电介质基础精选文档.ppt

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1、电介质基础本讲稿第一页，共二十九页电极化的建立和消失有一个响应过程。电极化的建立和消失有一个响应过程。电子位移极化响应时间极快，为电子位移极化响应时间极快，为瞬时极化瞬时极化偶极子取向极化等驰豫极化对外场响应较慢，为偶极子取向极化等驰豫极化对外场响应较慢，为缓缓慢极化慢极化不同频率下，电介质的介电常数有不同频率下，电介质的介电常数有所不同，表现出所不同，表现出介电频谱介电频谱特性。特性。本讲稿第二页，共二十九页10.3 电介质的介电驰豫电介质的介电驰豫一、介电驰豫一、介电驰豫1.1.驰豫过程驰豫过程一个宏观热力学系统，由于外界环境的变化或外场的作用一个宏观热力学系统，由于外界环境的变化或外场的

2、作用变为非热平衡状态，这个系统再从非平衡状态过渡到新的变为非热平衡状态，这个系统再从非平衡状态过渡到新的热平衡态的整个过程就称为热平衡态的整个过程就称为驰豫过程驰豫过程。系统中微观粒子由于相互作用交换能量，最终达到稳定分布的过程。实质：实质：本讲稿第三页，共二十九页电介质中,电极化从非平衡态向平衡态过渡的驰豫过程就是介电驰豫。例：例：在在t0时，介质受到外场作用产生的极化强度为时，介质受到外场作用产生的极化强度为P0，在，在t=0时时突然除去外场，极化强度随时间变化？突然除去外场，极化强度随时间变化？静电场下：介电极化有足够时间确立。其中为驰豫时间。本讲稿第四页，共二十九页若若t=0时时P=0

3、,在此瞬间加一恒定电场，电介质建立热在此瞬间加一恒定电场，电介质建立热平衡时极化强度平衡时极化强度P0的驰豫过程规律的驰豫过程规律tP/P01交变电场下-介电响应不同电介质介电极化机制的不同，不同频率下各种材料有特定的介电频谱。在在u u时刻，施加一连续变化的电场时刻，施加一连续变化的电场E(u)E(u)，电位移可分为两，电位移可分为两部分：部分：瞬时极化1.介电频谱介电频谱铁电压电陶瓷极化时间为 小时本讲稿第五页，共二十九页在在u=0u=0开始施加任意连续变化电场，电位移的开始施加任意连续变化电场，电位移的一般表达式一般表达式为为：瞬时极化瞬时极化后效函数后效函数施加周期性电场施加周期性电场

4、 ,电介质电位移矢量变化电介质电位移矢量变化另一部分来源于电场变化后，慢极化对后另一部分来源于电场变化后，慢极化对后D D的贡献的贡献慢极化响应慢极化响应令令 本讲稿第六页，共二十九页对比对比复介电常数复介电常数和和的普遍形式：的普遍形式：介电常数的介电常数的谱函数谱函数本讲稿第七页，共二十九页对上面两式做傅里叶变换，得到后效函数 介电频谱的克喇末-克朗尼（Kramers-Krnig)公式：本讲稿第八页，共二十九页2.德拜驰豫方程德拜驰豫方程一个交变电场的外激励以一个交变电场的外激励以贡献给介电常数贡献给介电常数同时伴随着同时伴随着介电色散介电色散。不同介电系统有不同的后效函数不同介电系统有不

5、同的后效函数对应电介质的介电驰豫类型可得到相应的介电频谱。可得到相应的介电频谱。给定给定两个作用结果：两个作用结果：本讲稿第九页，共二十九页对偶极子系统，偶极子之间无相互作用，电场撤销后对偶极子系统，偶极子之间无相互作用，电场撤销后只有一种松弛极化，极化满足以下驰豫过程：极化满足以下驰豫过程：不妨假设后效函数：不妨假设后效函数：例如：例如：有序无序性有序无序性铁电体，电场撤销后，由有序到无序的过程铁电体，电场撤销后，由有序到无序的过程得到得到Debye驰豫的驰豫的介电色散方程介电色散方程：本讲稿第十页，共二十九页介电驰豫方程：介电驰豫方程：实部实部虚部虚部本讲稿第十一页，共二十九页当 时，得：

6、呈现极大值，为：由介电常数虚部峰值频率，可确定德拜驰豫时间介电常数实部和虚部可以确定静态介电常数 和光频介电常数结论：结论：本讲稿第十二页，共二十九页例：CaCu3Ti4O12巨介电陶瓷电容器CaCu3Ti4O12介电常数为105106,是一种典型的巨介电材料，可研制超大容量的电容器。介电弛豫机理未澄清？问题：J.Phys.:Condens.Mater,19,236208(2007)存在Debye驰豫Debye驰豫时间驰豫时间本讲稿第十三页，共二十九页晶粒内部为Debye弛豫Appl.Phys.Lett,89,191117(2006)晶界处存在其它介电弛豫行为通过介电频谱法，可以判断CaCu3

7、Ti4O12系统中是否存在Debye驰豫。例2：CaCu3Ti4O12高介电陶瓷电容器本讲稿第十四页，共二十九页3.介电频谱的介电频谱的Cole-Cole圆圆消去，得到下列方程Cole-Cole圆圆半径为其圆心为以为横轴，为纵轴，Argand图图本讲稿第十五页，共二十九页判断是否存在Debye驰豫的有效方法将实验上得到的介电常数实部和虚部在复平面上做将实验上得到的介电常数实部和虚部在复平面上做Cole-ColeCole-Cole图，就可以判断介图，就可以判断介电驰豫是否属于电驰豫是否属于德拜驰豫。德拜驰豫。CaCu3Ti4O12高介电陶瓷电容器Appl.Phys.Lett,89,191117(

8、2006)本讲稿第十六页，共二十九页 小结：1.介电频谱的克喇末-克朗尼（Kramers-Krnig)公式：Cole-Cole圆圆实部实部虚部虚部2.Debye 驰豫方程色散方程本讲稿第十七页，共二十九页10.4 介电频谱和等效电路介电频谱和等效电路复介电常数描述了实际电介质在交变电场作用下的介电响应，复介电常数描述了实际电介质在交变电场作用下的介电响应，可以用复可以用复阻抗谱方法处理电介质的介电频谱特性，等效电路来描述电介质内部的物理阻抗谱方法处理电介质的介电频谱特性，等效电路来描述电介质内部的物理过程。过程。1.C-G并联电路并联电路C0G0在交变电压在交变电压U()作用下，其电流作用下，

9、其电流I()可表示为可表示为用理想的电路元件用理想的电路元件R（G）、）、C和和L组成等效电路，模拟电介质内部物组成等效电路，模拟电介质内部物理过程。理过程。复导纳复导纳本讲稿第十八页，共二十九页在在导纳复平面导纳复平面中，中，yy关系曲线为一关系曲线为一截距为截距为G0垂直于垂直于y轴的轴的直线直线。并联电路的阻抗并联电路的阻抗Z()可表示为可表示为本讲稿第十九页，共二十九页其中其中zz与与zz间的关系式间的关系式在阻抗复平面中，在阻抗复平面中，zz关系曲线为一个半圆方程。关系曲线为一个半圆方程。漏电流较大漏电流较大的电介质，在交变电场作用下的介电响应与并的电介质，在交变电场作用下的介电响应

10、与并联等效电路的频率响应相似。联等效电路的频率响应相似。对应的电介质类型：对应的电介质类型：本讲稿第二十页，共二十九页LCMO薄膜的复阻抗分析薄膜的复阻抗分析J.Appl.Phys,107,023907(2010)例：例：La0.67Ca0.33MnO3在在T=250K以下是以下是金属态，以上是绝缘体，金属态，以上是绝缘体，T=280K时为绝缘体。时为绝缘体。由由z”极大值极大值 ，代入下式，代入下式得到系统的电容和介电常数。得到系统的电容和介电常数。电容或介电常数：电容或介电常数：本讲稿第二十一页，共二十九页2.Cp-Rp串联电路串联电路正弦交变电压正弦交变电压U()可表示为可表示为其中阻抗

11、其中阻抗z()为为在阻抗复平面内，在阻抗复平面内，zz关系曲线为垂直于关系曲线为垂直于z 轴的直线。轴的直线。本讲稿第二十二页，共二十九页串联等效电路的导纳串联等效电路的导纳y()可表示为可表示为消去消去RpCp，则可得，则可得y与与y间的关系为间的关系为漏电流较小漏电流较小的电介质，在交变电场作用下的介电响应与的电介质，在交变电场作用下的介电响应与串联串联等效电路等效电路的频率响应相似。的频率响应相似。对应的电介质类型：对应的电介质类型：本讲稿第二十三页，共二十九页3.复杂等效电路复杂等效电路1)：两个：两个C-G并联电路的串联并联电路的串联如果如果C1、C2和和G1、G2任意取值，情况复杂

12、，讨论以下极端情况：任意取值，情况复杂，讨论以下极端情况：C1G1C2G2得到得到如令如令这一电路总的阻抗为：这一电路总的阻抗为：本讲稿第二十四页，共二十九页G1/C1G2/C21/G11/G1+1/G2这种材料有这种材料有高电导、小电容的本体高电导、小电容的本体部分和部分和低电导、高电容的阻挡层低电导、高电容的阻挡层部分串联而成。部分串联而成。物理上：含阻挡层的介电材料物理上：含阻挡层的介电材料J.Phys.D:Appl.Phys,40,2899(2007)例例1：CaCu3Ti4O12巨介电陶瓷巨介电陶瓷晶粒内晶粒内晶界晶界对应的电介质类型：对应的电介质类型：非均匀的电介质非均匀的电介质本

13、讲稿第二十五页，共二十九页例例2：J.Appl.Phys,109,014102(2011)知道本体和阻挡层的尺寸后，可分别确定知道本体和阻挡层的尺寸后，可分别确定其电导和介电常数。其电导和介电常数。晶界晶界-阻挡层阻挡层本讲稿第二十六页，共二十九页常见介电频谱和常见介电频谱和等效电路表等效电路表介电弛豫机制介电弛豫机制复阻抗复阻抗等效电路等效电路等效电路等效电路介电频谱介电频谱介电频谱的介电频谱的“指纹指纹”本讲稿第二十七页，共二十九页等效电路等效电路介电频谱介电频谱模模型型实实验验模模型型实实验验反映特定的介电响应类型探讨电介质材料中的介电驰豫机理？实验数据：介电频谱、阻抗频谱和导纳频谱寻找合适的等效电路模型获取介质的介电驰豫机理具体例子见参考文献。本讲稿第二十八页，共二十九页 铁电体及相变铁电体及相变5.1 铁电体的极化反转铁电体的极化反转5.2 铁电体的结构相变铁电体的结构相变5.3 铁电相变的热力学表述铁电相变的热力学表述电介质物理电介质物理2 2本讲稿第二十九页，共二十九页