固體物理：第八章 介電性能課件

固體的介電性能

DielectricProperties

ofSolids固體的介電性能

DielectricProperties1介質(zhì)的電極化電極化現(xiàn)象當(dāng)兩極板存在電介質(zhì)時(shí)，極板間的電位差總是比沒(méi)有電介質(zhì)存在時(shí)低；在電介質(zhì)表面出現(xiàn)感應(yīng)電荷，部分屏蔽了自由電荷的靜電場(chǎng)；定義：外電場(chǎng)E0——自由電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)；去極化電場(chǎng)E1——表面束縛電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)；宏觀(guān)電場(chǎng)E——電介質(zhì)體內(nèi)的電場(chǎng)；++++++++++++++--------------Q+Q-V介質(zhì)的電極化電極化現(xiàn)象+++++++2介質(zhì)的電極化極化率與介電系數(shù)極化率：介電系數(shù)：電場(chǎng)E在真空時(shí)的電位移矢量介質(zhì)的電極化極化率與介電系數(shù)電場(chǎng)E在真空時(shí)的電位移矢量3電介質(zhì)極化的微觀(guān)機(jī)理（類(lèi)型）

電介質(zhì)極化的微觀(guān)機(jī)理（類(lèi)型）

4微觀(guān)極化機(jī)制電子的位移極化分子中的電子云發(fā)生畸變，產(chǎn)生感應(yīng)電矩；電子極化率隨電子軌道半徑的增加而迅速增加；電子軌道上電子數(shù)目增加，總極化率增大；負(fù)離子極化率一般比正離子極化率大；極化強(qiáng)度為單位體積內(nèi)的電矩，所以極化不僅取決于感應(yīng)電矩而且取決于單位體積內(nèi)的粒子數(shù)目微觀(guān)極化機(jī)制電子的位移極化5微觀(guān)極化機(jī)制電子位移極化力平衡條件：電偶極矩：電子極化率：微觀(guān)極化機(jī)制電子位移極化6微觀(guān)極化機(jī)制離子的位移極化正負(fù)離子之間的相對(duì)位移產(chǎn)生的感應(yīng)電矩；可以通過(guò)離子之間的相互作用勢(shì)計(jì)算離子極化率；計(jì)算模型：力學(xué)平衡條件：感生電矩：極化率：微觀(guān)極化機(jī)制離子的位移極化7微觀(guān)極化機(jī)制固有電矩的轉(zhuǎn)向極化正電荷中心++H+HO負(fù)電荷中心P微觀(guān)極化機(jī)制固有電矩的轉(zhuǎn)向極化正電荷中心++H+HO負(fù)電荷中8當(dāng)電場(chǎng)E=0，熱運(yùn)動(dòng)0時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全無(wú)序化；電場(chǎng)E0，熱運(yùn)動(dòng)=0（絕對(duì)零度）時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全有序化；當(dāng)電場(chǎng)E0，熱運(yùn)動(dòng)0時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩的排列介于上述兩種情況之間。如果E愈大或溫度愈低，有序化程度就愈高；E愈小，或溫度愈高，有序化程度就愈低。

當(dāng)電場(chǎng)E=0，熱運(yùn)動(dòng)0時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全無(wú)序9微觀(guān)極化機(jī)制固有電矩的轉(zhuǎn)向極化固有電矩在外電場(chǎng)作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向產(chǎn)生極化；固有電矩與分子結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性有關(guān)；取向極化的計(jì)算：微觀(guān)極化機(jī)制固有電矩的轉(zhuǎn)向極化10微觀(guān)極化機(jī)制宏觀(guān)極化率極化強(qiáng)度：宏觀(guān)極化率：對(duì)于稀薄氣體，介電常數(shù)公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合很好；對(duì)于液體和固體，由于原子或分子之間的極化電場(chǎng)的影響，介電系數(shù)公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符；與原子的微觀(guān)狀態(tài)有關(guān)隨溫度變化測(cè)量分子固有電矩微觀(guān)極化機(jī)制宏觀(guān)極化率與原子的微觀(guān)狀態(tài)有關(guān)隨溫度變化測(cè)量分子11變動(dòng)電場(chǎng)中電介質(zhì)的行為復(fù)介電系數(shù)理想電容器：電介質(zhì)電容器：存在一定的損耗V(t)I(t)實(shí)部與靜態(tài)介電系數(shù)相同虛部代表電介質(zhì)損耗的大小I(t)I(t)df變動(dòng)電場(chǎng)中電介質(zhì)的行為復(fù)介電系數(shù)V(t)I(t)實(shí)部與靜態(tài)12變動(dòng)電場(chǎng)中電介質(zhì)的行為電介質(zhì)的極化弛豫：熱力學(xué)定義：一個(gè)處于平衡態(tài)的宏觀(guān)系統(tǒng)，受到外場(chǎng)擾動(dòng)后，從非平衡態(tài)過(guò)渡到平衡態(tài)的過(guò)程；弛豫規(guī)律：外場(chǎng)取消：外場(chǎng)作用：變動(dòng)電場(chǎng)中電介質(zhì)的行為電介質(zhì)的極化弛豫：13變動(dòng)電場(chǎng)中電介質(zhì)的行為德拜弛豫方程介電系數(shù)與頻率的關(guān)系：德拜方程：衰減因子變動(dòng)電場(chǎng)中電介質(zhì)的行為德拜弛豫方程衰減因子14鐵電體剩余極化強(qiáng)度飽和極化強(qiáng)度矯頑場(chǎng)鐵電體剩余極化強(qiáng)度飽和極化強(qiáng)度矯頑場(chǎng)15鐵電體的一般性質(zhì)鐵電體的性質(zhì)鐵電相：晶體的鐵電性通常只存在于一定的溫度范圍，當(dāng)溫度超過(guò)某一特定值時(shí)，自發(fā)極化消失，鐵電體轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂婓w。居里溫度：由鐵電相完全轉(zhuǎn)變?yōu)榉氰F電相時(shí)的臨界溫度；介電系數(shù)：曲線(xiàn)OA在原點(diǎn)附近的斜率；鐵電體的介電系數(shù)在過(guò)渡溫度附近具有很大的值，達(dá)104-105。01)0(01)0()0(1TTCTTC-=?????-+=￥>>￥eeeee鐵電體的一般性質(zhì)鐵電體的性質(zhì)鐵電體的介電系數(shù)在過(guò)渡溫度附近具16鐵電體的一般性質(zhì)鐵電體的分類(lèi)按原子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分類(lèi)：無(wú)序-有序型鐵電體:KH2PO4(KDP)等；位移型鐵電體：BaTiO3,SrTiO3,PbTiO3，LiNbO3等按結(jié)晶化學(xué)分類(lèi)：含氫鍵晶體（結(jié)構(gòu)單元：氧四面體）和雙氧化合物（結(jié)構(gòu)單元：氧八面體）；按極化軸數(shù)目分類(lèi)：?jiǎn)屋S鐵電體和多軸鐵電體；按原型相有無(wú)對(duì)稱(chēng)中心分類(lèi)：按居里-外斯常數(shù)分類(lèi)：鐵電體的一般性質(zhì)鐵電體的分類(lèi)17鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鈣鈦礦型：ABO3B(B’)B(B”)AO氧八面體自發(fā)極化起源：B原子偏離氧八面體中心代表性晶體：BaTiO3KNbO3PbTiO3PbZrxTi1-xO3鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鈣鈦礦型：ABO3B(B’)18鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鈣鈦礦型：ABO3——PZT鐵電相：極化方向不同順電相P4mmAmm2R3mPbZrxTi1-xO3：順電相:m3m鐵電相:x<0.534mmx>0.533m鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鈣鈦礦型：ABO3——PZT19鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鉍層+類(lèi)鈣鈦礦型：An-1Bi2BnO3n+3A:雙鈣鈦礦層(PbNb2O7)2-B:贗PbNbO3層C:鉍層(Bi2O2)2+C:鉍層(Bi2O2)2+鐵電層順電層順電層代表性晶體：SrBi2Ta2O9BaBi4Ti4O15SrBi2Nb2O9PbBi2Nb2O9鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鉍層+類(lèi)鈣鈦礦型：An-1B20鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鈮酸鋰型：ABO3順電相鐵電相AB結(jié)構(gòu)特征：氧八面體以共面密堆，共棱連接；自發(fā)極化起源：A、B沿氧八面體的三重軸方向平移；代表性晶體：LiNbO3居里溫度：1210oC自發(fā)極化強(qiáng)度：0.7C/m2鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鈮酸鋰型：ABO3順電相鐵電21鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鎢青銅型:A1A2CAxB2O6(0.57x0.43)(A1)4(A2)2B10O30(A1)4(A2)2C4B10O30結(jié)構(gòu)特征：氧八面體以共頂點(diǎn)形式沿四重軸堆垛；自發(fā)極化起源：C沿c軸偏離氧八面體中心，A沿c軸方向平移；代表性晶體：BaxSr5-xNb10O30SBN的順電相：4/mmmSBN的鐵電相：4mm鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鎢青銅型:A1A2CAxB222鐵電體的結(jié)構(gòu)含氫鍵鐵電晶體:磷酸二氫鉀(XH2YO4)系列

結(jié)構(gòu)特征：H在兩個(gè)氧四面體之間存在兩個(gè)可能的位置；自發(fā)極化起源：H原子的有序排列，使得X,Y原子沿c軸移動(dòng)；代表性晶體：KDP順電相：I42d鐵電相：Fdd2居里溫度：123K_鐵電體的結(jié)構(gòu)含氫鍵鐵電晶體:磷酸二氫鉀(XH2YO4)系列23鐵電體的結(jié)構(gòu)含氫鍵鐵電晶體:磷酸氫鉀(LHP\LDP)系列結(jié)構(gòu)特征：H在兩個(gè)氧四面體之間存在兩個(gè)可能的位置；自發(fā)極化起源：H原子的有序排列，在ac平面內(nèi)靠近H鍵方向出現(xiàn)電偶極矩；代表性晶體：PbHPO4順電相：P2/c鐵電相：Pc居里溫度：310K鐵電體的結(jié)構(gòu)含氫鍵鐵電晶體:磷酸氫鉀(LHP\LDP)系列結(jié)24鐵電體的結(jié)構(gòu)其它鐵電晶體硫酸三甘肽(TGS)：羅息鹽(RS)：自發(fā)極化可能源于甘氨酸基團(tuán)的有序化，自發(fā)極化方向沿b軸方向；自發(fā)極化主要源于氫氧根H5O5，即H5在O5周?chē)豠軸擇優(yōu)分布，形成沿a軸方向的電偶極矩；鐵電體的結(jié)構(gòu)其它鐵電晶體自發(fā)極化可能源于甘氨酸基團(tuán)的有序化，25鐵電體的結(jié)構(gòu)鐵電聚合物和鐵電液晶鐵電聚合物：聚偏氟乙烯(PVDF)(CH2CF2)n，n>10000非晶相和晶態(tài)相各50%；相：無(wú)極性；、相：微弱極性；相：極性；m2m鐵電液晶：向列相、近晶相、膽甾相垂直于鏈軸沿鏈軸ab面投影FCH絲狀層狀螺旋狀鐵電體的結(jié)構(gòu)鐵電聚合物和鐵電液晶垂直于鏈軸沿鏈軸ab面投影F26目前熱點(diǎn):多鐵材料(multiferroicmaterials)目前熱點(diǎn):多鐵材料(multiferroicm27固體物理：第八章介電性能課件28固體物理：第八章介電性能課件29固體物理：第八章介電性能課件30固體物理：第八章介電性能課件31固體的介電性能

DielectricProperties

ofSolids固體的介電性能

DielectricProperties32介質(zhì)的電極化電極化現(xiàn)象當(dāng)兩極板存在電介質(zhì)時(shí)，極板間的電位差總是比沒(méi)有電介質(zhì)存在時(shí)低；在電介質(zhì)表面出現(xiàn)感應(yīng)電荷，部分屏蔽了自由電荷的靜電場(chǎng)；定義：外電場(chǎng)E0——自由電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)；去極化電場(chǎng)E1——表面束縛電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)；宏觀(guān)電場(chǎng)E——電介質(zhì)體內(nèi)的電場(chǎng)；++++++++++++++--------------Q+Q-V介質(zhì)的電極化電極化現(xiàn)象+++++++33介質(zhì)的電極化極化率與介電系數(shù)極化率：介電系數(shù)：電場(chǎng)E在真空時(shí)的電位移矢量介質(zhì)的電極化極化率與介電系數(shù)電場(chǎng)E在真空時(shí)的電位移矢量34電介質(zhì)極化的微觀(guān)機(jī)理（類(lèi)型）

電介質(zhì)極化的微觀(guān)機(jī)理（類(lèi)型）

35微觀(guān)極化機(jī)制電子的位移極化分子中的電子云發(fā)生畸變，產(chǎn)生感應(yīng)電矩；電子極化率隨電子軌道半徑的增加而迅速增加；電子軌道上電子數(shù)目增加，總極化率增大；負(fù)離子極化率一般比正離子極化率大；極化強(qiáng)度為單位體積內(nèi)的電矩，所以極化不僅取決于感應(yīng)電矩而且取決于單位體積內(nèi)的粒子數(shù)目微觀(guān)極化機(jī)制電子的位移極化36微觀(guān)極化機(jī)制電子位移極化力平衡條件：電偶極矩：電子極化率：微觀(guān)極化機(jī)制電子位移極化37微觀(guān)極化機(jī)制離子的位移極化正負(fù)離子之間的相對(duì)位移產(chǎn)生的感應(yīng)電矩；可以通過(guò)離子之間的相互作用勢(shì)計(jì)算離子極化率；計(jì)算模型：力學(xué)平衡條件：感生電矩：極化率：微觀(guān)極化機(jī)制離子的位移極化38微觀(guān)極化機(jī)制固有電矩的轉(zhuǎn)向極化正電荷中心++H+HO負(fù)電荷中心P微觀(guān)極化機(jī)制固有電矩的轉(zhuǎn)向極化正電荷中心++H+HO負(fù)電荷中39當(dāng)電場(chǎng)E=0，熱運(yùn)動(dòng)0時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全無(wú)序化；電場(chǎng)E0，熱運(yùn)動(dòng)=0（絕對(duì)零度）時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全有序化；當(dāng)電場(chǎng)E0，熱運(yùn)動(dòng)0時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩的排列介于上述兩種情況之間。如果E愈大或溫度愈低，有序化程度就愈高；E愈小，或溫度愈高，有序化程度就愈低。

當(dāng)電場(chǎng)E=0，熱運(yùn)動(dòng)0時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全無(wú)序40微觀(guān)極化機(jī)制固有電矩的轉(zhuǎn)向極化固有電矩在外電場(chǎng)作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向產(chǎn)生極化；固有電矩與分子結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性有關(guān)；取向極化的計(jì)算：微觀(guān)極化機(jī)制固有電矩的轉(zhuǎn)向極化41微觀(guān)極化機(jī)制宏觀(guān)極化率極化強(qiáng)度：宏觀(guān)極化率：對(duì)于稀薄氣體，介電常數(shù)公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合很好；對(duì)于液體和固體，由于原子或分子之間的極化電場(chǎng)的影響，介電系數(shù)公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符；與原子的微觀(guān)狀態(tài)有關(guān)隨溫度變化測(cè)量分子固有電矩微觀(guān)極化機(jī)制宏觀(guān)極化率與原子的微觀(guān)狀態(tài)有關(guān)隨溫度變化測(cè)量分子42變動(dòng)電場(chǎng)中電介質(zhì)的行為復(fù)介電系數(shù)理想電容器：電介質(zhì)電容器：存在一定的損耗V(t)I(t)實(shí)部與靜態(tài)介電系數(shù)相同虛部代表電介質(zhì)損耗的大小I(t)I(t)df變動(dòng)電場(chǎng)中電介質(zhì)的行為復(fù)介電系數(shù)V(t)I(t)實(shí)部與靜態(tài)43變動(dòng)電場(chǎng)中電介質(zhì)的行為電介質(zhì)的極化弛豫：熱力學(xué)定義：一個(gè)處于平衡態(tài)的宏觀(guān)系統(tǒng)，受到外場(chǎng)擾動(dòng)后，從非平衡態(tài)過(guò)渡到平衡態(tài)的過(guò)程；弛豫規(guī)律：外場(chǎng)取消：外場(chǎng)作用：變動(dòng)電場(chǎng)中電介質(zhì)的行為電介質(zhì)的極化弛豫：44變動(dòng)電場(chǎng)中電介質(zhì)的行為德拜弛豫方程介電系數(shù)與頻率的關(guān)系：德拜方程：衰減因子變動(dòng)電場(chǎng)中電介質(zhì)的行為德拜弛豫方程衰減因子45鐵電體剩余極化強(qiáng)度飽和極化強(qiáng)度矯頑場(chǎng)鐵電體剩余極化強(qiáng)度飽和極化強(qiáng)度矯頑場(chǎng)46鐵電體的一般性質(zhì)鐵電體的性質(zhì)鐵電相：晶體的鐵電性通常只存在于一定的溫度范圍，當(dāng)溫度超過(guò)某一特定值時(shí)，自發(fā)極化消失，鐵電體轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂婓w。居里溫度：由鐵電相完全轉(zhuǎn)變?yōu)榉氰F電相時(shí)的臨界溫度；介電系數(shù)：曲線(xiàn)OA在原點(diǎn)附近的斜率；鐵電體的介電系數(shù)在過(guò)渡溫度附近具有很大的值，達(dá)104-105。01)0(01)0()0(1TTCTTC-=?????-+=￥>>￥eeeee鐵電體的一般性質(zhì)鐵電體的性質(zhì)鐵電體的介電系數(shù)在過(guò)渡溫度附近具47鐵電體的一般性質(zhì)鐵電體的分類(lèi)按原子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分類(lèi)：無(wú)序-有序型鐵電體:KH2PO4(KDP)等；位移型鐵電體：BaTiO3,SrTiO3,PbTiO3，LiNbO3等按結(jié)晶化學(xué)分類(lèi)：含氫鍵晶體（結(jié)構(gòu)單元：氧四面體）和雙氧化合物（結(jié)構(gòu)單元：氧八面體）；按極化軸數(shù)目分類(lèi)：?jiǎn)屋S鐵電體和多軸鐵電體；按原型相有無(wú)對(duì)稱(chēng)中心分類(lèi)：按居里-外斯常數(shù)分類(lèi)：鐵電體的一般性質(zhì)鐵電體的分類(lèi)48鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鈣鈦礦型：ABO3B(B’)B(B”)AO氧八面體自發(fā)極化起源：B原子偏離氧八面體中心代表性晶體：BaTiO3KNbO3PbTiO3PbZrxTi1-xO3鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鈣鈦礦型：ABO3B(B’)49鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鈣鈦礦型：ABO3——PZT鐵電相：極化方向不同順電相P4mmAmm2R3mPbZrxTi1-xO3：順電相:m3m鐵電相:x<0.534mmx>0.533m鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鈣鈦礦型：ABO3——PZT50鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鉍層+類(lèi)鈣鈦礦型：An-1Bi2BnO3n+3A:雙鈣鈦礦層(PbNb2O7)2-B:贗PbNbO3層C:鉍層(Bi2O2)2+C:鉍層(Bi2O2)2+鐵電層順電層順電層代表性晶體：SrBi2Ta2O9BaBi4Ti4O15SrBi2Nb2O9PbBi2Nb2O9鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鉍層+類(lèi)鈣鈦礦型：An-1B51鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鈮酸鋰型：ABO3順電相鐵電相AB結(jié)構(gòu)特征：氧八面體以共面密堆，共棱連接；自發(fā)極化起源：A、B沿氧八面體的三重軸方向平移；代表性晶體：LiNbO3居里溫度：1210oC自發(fā)極化強(qiáng)度：0.7C/m2鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鈮酸鋰型：ABO3順電相鐵電52鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鎢青銅型:A1A2CAxB2O6(0.57x0.43)(A1)4(A2)2B10O30(A1)4(A2)2C4B10O30結(jié)構(gòu)特征：氧八面體以共頂點(diǎn)形式沿四重軸堆垛；自發(fā)極化起源：C沿c軸偏離氧八面體中心，A沿c軸方向平移；代表性晶體：BaxSr5-xNb10O30SBN的順電相：4/mmmSBN的鐵電相：4mm鐵電體的結(jié)構(gòu)含氧八面體鐵電晶體:鎢青銅型:A1A2CAxB253鐵電體的結(jié)構(gòu)含氫鍵鐵電晶體:磷酸二氫鉀(XH2YO4)系列

結(jié)構(gòu)特征：H在兩個(gè)