介电材料最终版

P 静态介电常数与极化强度P的关系为： 0 E
相对介电常数 ε
r
(有时用κ 或K表示)
r / 0
其中ε 是指介质的绝对介电常数, 而0 是指真空介电常数 8.85×10-12 F/m
动态介电常数 实际上，介电常数并不是一个不变 的数，在不同的条件下，其介电常数也不相同。在交 变电场作用下，介质的介电常数是复数，虚数部分反 映了介质的损耗）。
b . 离子极化
c. 偶极子极化
d. 空间电荷极化 无电场时 施加电场时
离子极化：离子化合物是由正负离子按照一定堆积方式形成的， 正负离子之间依靠静电引力形成离子键。离子晶体中，正负离子 没有平动和转动，只有振动，粒子间距离虽有微动，但其方向和 大小都是随机的。因此，整体上正电和负电重心是重合在一起的， 保持电中性。在电场作用下，正、负离子分别沿着不同电场方向 a . 电子极化 取向，趋向于与外电场一致的方向，产生的极化称作离子极化。
介电材料的特征值 电极化：在电场作用下分子中正负电荷中心 发生相对位移而产生电偶极矩的现象 在电场作用下，介电材料产生电偶极矩μ
E
电场E
α为分子极化率
电介质的极化有3种主要基本过程，即:

材料中原子核外电子云畸变产生的电子极化；
分子中正、负离子相对位移造成的离子极化;
分子固有电矩在外电场作用下转动导致的转向极化。
可以说，介电材料的电学性质是通 过外界作用，其中包括电场、应力、温度等 来实现的，相应形成介电晶体、压电晶体、 热释电晶体和铁电晶体，并且依次后者属于 前者的大类，其共性是在外力作用下产生极 化。这几类材料的属于关系如右图所示。
1.1 介电材料（电介质）
介电材料又称电介质，是以电极化为特征的材料， 是电的绝缘材料。 分类：气体、液体、固体三大类。 气体：天然电介质：空气 非极性电介质：N2, He, O2, H2, CH4等 极性电介质：HCl, NO 液体：非极性：苯，CCl4 弱极性：汽油，煤油，变压器油 极性：乙醇，水 固体：非极性：金刚石、硫磺，聚四氟乙烯 极性：晶体，聚氯乙烯
1.3 几个物理量
介电常数：表征介质在外电场作用下极化程度的 物理量，介电常数代表了电介质的极化程度，也就是 对电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能 力越强。用ε 表示 ，其单位是F·m-1。
介电常数的大小：用于衡量绝缘体储存电能的性 能. 它是两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容 量与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容 量之比。
1.2 电极化现象
a . 电子极化
介电材料本身不荷电荷，但 将其置于电场中，在其体积内部和 表面会感应出一定量的电荷。这种 现象称作电极化现象。这种极化现 象可以分为4类，如右图所示。 电子极化：任何材料都是由原 子和分子或离子构成的。原子可以 看作是由荷正电荷原子实和其外荷 负电的电子云所构成的。无电场时， 原子时的正电重心和电子云的负电 重心是重合在一起的。在电场存在 时，正电重心和负电重心发生轻微 错位，形成的极化称作电子极化。
主要用途
Biblioteka 介电材料 具有很高 的电阻系数，主要的 应用是作为电的绝缘 体与电容器。 绝缘体：用来隔绝电 荷在电路中的传导， 如高压输电方面用的 陶瓷碍子（bell） 电容器：用来储存从 电路中接收到的电荷 的电子元件。
极化(polarization)
1、在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者 极性按电场方向转动的现象，称为电介质的极化。 单位面积的极化电荷量称为极化强度，它是一个矢量， 用P表示，其单位为C/m2。 2、自发极化： 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。 在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化电荷 量称为自发极化强度。 3、介电常数： 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。
一、介电材料
——顾文斌
介电材料
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
一、介电材料
通常所说的电现象都是以材料中存在的电子、离子和空穴等载流子在 电场作用下产生长程迁移而形成的。与此不同，存在另一类材料，即 所谓的介电材料，它们是绝缘体，并不存在其中载流子在电场作用下 的长程迁移，但仍然有电现象。这种电现象的产生，是因为材料中也 存在荷电粒子，尽管这些荷电粒子被束缚在固定的位置上，但可以发 生微小移动。这种微小移动起因于材料中束缚的电荷，在电场作用下， 正负束缚的电荷重心不再重合，从而引起电极化，如此将电荷作用传 递开来。
'i "
" tan '
介电损耗 在交变电场中，在每秒内，每立方米电介质 消耗的能量称介电损耗。
W 2fE ' tan
2 0
电导率 漏电电导率和位移电导率引起。
击穿电压 电介质承受的电压超过一定值后， 就丧失了电介质的绝缘性，这个电压叫做击穿 电压。
1.4 高介电常数材料和低介电常数材料
这3种极化作用并非在任何类型的介电材料中都等额地存在。
在一种类型的材料中，往往只有一种或二种极化起主导地位。一般 说来，电子极化存在于一切类型的固体物质中，离子极化主要存在 于离子晶体中，偶极极化主要存在于具有永久偶极的物质中，空间 极化则主要存在于那些结构非理想的、内部可以发生某种长程电荷 迁移的介电物质中。例如氯化钠晶体中存在阴离子空位时，阳离子 可以优先向负极方向迁移，因此在电极-NaCl界面处建立了一个双电 层。当然，这类效应显著时，则形成了导体或快离子导体，而不再 是介电质了。另外，上述4种极化率的大小程度也不相同，一般大小 次序为： αe<αi < αd
介电常数k比Si3N4(k>7)大的材料称为高介电常数材 料，而其k值比SiO2（k<3.9）小的材料称为低介电常数 材料。k的最小值为1(空气中)，最大k值材料（铁电体） 为24700（频率1kHz时） 高介电常数材料 DRAM(动态随机存取存储器)上单个电容器的面积在 急剧减小，解决这一问题的办法是使用较薄的传统电介 质－SiO2和Si3N4。 随着存储器芯片（速度）超过64M（位），这一方 法不再有效，因为欲达到所需元件电容量，材料需薄至 1nm以下，这样，它们（随着现代存储器芯片工作电压 的下降）就会产生不能承载的漏电流或严重的击穿。
偶极子极化：由偶极分子结合 成的共价化合物，偶极子在无 电场时是随机取向的，但在电 场作用下，偶极子沿电场方向 取向，产生的电极化称作偶极 极化。
b . 离子极化
c. 偶极子极化
极化强度P：介电材料的极化强度是单位体积内电 偶极矩的矢量和
P
V
n
极化效应的大小通常用单位体积内的电偶极矩或其介质表面的极 化电荷密度来衡量，称作电极化强度P，相应电场强度为E，那么有： P=α E 式中α 定义为介电晶体的电极化率，决定于介电物质的本质。电极化 率可以分解为电子极化率α e、离子极化率α i、偶极极化率α d，总极 化率α 是它们的总和： α =α e+α i+α d
按电容器方程(C=εS/4πkd )，很明显，只剩一个 参数来调整，那就是介电常数。所以开发大介电常数 材料，使电容器电介质可维持其“坚固”的厚度，又 能提供有效的电荷存储，仅管其面积和存储电压在继 续下降。 低介电常数材料或称low-K材料 通过降低集成电路中使用介电材料的介电常数，可 以降低集成电路的漏电电流及寄生电容。 传统半导体 使用二氧化硅作为介电材料，二氧化硅的介电常数约 为4 。