁电材料II、铁电材料的特性BaTiO3 居里温度替换浓度特性二是临界尺寸。由于铁电性质是一个集合效应，通常当铁电材料的几何尺寸超过某一个值时，才会表现出铁电性，而当它的尺寸低于某一个值的时候，便不会再表现出铁电特性。D、铁电材料、铁电材料II、铁电材料的特性铁电存储器的优点读写速度快操作电压低可擦写次数多工作温度宽（-50-150）D、铁电材料、铁电材料III、铁电存储疲劳：晶格缺陷使得铁电畴的翻转变得困难。在设计电压，部分电畴无法有效翻转。晶格缺陷不同颜色区分不同电畴D、铁电材料、铁电材料III、铁电存储界面界面电畴无法翻转，成为死层缺陷浓度大界面应力D、铁电材料、铁电材料缺陷聚集和扩散现象缺陷随着翻转电场而迁移到界面发生界面聚集界面元素的扩散包括两个方面：电极元素以杂质的形态进入铁电层，钉扎电畴铁电层元素向电极层扩散，其本身因为化学剂量比失衡从而失去铁电性。界面缺陷D、铁电材料、铁电材料界面应力黑色表示无应力时的极化曲线红色和蓝色表示引入压应力后的极化曲线。D、铁电材料、铁电材料界面应力D、铁电材料、铁电材料界面应力D、铁电材料、铁电材料力电耦合力电耦合力电耦合效应：应力会畴壁移动改变畴构型界面应力D、铁电材料、铁电材料PPPP单晶单晶BaTiO3D、铁电材料、铁电材料力电耦合效应：应力会畴壁移动改变畴构型铁电材料因良好的力电耦合性能广泛应用于纳米诊断、微尺度能源和纳米传感等领域。在冲击爆炸等极端环境中，由于高速冲击或者高频振动(20GHz以上)，铁电压力传感器或加速度传感器可能产生一些异常的藕合响应，会导致测试数据失效。力电耦合力电耦合界面应力
