介电常数-研究生-2010

1介电特性Oct.22,2010包定华中山大学理工学院E-mail:stsbdh@mail.sysu.edu.cn2•介电常数、介电损耗•介电频谱、温谱•介电材料的主要物理性质及测量•介电材料的应用简介主要内容3介电常数、介电损耗4表征材料导电性的大小电学性质1.电导率5电学性质欧姆定律欧姆定律微分形式决定电导率的基本参数载流子(n,个/m3)：电子、空穴、正离子、负离子载流子迁移率(载流子在单位电场中的迁移速度)μ=ν/Em2/(v.s)电流密度（单位时间通过单位截面积的电荷量）J＝nqv电导率σ=J/E=nqv／E=nqμ6理解材料的电导现象，必须明确几个问题：1）参与迁移的是哪种载流子—有关载流子的类别2）载流子的数量有多大---有关载流子浓度、载流子的产生过程3）载流子迁移速度的大小---有关载流子输运过程电导机制：1）离子电导：一些电介质、绝缘材料2）电子电导：半导体、导电、超导电学性质7电介质电容、介电常数•真空电容Co=Qo/V＝os/d•电介质电容C＝Q/V=ros/d•相对介电常数εr=C/C0电学性质介电常数是表征电介质的最基本的参量。是衡量电介质在电场下的极化行为或储存电荷能力的参数。2.介电常数8在实际应用中，通常用损耗角正切表示电介质在交变电场下的损耗'tanrr电学性质3.介电损耗电介质在电场作用下,电导和部分极化过程会将一部分电能转变为其它形式的能（如热能），即发生电能的损耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。(由电导和极化过程引起)单位体积的介质损耗功率：2EtgP94.电介质的击穿-绝缘强度电介质的击穿一般外电场不太强时，电介质只被极化，不影响其绝缘性能。当其处在很强的外电场中时，电介质分子的正负电荷中心被拉开，甚至脱离约束而成为自由电荷，电介质变为导电材料。当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为击穿(breakdown)。外加电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态的现象。电学性质10介电强度：相应的临界电场强度热击穿热击穿的本质：处于电场中的介质，由于介质损耗而受热；当外加电压足够高时，散热和发热从平衡状态转入非平衡状态，介质的温度将越来越高，直至出现永久性破坏。击穿电场强度E=V/hV—击穿电压；h—材料厚度击穿电压——电介质（或电容器）击穿时两极板的电压11电击穿固体介质电击穿的碰撞电离理论：在强电场作用下，固体导带中可能因冷或热发射存在一些电子，这些电子被加速，获得动能；高速电子与晶格振动相互作用，把能量传递给晶格；上述两个过程在一定温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导；当电子从电场中获得能量大于传递给晶格振动能量时，电子动能越来越大；大到一定值，电子与晶格振动的相互作用导致电离产生新电子，使电子数目迅速增加，电导进入不稳定状态，发生击穿。载流子数目迅速增加。12电介质：在电场作用下，能建立极化的物质。通常是指电阻率大于1010·cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。电介质的主要性能：介电常数介电损耗介电强度132极化polarization在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性随电场方向改变的现象，称为电介质的极化。3自发极化spontaneouspolarization在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化，称为自发极化。1介电常数dielectricconstant表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数，用ε表示，无量纲。14•电介质在电场作用下的极化程度用极化强度矢量P表示，极化强度P是电介质单位体积内的感生偶极矩，可表示为：•极化强度的单位为库仑/米2(C/m2)VV宏观上无限小微观上无限大的体积元pi每个分子的电偶极矩P=limpiV电偶极矩15电偶极矩：=ql（单位：库仑·米）电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩的方向与外电场的方向一致。介质的极化强度P：P=/V单位介质体积内的电偶极矩总和。或束缚电荷的面密度。±-q+qlE偶极子16电介质的极化材料可按其对外电场的响应方式区分为两类：导电材料：以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响应导体中的自由电荷在电场作用下定向运动，形成传导电流。电介质：以感应的方式对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质，这种现象称为电介质的极化。在电介质中，原子、分子或离子中的正负电荷以共价键或离子键的形式被相互强烈地束缚着，通常称为束缚电荷。在电场作用下，正、负束缚电荷只能在微观尺度上作相对位移，不能作定向运动。正负束缚电荷间的相对偏移，产生感应偶极矩。在外电场作用下,电介质内部感生偶极矩的现象，称为电介质的极化。17电介质分为非极性电介质和极性电介质两大类。非极性电介质由非极性分子组成，在无外电场时分子的正负电荷重心互相重合，不具有电偶极矩。只是在外电场作用下正负电荷出现相对位移，才出现电偶极矩。极性电介质由极性分子组成，即使在无外场时每个分子的正负电荷重心也不互相重合，具有固有电矩，它与铁电性有密切关系。18基本概念真空平行板电容器介电材料电场电位移极化强度金属板表面的(正的与负的)自由电荷介电材料表面的束缚电荷真空介电常数(8.85×10-12As/Vm)相对介电常数电容19电位移矢量真空电位移材料极化强度极化率相对介电常数非极化极化介电性质适用于：电机械热极化极化响应20极化类型电子极化电子云与原子核的相对位移诱导电偶极子离子极化阴、阳离子的相对位移诱导电偶极子转向极化固有电偶极子的指向在外场中转向空间电荷极化在绝缘体界面移动载流子形成的极化电介质的极化21电子极化电子极化由电子云构成的负电荷中心(-Ze0)在外电场中相对于带正电的原子荷(+Ze0)的位移引起的电位移诱导偶极子微观极化率电极化率：原子/分子密度22离子极化是由离子晶体中阳离子(＋Q)与阴离子(-Q)的位移引起的电位移诱导偶极子微观极化率电极化率：原子/分子密度离子电荷Ki描述了晶格的反作用力，Ki取决于晶格参数(离子间距，晶体结构，束缚能….)离子极化23取向极化电偶极矩pi分子电偶极矩pi电极化强度P平均微观极化率aor线性近似电极化率cor2425介电损耗的形式电介质在电场作用下，内部通过的电流包括：1）电容电流：由样品的几何电容充电引起电流（位移电流）；2）介质极化的建立引起电流：与极化弛豫有关；3）介质的电导（漏导）造成的电流：与自由电荷有关。能量损耗：极化弛豫损耗、电导损耗、振动损耗介电损耗26损耗因子在真空中的平行平板式电容器两极板上加交变电压V=Voeit，电容上的电流与外电压相差90o的位相。由Q=CoVV=Q/Co=Idt/CoI=CodV/dt电容上的电流：Io=iCoV两极板间充入非极性完全绝缘的材料，电容上的电流：I=iCV=irCoV=rIo27如果介质有微弱的导电，则其中有一个与外加电压相位相同的小电流（I=iCV+GV）通过ViCV设电导G仅由自由电荷产生，则:G=S/d,由于电容:C=lS/d则电流密度:j=(il+)E=*E=il*E复电导率*的定义：*=il+复介电常数的定义：l*=*/i=l-i/损耗角的定义：tg=损耗项/电容项=/l得：=ltg（ltg仅与介质有关）损耗因子：ltg（其大小作为绝缘材料的判据）复电导率*的定义：*=il+复介电常数的定义：l*=*/i=l-i/损耗角的定义：tg=损耗项/电容项=/l得：=ltg（ltg仅与介质有关）损耗因子：ltg（其大小作为绝缘材料的判据）复电导率*的定义：*=il+复介电常数的定义：l*=*/i=l-i/损耗角的定义：tg=损耗项/电容项=/l得：=ltg（ltg仅与介质有关）损耗因子：ltg（其大小作为绝缘材料的判据）复电导率*的定义：*=il+复介电常数的定义：l*=*/i=l-i/损耗角的定义：tg=损耗项/电容项=/l得：=ltg（ltg仅与介质有关）损耗因子：ltg（其大小作为绝缘材料的判据）28时间介电弛豫理想电介质实际电介质VQIVQI电荷累积与电流特性29极化强度随时间变化的速率与其最终数值和某时刻实际值之差有以下关系：d(Pt－Po)/dt=[(P－Po)－(Pt－Po)]/Pt－Po=(P－Po)(1－e-t/)时间P理想实际PoP30考虑自由电荷与束缚电荷的弛豫对介电常数的影响，复介电常数普通表达式：l*=l´-il´´则：tg=l´´/l´有：=ltg=l´tg=l´´（=l´´介质的等效电导率）31空间电荷极化转向极化离子极化电子极化色散损耗等效电路微波红外紫外驰豫空间电荷极化转向极化共振离子极化电子极化相对介电常数的频率相关性32电子极化转向极化共振与驰豫33介电频谱、温谱3435德拜公式：r()=+[(0)-]/(1+i)r´=+[(0)-]/(1+22)（r()实部）r´´=[(0)-]/(1+22)（r()虚部）tg=r´´/r´其中：(0)-----低或静态的相对介电常数------时的相对介电常数德拜研究了电介质的介电常数r´、反映介电损耗的r´´、所加电场的角频率及松弛时间间的关系。36=1，r´´最大，大于或小于1时，r´´都小，即：松弛时间和所加电场的频率相比，较大时，偶极子来不及转向，r´´就小；松弛时间比所加电场的频率还要迅速，r´´也小。37383940损耗的原因：由于共振使电流与电压同位相。411复介电常数与频率的关系德拜驰豫关系：isr1'2222'22()()(1)()()(1)()()rsrsrrsstg由上面的式子可见，在一定温度下：当=0，sr'，0r是恒定电场下的情况；当，'r，0r是光频下的情况。当~0之间，'r随频率下降，从静态介电常数降到光频介电常数；损耗因子则出现极大值，其条件为0r，当1m取极值：)(21maxsr)(21'srsstg42由德拜方程可见：当1时：sr~'，)(~sr，r大致正比于，并0r；当1时：'r，)(~sr，r大致反比于，0r。在1m附近，'r和r急剧变化，'r由s过渡到，同时r出现极大值。在这一频率范围内，介电常数发生剧烈变化，同时出现极化的能量耗散，称为弥散现象，这一频率区域被称之弥散区域。43tg与频率的关系类似于损耗因子与频率的关系，tg的极值条件为：0tg则可得：msm1'当ω=ωm’时：ssr2'sssrsstg2)(max当1时，)(~stg与成正比，0tg当1时，/)(~stg与成反比，0tg当'm时，tg取极大值。44一定温度下介电频率特性：①.低频时，电场缓慢变化，变化的周期比弛豫时间要长得多，极化完全来得及随电场变化，'r趋近静态介电常数s，相应的介质损耗r很小。②.升高，电场周期变短，短到可与极化的弛豫时间相比拟，~f，1~，极化逐渐跟不上电场的变化，损耗逐渐增大，'r从s→2s，r出现极值，并以热的形式散发，极值频率1m区域称弥散区域。10001.0的区间称弥散