薄膜物理與技術：CH4-2-2 薄膜的介電性

1、CH4-2 薄膜的電學性質Electrical properties of thin films主要內容4.2.1 薄膜的導電和電輸運特性4.2.2 薄膜的介電性4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能本節(jié)主要內容與電介性有關的基本概念電介質的極化電介質的損耗介電薄膜的主要物理性質及測量介電材料的應用簡介導體（純金屬10-8-10-7m， 合金10-7-10-5m ）半導體（10-3-109m）絕緣體（109m）概論1.什么是電介質？ 電介質就是指在電場作用下能建立極化的物質，產生的感應電荷，不會形成漏導電流。（即極化感應電荷被束縛，也稱束縛電荷）。是電的絕緣材料。 在電介質中起主要作用的是束縛著的

2、電荷，在電場的作用下，它們以正，負電荷中心不重合的電極化方式傳遞和記錄電的影響。也即，它們以感應而并非以傳導的方式傳遞電的作用和影響。電介質和導電材料的區(qū)別？概論4.2.2.1 基本概念2.電容 兩個鄰近導體加上電壓后具有儲存電荷的能力的度量。 C(F)=Q(C)/V(V)。 表征的是電容器容納電荷的本領。A為面積，d為極板間距，0真空介電常數：8.8510-12F/m 在平板電容器嵌入電介質，電容 C其中： 為電介質的介電常數 r 為相對（真空的）介電常數對于真空平板電容器，電容 C04.2.2.1 基本概念電介質材料為什么會增加電容？電容增大的原因 ：電介質被極化，表面上出現(xiàn)了極化電荷 （

3、也稱束縛電荷 ）因此可以解釋，插入 介質,電位差U減小，電容C=Q/U增大 在電介質中起主要作用的是束縛電荷.在電場的作用下，它們以正，負電荷重心不重合的電極化方式傳遞和記錄電場的影響。理解：束縛電荷 ，自由電子思考4.2.2.1 基本概念電介質電容、介電常數真空電容 Co=Qo/V os/d電介質電容 CQ/V=r os/d相對介電常數 r = C / C0 介電常數是表征電介質的最基本的參量。是衡量電介質在電場下的極化行為或儲存電荷能力的參數。3. 介電常數用表示，無量綱。4.2.2.1 基本概念 在實際應用中，通常用損耗角正切表示電介質在交變電場下的損耗4. 介電損耗 電介質在電場作用下

4、,電導和部分極化過程會將一部分電能轉變?yōu)槠渌问降哪埽ㄈ鐭崮埽?，即發(fā)生電能的損耗。常將電介質在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介質損耗。 (由電導和極化過程引起) 單位體積的介質損耗功率：4.2.2.1 基本概念5. 電介質的擊穿 - 絕緣強度電介質的擊穿 一般外電場不太強時，電介質只被極化，不影響其絕緣性能。 當其處在很強的外電場中時，電介質分子的正負電荷中心被拉開，甚至脫離約束而成為自由電荷，電介質變?yōu)閷щ姴牧?。當施加在電介質上的電壓增大到一定值時，使電介質失去絕緣性的現(xiàn)象稱為擊穿(breakdown)。 介質擊穿可以分為電擊穿和熱擊穿兩種。擊穿電場強度 E=V/h V擊穿電壓；h 材料厚

5、度擊穿電壓電介質（或電容器）擊穿時兩極板的電壓4.2.2.1 基本概念熱擊穿熱擊穿的本質：處于電場中的介質，由于介質損耗而受熱；當外加電壓足夠高時，散熱和發(fā)熱從平衡狀態(tài)轉入非平衡狀態(tài)，介質的溫度將越來越高，直至出現(xiàn)永久性破壞。4.2.2.1 基本概念電擊穿 固體介質電擊穿的碰撞電離理論： 在強電場作用下，固體導帶中可能因冷或熱發(fā)射存在一些電子，這些電子被加速，獲得動能； 高速電子與晶格振動相互作用，把能量傳遞給晶格； 上述兩個過程在一定溫度和場強下平衡時，固體介質有穩(wěn)定的電導； 當電子從電場中獲得能量大于傳遞給晶格振動能量時，電子動能越來越大； 大到一定值，電子與晶格振動的相互作用導致電離產生

6、新電子，使電子數目迅速增加，電導進入不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生擊穿。載流子數目迅速增加。4.2.2.1 基本概念電壓作用時間：很短電擊穿；較長熱擊穿、 電熱聯(lián)合；很長時間電化學擊穿。電場均勻程度：均勻電場擊穿電壓與厚度成正比；不均勻電場中出現(xiàn)熱擊穿后厚度的增加擊穿電壓增加不大。溫度：環(huán)境溫度越高，散熱越差，熱擊穿電壓越低。電壓種類：沖擊擊穿電壓遠大于工頻擊穿電壓。累積效應：局部損傷積累。受潮：易受潮的極性介質受潮后擊穿電壓大幅降低。機械負荷：出現(xiàn)微觀裂縫后擊穿電壓顯著下降。影響電擊穿的因素4.2.2.1 基本概念4.2.2.2 電介質的極化 極化 polarization 在電場作用下，電介質中束縛著的

7、電荷發(fā)生位移或者極性隨電場方向改變的現(xiàn)象，稱為電介質的極化。 自發(fā)極化 spontaneous polarization 在沒有外電場作用時，晶體中存在著由于電偶極子的有序排列而產生的極化，稱為自發(fā)極化。電偶極矩 電介質在電場作用下的極化程度用極化強度矢量P表示，極化強度P是電介質單位體積內的感生偶極矩，可表示為：極化強度的單位為庫侖/米2 (C/m2)P=limpiVpi 每個分子的電偶極矩電偶極矩 ：=ql（單位：庫侖 米）電偶極矩的方向：負電荷指向正電荷。電偶極矩的方向與外電場的方向一致。介質的極化強度P：P= /V單位介質體積內的電偶極矩總和。或束縛電荷的面密度。 -q+qlE偶極子4

8、.2.2.2 電介質的極化 電介質的極化材料可按其對外電場的響應方式區(qū)分為兩類：導電材料：以電荷長程遷移即傳導的方式對外電場作出響應 導體中的自由電荷在電場作用下定向運動，形成傳導電流。電介質：以感應的方式對外電場作出響應，即沿著電場方向產生電偶極矩或電偶極矩的改變，這類材料稱為電介質，這種現(xiàn)象稱為電介質的極化。 在電介質中，原子、分子或離子中的正負電荷以共價鍵或離子鍵的形式被相互強烈地束縛著，通常稱為束縛電荷。在電場作用下，正、負束縛電荷只能在微觀尺度上作相對位移，不能作定向運動。正負束縛電荷間的相對偏移，產生感應偶極矩。在外電場作用下, 電介質內部感生偶極矩的現(xiàn)象，稱為電介質的極化。4.2

9、.2.2 電介質的極化在電場作用下，電介質的極化是如何產生的？(1) 非極性電介質的情況：正、負電荷中心將發(fā)生移動，形成電偶極子，由此產生束縛電荷。(2)由極性分子組成的電介質，當外加電場時，每個分子受到電場力矩的作用，使各分子電偶極矩有轉向外電場方向的趨勢。4.2.2.2 電介質的極化4.2.2.2 電介質的極化真空平行板電容器 介電材料 電場 電位移 極化強度 金屬板表面的(正的與負的)自由電荷 介電材料表面的束縛電荷 真空介電常數(8.8510-12As/Vm) 相對介電常數 電容Co = Q/V = eoA/dC = eA/der = e /eoDielectric電位移矢量真空電位移

10、材料極化強度極化率相對介電 常數非極化極化介電性質適用于：電機械熱極化4.2.2.2 電介質的極化介質的極化（包括三個部分）電子極化離子極化偶極子轉向極化極化形式（兩種）位移極化是一種彈性的、瞬時完成的極化，不消耗能量電子位移極化、離子位移極化松弛極化這種極化與熱運動有關完成這種極化需要一定的時間并且是非彈性的，因而消耗一定的能量電子松弛極化、離子松弛極化屬這種類型 4.2.2.2 電介質的極化4.2.2.2 電介質的極化電子極化 電子云與原子核的相對位移誘導電偶極子 離子極化 陰、陽離子的相對位移誘導電偶極子 轉向極化 固有電偶極子的指向在外場中轉向空間電荷極化 在絕緣體界面移動載流子形成的

11、極化電子位移極化的定義 在外電場作用下，原子外圍的電子云相對于原子核發(fā)生位移形成的極化。電子位移極化的性質具有一個彈性束縛電荷在強迫振動中所表現(xiàn)出來的特性外加電場時，電子極化的形成過程很快，僅10-1610-14s。電子位移極化率e與原子（離子）半徑的立方成正比，約為10-40 Fm2數量級，小。極化是可逆的，在極化過程中不消耗能量。在交變電場中，電子位移極化的自然振動頻率在光頻范圍，所以電子極化又稱光極化。1. 電子位移極化4.2.2.2 電介質的極化與場強有關；與溫度、頻率無關。4.2.2.2 電介質的極化電子極化電子極化由電子云構成的負電荷中心(-Ze0)在外電場中相對于帶正電的原子荷(

12、+Ze0)的位移引起的電位移誘導偶極子微觀極化率電極化率：原子/分子密度2. 離子位移極化離子在電場作用下偏移平衡位置的移動，相當于形成一個感生偶極矩。與電子位移極化類似，在電場中離子的位移，仍然受到彈性恢復力的限制。 離子位移極化和電子位移極化的表達式一樣，都具有彈性偶極子的極化性質。離子位移極化建立的時間約為10-12-10-13秒。靜態(tài)極化率離子位移極化的自然振動頻率在紅外頻率范圍。4.2.2.2 電介質的極化與場強有關；與頻率無關；隨溫度升高增加。4.2.2.2 電介質的極化離子極化是由離子晶體中陽離子(Q)與陰離子(-Q)的位移引起的電位移誘導偶極子微觀極化率電極化率：原子/分子密度

13、離子電荷Ki描述了晶格的反作用力，Ki取決于晶格參數(離子間距，晶體結構，束縛能.) 離子極化 3. 轉向極化轉向極化主要發(fā)生在極性分子介質中具有恒定偶極矩的分子稱為極性分子無外加電場時，這些極性分子的取向在各個方向的幾率是相等的，因此就介質整體來看，偶極矩等于零當極性分子受到外電場作用時，偶極子發(fā)生轉向，趨于和外加電場方向一致熱運動抵抗這種趨勢，所以體系最后建立一個新的統(tǒng)計平衡在這種狀態(tài)下，沿外場方向取向的偶極子比和它反向的偶極子的數目多，所以介質整體出現(xiàn)宏觀偶極矩。轉向極化一般需要較長時間，約為10-2-10-10秒 4.2.2.2 電介質的極化4.2.2.2 電介質的極化轉向極化電偶極矩

14、pi分子電偶極矩pi電極化強度P平均微觀極化率aor線性近似電極化率cor4. 熱松弛極化極化是電場作用造成，它還與質點的熱運動有關當材料中存在著弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛質點時，熱運動使這些松弛質點分布混亂，而電場力圖使這些質點安電場規(guī)律分布，最后在一定的溫度下發(fā)生極化；這種極化具有統(tǒng)計性質松弛極化離子松弛極化（離子松弛極化隨頻率變化，一般松弛時間長達10-210-5秒。）電子松弛極化（電子松弛極化建立的時間約為10-210-9秒）介電常數隨頻率的升高而降低 （電子、離子）松弛極化在M(G)Hz的無線電頻率下，其松弛極化來不及建立；頻率升高，無松弛極化；只存在（電子、離子）位移極化4.2

15、.2.2 電介質的極化與溫度呈反比；比位移型大；非彈性，耗能。5. 空間電荷極化 空間電荷極化定義在電場作用下，不均勻介質內部的正負間隙離子分別向負、正極移動，引起體系內各點離子密度變化，即出現(xiàn)電偶極矩空間電荷極化常常發(fā)生在不均勻介質中實際上晶界、相界、晶格畸變、雜質等缺陷區(qū)都可以成為自由電荷（間隙離子、空位、等）運動的障礙；在這些障礙處，自由電荷積聚，形成空間電荷極化，所以又稱界面極化宏觀不均勻性，可形成空間電荷極化由于空間電荷的積聚，可形成很高的與外電場方向相反的電場；因此這種極化有時稱為高壓式極化4.2.2.2 電介質的極化空間電荷極化的影響因素空間電荷極化隨溫度升高而下降。因為溫度升高

16、。離子運動加劇，離子擴散容易，因而空間電荷減少。空間電荷的建立需要較長的時間，大約幾秒到數十分鐘，甚至數十小時，因而空間電荷極化只對直流和低頻下的介電性質有影響 4.2.2.2 電介質的極化電子極化離子極化位移極化偶極極化弛豫極化空間電荷極化6. 自發(fā)極化這種極化狀態(tài)并非由外電場引起而是由于晶體的內部結構造成的在這類晶體中，每一個晶胞里存在有固有電矩。這類晶體稱為極性晶體。鐵電體就具有這種特殊的晶體結構鈦、氧離子的位移固有偶極子4.2.2.2 電介質的極化4.2.2.3 電介質的損耗1、介質損耗的表示方法介質損耗的形式 電介質在恒定電場作用下所損耗的能量與通過其內部的電流有關。加上電場后，通過

17、介質的全部電流包括由樣品幾何電容的充電所造成的電流（簡稱電容電流，不損耗能量）由各種介質極化的建立所造成的電流（電流引起的損耗稱為極化損耗）由介質的電導（漏導）造成的電流（電流引起的損耗稱為電導損耗），與自由電荷有關能量損耗：極化弛豫損耗、電導損耗、振動損耗極化損耗主要與極化的馳豫（松弛）過程有關電介質在恒定電場作用下，從建立極化到其穩(wěn)定狀態(tài)，一般來說要經過一定時間建立電子位移極化和離子位移極化，到達其穩(wěn)態(tài)所需時間約為10-16-10-12秒在無線電頻率（51012Hz以下）范圍，仍可認為是極短的，因此這類極化又稱為無慣性極化或瞬時位移極化；這類極化幾乎不產生能量損耗偶極子轉向極化和空間電荷極

18、化，在電場作用下則要經過相當長的時間（10-10秒或更長）才能達到其穩(wěn)態(tài)，所以這類極化稱為有慣性極化或馳豫極化；這種極化損耗能量4.2.2.3 電介質的損耗考慮一個在真空中的容量：C0 0 S/d的平行平板式電容器把交變電壓 UU0 e i t 加在這個電容器上，則在電極上出現(xiàn)電荷Q 0 C0U，并且與外電壓同相位該電容上的電流：I0 i C0 U 它與外電壓相差90度的相位，是一種非損耗性的電流當兩電極間充以非極性的、完全絕緣的材料時，C r C0 ，則電流變?yōu)镮 i C0 U = r I02、復（數）介電常數4.2.2.3 電介質的損耗 如果試樣材料是弱導電性的，或是極性的，或兼有此兩種特

19、性，那么電容器不再是理想的，電流與電壓的相位相差不恰好是90度；這是由于存在一個與電壓相位相同的很小的、來源于電荷運動的電導分量如果這些電荷是自由的，則電導G實際上與外電壓頻率無關如果這些電荷是被符號相反的電荷所束縛，如振動偶極子的情況，則G為頻率的函數V設電導G僅由自由電荷產生，則: G=S/d , 由于電容: C=l S/d則電流密度:j=(il+)E=*E=il*EiCV4.2.2.3 電介質的損耗電流密度 j = （ i + ）U 位移電流密度傳導電流密度 復介電常數定義 j i * E * = i + * = */ i = + /i i / 電導（或損耗）既由自由電荷產生，也由束縛電

20、荷產生；電導率本身就是一個依賴于頻率的復量，所以 * 的實部不是精確地等于 ，虛部也不是精確地等于 / * = */ i = i 其中： ， 是依賴于頻率的量 損耗角 : tg”/由此可知，損耗由復介電常數的虛部”引起。相當于測得的介電常數 （即絕對介電常數。不說明， 系指絕對介電常數） 4.2.2.3 電介質的損耗3.介質馳豫和德拜方程 介質在交變電場中常發(fā)生馳豫（松弛極化）現(xiàn)象在一個實際介質樣品上突然加上一個電場（階躍電場），所產生的極化過程不是瞬時完成的P0代表瞬時建立的極化（位移極化）P1（t）漸漸達到一穩(wěn)定值（P1代表松弛極化） 通常是由松弛極化、偶極子極化和空間電荷極化所致介質馳豫

21、定義 外電場施加或移去后，系統(tǒng)逐漸達到平衡狀態(tài)的過程德拜方程4.2.2.3 電介質的損耗 時間介電弛豫理想電介質實際電介質VQIVQI電荷累積與電流特性極化強度隨時間變化的速率與其最終數值和某時刻實際值之差有以下關系：d(Pt Po)/dt=(PPo) (PtPo)/ PtPo=(PPo) (1e-t/ ) 時間P理想實際PoP德拜公式： r()=+ (0) - /(1+i ) r = + (0) - /(1+ 22) （ r()實部） r = (0) - /(1+ 22) （ r()虛部） tg=r/ r 其中： (0) -低或靜態(tài)的相對介電常數 - 時的相對介電常數德拜研究了電介質的介電常

22、數r、反映介電損耗的r、所加電場的角頻率及松弛時間間的關系。4.2.2.3 電介質的損耗 =1， r最大，大于或小于1 時，r都小，即：松弛時間和所加電場的頻率相比，較大時，偶極子來不及轉向， r就??；松弛時間比所加電場的頻率還要迅速，r也小。4.2.2.3 電介質的損耗4.2.2.3 電介質的損耗4.2.2.3 電介質的損耗4.2.2.3 電介質的損耗損耗的原因：由于共振使電流與電壓同位相。4.2.2.3 電介質的損耗4. 復介電常數與頻率的關系4.2.2.3 電介質的損耗4.2.2.3 電介質的損耗4.2.2.3 電介質的損耗4.2.2.3 電介質的損耗4.2.2.3 電介質的損耗空間電荷

23、極化轉向極化離子極化電子極化色散損耗等效電路微波紅外紫外馳豫空間電荷極化轉向極化共振離子極化電子極化相對介電常數的頻率相關性電子極化轉向極化共振與馳豫 由于隨溫度變化劇烈，因而復介電常數與溫度密切相關。并且嚴格地講，s和也與溫度有關。光頻介電常數是彈性位移極化貢獻的介電常數，可表示為： 設EeE，則上式近似可表示為： 因為e和 i與溫度無關，因此隨溫度變化主要是由于單位體積中極化離子數n0隨溫度變化引起的，即由電介質密度變化引起的。由于材料密度在一定范圍內與溫度成線性關系，且變化不大，因此隨溫度升高略微線性下降。 靜態(tài)介電常數s可表示為：4. 復介電常數與溫度的關系4.2.2.3 電介質的損耗

24、4.2.2.3 電介質的損耗4.2.2.3 電介質的損耗4.2.2.4 電介質的主要性能與測量1. 介電頻譜介電頻譜、溫譜4.2.2.4 電介質的主要性能與測量介電溫譜2. 介電溫譜4.2.2.4 電介質的主要性能與測量4.2.2.4 電介質的主要性能與測量4.2.2.4 電介質的主要性能與測量4.2.2.4 電介質的主要性能與測量4.2.2.4 電介質的主要性能與測量4.2.2.4 電介質的主要性能與測量4.2.2.4 電介質的主要性能與測量4.2.2.4 電介質的主要性能與測量阻抗分析儀阻抗分析儀可以提供很高的測試精度，并實現(xiàn)復雜的測試功能:頻率、直流偏置、交流電壓/電流的掃描功能可以讓您

25、自行確定在哪些測試點上以及如何取得測試數據內置等效電路分析為被測試的器件找出一個由多個器件組成的電路模型彩色 LCD/CRT 顯示器可以同時顯示多組測試曲線和數據先進的校準和補償方式可以顯著降低測量誤差 4294A 精密阻抗分析儀在從40 Hz到 110 MHz的頻率范圍內進行高精度的四端子對阻抗測量，利用基本精度為0.08% 的掃描測量功能，可以對器件特性的極小變化進行精確的測量是對電容器、電感器、諧振器、半導體等元器件以及印刷電路板、環(huán)形鐵芯等材料進行測量的最好的測試儀器，利用各種測量和分析功能提高測試的效率用 42941A 探頭可以進行電路內的器件或接地器件的測量測量參數: |Z|, |

26、Y|, , R, X, G, B, C, L, D, Q4.2.2.4 電介質的主要性能與測量4396B網絡/頻譜/阻抗分析儀(配置4396B的選件 010和 43961A射頻阻抗測試配件)1.8 GHz的三合一分析儀，絲毫不降低性能具有能滿足您未來的測試需求的先進特性:用于脈沖信號分析的時間選通頻譜分析功能，用于快速掃描網絡 / 頻譜 /阻抗分析儀這些組合式的分析儀可以提供經濟實用和節(jié)省時間的選擇方案，無需購買一系列完全獨立的測試設備并花費大量額外的時間把它們組合在一起，您便能獲得一臺具有您所需要的全部功能且操作簡便的組合式測試分析儀。如果您要用這種組合式分析儀進行阻抗測量的話，該阻抗分析儀

27、具有與第4頁所描述的專用阻抗分析儀相同的先進特性。 4395A 網絡 / 頻譜 / 阻抗分析儀 (配置 4395A 的選件 010和43961A射頻阻抗測試配件) 500 MHz三合分析儀，對工作頻率在500 MHz以下 的器件和電路進行測試 具有能滿足您未來的測試需求的先進特性:用于脈沖 信號分析的時間選通頻譜分析功能，用于快速掃描測試的數字分辨率帶寬等適用于研發(fā)環(huán)境的最好的儀器內置IBASIC 功能可選的直流偏置源測量參數: |Z|, |Y|, , , X, G, B, C, L, D, Q4.2.2.4 電介質的主要性能與測量精密 LCR表這一系列的LCR 表專為高精度，易操作的應用場合

28、而設計，既適合研究開發(fā)也適合生產制造。盡管這些LCR 表不具備阻抗分析儀所有優(yōu)越的特性，但是它在一個可接受的價位下，提供了很好的性能。較寬的頻率選擇范圍，從 20Hz到 3GHz。4287A RF LCR表測試低電感系數時的高穩(wěn)定度，和測試Q值時優(yōu)越的精確度 (6% Q = 100,100 MHz), 使得此LCR表適應片上電感測試的要求。配有送料器，GPIB 和 LAN 接口可測量參數: |Z|, |Y|, , R , X, G, B, C, L, D, QE4980A精密 LCR表4.2.2.4 電介質的主要性能與測量4285A精密 LCR表頻率范圍 75 kHz 30 MHz0.1%的基

29、本測試精度選件4285A-001 提供 40 V直流偏置電壓選件4285A-002,42841A和42842C提供最高10 A的直流偏置電流可測量參數: |Z|, |Y|, , R , X, G, B, C, L, D, Q4284A精密 LCR表頻率范圍: 20 Hz 1 MHz0.05% 的基本測試精度4.2.2.4 電介質的主要性能與測量4.2.2.4 電介質的主要性能與測量4.2.2.4 電介質的主要性能與測量主要內容4.2.1 薄膜的導電和電輸運特性4.2.2 薄膜的介電性4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能1880年，J.Curie和P.Curie兄弟首先發(fā)現(xiàn)壓電效應；1920年，V

30、alasek發(fā)現(xiàn)鐵電體；40年代中期，壓電材料開始廣泛應用。60-70年代達成熟階段。4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能對晶體對稱性的研究，法國居里發(fā)現(xiàn)壓電效應。Pierre Curie was born in Paris, on May 15, 1859. Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906 電介質材料壓電材料熱釋電材料鐵電材料32種點群- 20個點群具有壓電性 10個含單一對稱軸，具有自發(fā)極化（熱釋電） 自發(fā)極化能被電場轉向（鐵電）4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能 某些材料在機械力作用下產生變

31、形，會引起表面帶電的現(xiàn)象，而且其表面電荷密度與應力成正比，這稱為正壓電效應。 反之，在某些材料上施加電場，會產生機械形變，而且其應變與電場強度成正比，這稱為逆壓電效應。 正壓電效應和逆壓電效應統(tǒng)稱為壓電效應。 如果施加的是交變電場，材料將隨著交變電場的頻率作伸縮振動。施加的電場強度越強，振動的幅度越大。1、 壓電效應 piezoelectric effect 力形變電壓 正壓電效應電壓形變 逆壓電效應壓電介質機械能電能正壓電效應逆壓電效應4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能Whats “Piezoelectric Effect”CONVERSE PIEZOELECTRIC EFFECTIgnit

32、erMicrophonePressure SensorDIRECT PIEZOELECTRIC EFFECTClockSpeakerActuator壓電效應產生的條件晶體結構沒有對稱中心。壓電體是電介質。其結構必須有帶正負電荷的質點。即壓電體是離子晶體或由離子團組成的分子晶體。晶體內部正負離子的偶極矩在外力的作用下由于晶體的形變而被破壞，導致使晶體的電中性被破壞，從而使其在一些特定的方向上的晶體表面出現(xiàn)剩余電電荷而產生的。4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能（4）壓電材料的壓電常數張量表示的必要性：4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能xzT3 (D1)T2T1T4T6T5(D3 )(D2)yT1T

33、3分別為沿 x、y、z 軸的正應力（或應力分量）， T4T6分別為繞 x、y、z軸的切向應力， D1D3分別是 x、y、z 表面由于壓電效應而產生的電荷面密度。4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能熱釋電效應：指的是極化強度隨溫度改變而表現(xiàn)出的電荷釋放現(xiàn)象，宏觀上是溫度的改變是在材料的兩端出現(xiàn)電壓或產生電流。當溫度改變時，極化強度發(fā)生變化，原先的自由電荷不能再完全屏蔽束縛電荷，于是表面出現(xiàn)自由電荷，他們在附近空間形成電場，對帶電微粒有吸引或者排斥作用。通過與外電路連接，則可在電路中觀測到電流。升溫

34、和降溫兩種情況下電流的方向相反，與鐵電體中的壓電效應相似，熱釋電效應中電荷或電流的出現(xiàn)是由于極化改變后對自由電荷的吸引能力發(fā)生變化，使在相應表面上自由電荷增加或減少。與壓電效應不同的是，熱釋電效應中極化的改變由溫度變化引起，壓電效應中極化的改變則是由應力造成的。2、 熱釋電效應 pyroelectric effect 4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能Principle of a pyroelectric sensor: a temperature increase due to the infrared irradiation (such as human body) - Spontaneo

35、us polarization decrease - Variation in electric charge (or current).其單位為Cm-2 K-1。熱釋電系數符號通常是相對于晶體壓電軸的符號定義的。按照IRE標準的規(guī)定，晶軸的正端沿該軸受張力時出現(xiàn)正電荷的一端。在加熱時，如果靠正端的一面產生正電荷，就定義熱釋電系數為正，反之為負。熱釋電效應的強弱用熱釋電系數來表示。假設整個晶體的溫度均勻的改變了一個小量T，則極化的改變可由下式給出：4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能 在熱釋電晶體中，有若干種點群的晶體不但在某溫度范圍內具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化有

36、兩個或多個可能的取向，在不超過晶體擊穿電場強度的電場作用下，其取向可以隨電場改變，這種特性稱為鐵電性。具有這種性質的晶體成為鐵電體。鐵電體的共同特征：具有電滯回線；具有結構相變溫度（居里點）；具有臨界特性鐵電體重要的特征之一是電滯回線。3、 鐵電性 ferroelectric effect 4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能電疇Ps：飽和極化強度；Pr：剩余極化強度；EC ：矯頑場強。4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能 當晶體從高溫降溫經過Tc時，要經過一個從非鐵電相（有時稱順電相）到鐵電相的結構相變。溫度高于Tc時，晶體不具有鐵電性，溫度低于Tc時，晶體呈現(xiàn)

37、出鐵電性。 通常認為晶體的鐵電結構是由其順電結構經過微小畸變而成，所以鐵電相的晶格對稱性總是低于順電相的對稱性。 如果晶體存在兩個或多個鐵電相時，只有順電-鐵電相變溫度才稱為居里點；晶體從一個鐵電相到另一個鐵電相的轉變溫度稱為相變溫度或過渡溫度。 4、 居里溫度Tc Curie temperature 晶體順電相-鐵電相的臨界轉變溫度Tc稱為居里溫度4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能鐵電體的介電性質、彈性性質、光學性質和熱學性質等在居里點附近都要出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，其中研究的最充分的是“介電反常”。大多數鐵電體的介電常數在居里點附近具有很大的數值，其數量級可達，104-105，此即鐵電體在臨界溫度的

38、“介電反常”。 5. 介電反常：臨界特征居里-外斯定律 Curie-Weiss law當溫度高于居里點時，鐵電體的介電常數與溫度的關系服從居里-外斯定律：式中：C為居里-外斯常數；T為絕對溫度；T0為順電居里溫度，或稱居里-外斯溫度。 4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能一般電介質壓電體熱釋電體鐵電體電場極化電場極化電場極化電場極化無對稱中心無對稱中心無對稱中心自發(fā)極化自發(fā)極化唯一自發(fā)極化方向多個自發(fā)極化方向電滯回線一般電介質、壓電體、熱釋電體、鐵電體存在的宏觀條件4.2.3 鐵電、壓電和熱釋電性能測量方法：電滯回線（鐵電儀）居里溫度（阻抗分析儀）壓電常數（壓電常數測試儀）光探測器接收的光強為經

39、后級處理，所轉換的電壓信號為對于一個固定周期的移，其振幅d0可表示為Phase Transition and Polarization Dynamics by PFMSurface topography (top) and piezoresponse (bottom) of BaTiO3 (100) surface (a,b) before ferroelectric phase transition at 20C (c,d) at 125C (e,f) 4 min after transition at 140C Scale is 30 nm (a,c,e)(a,b) above Curie

40、 temperature at 140C (c,d) during the reverse ferroelectric phase transition at 130C (e,f) after 30 min annealing at 120C Scale is 30 nm (a,c,e). Simultaneous Acquisition of PFM and Potential ImagesSurface topography (left) piezoresponse (central)open-loop SSPM (right) images from a-c domains on the

41、 BaTiO3 (100) surface (top) for a pristine PZT surface (middle) for PZT after switching by 10 V at 2.5 m and -10 V at 1 m. Potential and piezoresponse images are obtained simultaneously.S. Sriram et al. /Micron 40 (2009) 109113d33 :pm/V PSZT thin lmssignal frequencies, from 1 to 4 HzPZT thin film on

42、 Pt/TiOx/SiO2/Si by rf magnetron sputteringPiezoelectric hysteresis loops C. Legrand et al. / Applied Surface Science 253 (2007) 494249462007 J. Phys. D: Appl. Phys. 40 4571(a)Topography(b) PFM image with written polarization lines (c) cross-section of piezoresponse (d) dependence of the halfwidth and piezoresponse maximum signal on poling timeNanoscale polarization patterning of P(VDF-TrFE) copolymer lmsquare polarization patterns V = +30V at vtip = 2.5ms1Initial piezoresponse(b) piezoresponse after 4100 s(c) comparison of the piezoresponseat diff