介電材料及其測(cè)量

介電材料及其測(cè)量第1頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月摘要介電材料的研究背景介電材料的介電性能介電材料的電化學(xué)測(cè)量以后要做的工作第2頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月制備介電材料的相關(guān)背景

介電材料又稱電介質(zhì)，是電的絕緣材料。主要用于制造電容器。要求材料的電阻率高，介電常量大。高介電材料是指介電常數(shù)是大于二氧化硅(k=3.9)的介電材料的泛稱.

概念材料的電介質(zhì)基本特征介電陶瓷制成的電路元器件

是以感應(yīng)而并非傳導(dǎo)的方式傳遞電的作用和影響。電介質(zhì)中束縛著的電荷，在電的作用下以正負(fù)電荷重心不重合的電極化方式傳遞和記錄電的作用和影響。第3頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為什么選擇高介電常數(shù)陶瓷作為電路元器件？日益增長(zhǎng)的信息技術(shù)對(duì)更高集成度，高速，低功耗集成電電路的需求使晶體管的尺寸迅速減小。在動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器中，二進(jìn)制的數(shù)字信息是以電容器所儲(chǔ)存的電荷來(lái)表示的，所以在集成度更高的情況下要保持足夠的電容。電容公式如下,通過(guò)增加?xùn)艠O表面積和降低柵介質(zhì)厚度均可提高柵極電容。而芯片上晶體管的數(shù)目跳躍式增加,這就對(duì)增加?xùn)艠O表面積產(chǎn)生了極大的制約。因此在以往半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中,降低柵介質(zhì)的厚度與采用高k的陶瓷就變成推進(jìn)器件性能提高的首要手段。C=εS/d第4頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為什么選擇高介電常數(shù)陶瓷作為電路元器件？C.電介質(zhì)的厚度小到一定程度后，又會(huì)產(chǎn)生電子的隧道穿透效應(yīng)致使該器件無(wú)法工作，此時(shí)厚度為它的臨界厚度。因此需要一種高k陶瓷作為電路元器件以滿足其集成化要求第5頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月介電材料的介電性能表征材料介電性能的基本參數(shù)介電系數(shù)?介電損耗電導(dǎo)率擊穿強(qiáng)度第6頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月介電系數(shù)介電系數(shù)是電介質(zhì)極化的宏觀特性，其在電場(chǎng)的作用下將產(chǎn)生極化并貯存電荷。電介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)定義為電容器充以電介質(zhì)時(shí)的電容量C與真空時(shí)的電容量C0的比值即εr=C/C0電容器兩極板之間充滿均勻的電介質(zhì)，在外電場(chǎng)的作用下，其內(nèi)部沿著電場(chǎng)方向產(chǎn)生了感應(yīng)電偶極矩，在電場(chǎng)中介質(zhì)的表面出現(xiàn)感應(yīng)電荷，其產(chǎn)生的電場(chǎng)與極板上的自由電荷所形成的電場(chǎng)方向相反，這種由感應(yīng)電荷所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)稱為退極化場(chǎng)。由于在極化過(guò)程中，外加極化電壓未變，極板間的距離不變，為了保持場(chǎng)強(qiáng)不變，必須得到補(bǔ)充電荷，從而引起電荷面密度的改變，以致電容的改變。電子極化離子極化固有電矩的取向極化極化機(jī)制第7頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳統(tǒng)的介電材料:非晶二氧化硅引入高介電系數(shù)材料：比如鈦酸鍶鋇（BST)介電系數(shù)第8頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月是BaTiO3和SrTiO3的固溶體，BaTiO3和SrTiO3是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的高介電系數(shù)的鐵電材料，而B(niǎo)aTiO3－SrTiO3的固溶體將居里溫度由純BaTiO3的130°C左右調(diào)節(jié)到室溫附近，使得材料的介電系數(shù)在工作溫度下最高。其體相材料具有非常大的介電常數(shù)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈦酸鍶鋇

介電系數(shù)第9頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月介電常數(shù)大的晶體所具備的條件是：有比較特殊的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，而且含有尺寸大、電荷小、電子殼層易變形的陰離子（如氧離子）以及尺寸小、電荷大、易產(chǎn)生離子位移極化的陽(yáng)離子（如Ti4+）。在外電場(chǎng)的作用下，這兩類離子通過(guò)晶體內(nèi)附加內(nèi)電場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的極化，因而導(dǎo)致相當(dāng)高的介電常數(shù)。通過(guò)相關(guān)計(jì)算可得出介電系數(shù)第10頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?介電損耗產(chǎn)生原因：如果外加電場(chǎng)不斷地改變，介質(zhì)內(nèi)的極化也就不斷地隨之改變。當(dāng)電場(chǎng)變化的頻率非常高時(shí)，某些極化就會(huì)滯后，表現(xiàn)為介電弛豫現(xiàn)象，介質(zhì)極化這種弛豫過(guò)程在變動(dòng)電場(chǎng)的作用下就會(huì)引起介質(zhì)損耗。下面以平行板電容器為例，說(shuō)明復(fù)介電系數(shù)以及介電損耗的概念由電工學(xué)知識(shí)，我們可以知道一個(gè)理想的平板電容器的兩個(gè)極板之間為真空，改電容器的容量為C0,當(dāng)在其兩個(gè)極板上施加角頻率為ω的正旋交變電壓V=V0exp（iωt）時(shí)，則流過(guò)電容器的電流的相位較之電壓的相位超前900第11頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?介電損耗若在此電容器的兩個(gè)極板之間充滿介電系數(shù)為εr的電介質(zhì)，并假設(shè)該電介質(zhì)為理想電介質(zhì)，則其容量C=εrC0,其電流的相位仍應(yīng)超前電壓900.但是對(duì)于實(shí)際電介質(zhì)來(lái)說(shuō)，電流超前電壓的相位角總是小于900。如圖，此時(shí)可以把實(shí)際電容器的電流I分解為兩個(gè)電流分量I1和I2，CCPRPCSRSδФII1I2V圖充滿電介質(zhì)的電容器的等效電路以及電流和電壓之間的相位關(guān)系第12頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?介電損耗其中,I1的相位角超前于電壓900，這部分電流不損耗功率，稱為無(wú)功電流；I2與電壓同相位，該電流是消耗功率的，稱為有功電流。這兩個(gè)電流分量與電壓之間的關(guān)系可以用下面的式子表示：上式中的g稱為介質(zhì)的電導(dǎo)。這個(gè)電導(dǎo)并不一定代表由載流子遷移而產(chǎn)生的直流電導(dǎo)，而是代表介質(zhì)中存在有損耗機(jī)制，使電容器上的能量部分地消耗為熱的物理過(guò)程。由上面兩式可以得到，通過(guò)實(shí)際電容器的電流：介質(zhì)損耗角的正切值：第13頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?介電損耗由上面兩式可以得到電流密度：式中E為電場(chǎng)強(qiáng)度。第一項(xiàng)稱為位移電流密度，第二項(xiàng)稱為傳導(dǎo)電流密度。令則可定義復(fù)介電常數(shù)，即介電損耗角的正切值可以表示為：第14頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月storageloss?介電損耗引入復(fù)相對(duì)介電系數(shù)如下：第15頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?介電損耗研究介電損耗問(wèn)實(shí)質(zhì)上就是研究能量轉(zhuǎn)換問(wèn)題。介電損耗是指電介質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)，每單位體積中將電能轉(zhuǎn)換為熱能而消耗的能量。因此可以通過(guò)直接計(jì)算在交變電場(chǎng)中的能量損失討論介電損耗。由上述公式可得單位體積電介質(zhì)的損耗功率：可見(jiàn)，介質(zhì)損耗與頻率有關(guān)。式中在外界條件一定時(shí)，它是介質(zhì)本身的特定參數(shù)，所以在一定頻率下減少損耗就得控制的值很小。通常凡是影響介質(zhì)的電導(dǎo)率和極化機(jī)制的因素都影響介質(zhì)損耗。第16頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?介電損耗第17頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月提高電介質(zhì)的絕緣性能主要考慮兩個(gè)方面的因素。一是減少電介質(zhì)單位體積的載流子數(shù)，而是降低載流子的遷移率。對(duì)于固體電介質(zhì)來(lái)說(shuō)，降低載流子的濃度是提高材料的絕緣性的主要手段，實(shí)際工作中主要通過(guò)減少雜質(zhì)和熱缺陷的數(shù)目來(lái)降低載流子的濃度。電導(dǎo)率理想的電介質(zhì)在外電場(chǎng)的作用下是沒(méi)有電流的，但實(shí)際的電介質(zhì)都或多或少的具有一定數(shù)量弱聯(lián)系的帶電質(zhì)點(diǎn)。在外電場(chǎng)的作用下，這些帶電質(zhì)點(diǎn)將會(huì)受到電場(chǎng)力的作用而產(chǎn)生沿著電場(chǎng)方向的定向運(yùn)動(dòng)，從而形成貫穿介質(zhì)的傳導(dǎo)電流，此過(guò)程稱為電介質(zhì)的電導(dǎo)。電介質(zhì)的電導(dǎo)率與載流子的濃度、載流子的遷移率、載流子的電荷有如下關(guān)系：第18頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?lián)舸?qiáng)度如果外加電場(chǎng)增加到足夠強(qiáng)時(shí)，電介質(zhì)的電導(dǎo)就不在服從歐姆定律了。當(dāng)電場(chǎng)增加到某一臨界值是，電導(dǎo)率突然劇增，電介質(zhì)喪失其固有的絕緣性能，變成導(dǎo)體，這時(shí)作為電介質(zhì)的效能已經(jīng)喪失，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿。電介質(zhì)擊穿的形式可以分為三類熱擊穿電擊穿電化學(xué)擊穿影響固體電介質(zhì)擊穿強(qiáng)度的主要結(jié)構(gòu)因素介質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性的影響材料中的氣泡的作用材料的表面狀態(tài)和邊緣電場(chǎng)第19頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月介電材料的電化學(xué)測(cè)量介電材料的電化學(xué)測(cè)量方法很多，根據(jù)不同的需要可以選擇不同的方法，那種方法最合適：取決于本實(shí)驗(yàn)室采用的是agilent4294a儀器。用以測(cè)量平行板電容。樣品制備稱料→球磨→預(yù)燒→二次球磨→壓片→燒結(jié)→鍍銀→測(cè)量第20頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月agilent4294a采用I-V法，大致原理如下：可由測(cè)量的電壓值和電流值計(jì)算被測(cè)阻抗值Zx。電流用已知精確值的低阻值電阻器上的電壓計(jì)算。在實(shí)際測(cè)量中，電阻器R處放置低損耗互感器，以避免低電阻值電阻器在電路中所產(chǎn)生的影響，但該互感器也限制了可應(yīng)用頻率范圍。（40Hz-110MHz）測(cè)量電路從功能上可以分為以下三部分：信號(hào)源部分產(chǎn)生施加到被測(cè)器件的測(cè)試信號(hào)自動(dòng)電橋平衡部分將量程電阻器電流與被測(cè)試器件電流平衡矢量比檢波器部分測(cè)量?jī)蓚€(gè)電壓，模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)量各矢量信號(hào)并經(jīng)過(guò)數(shù)字處理分成為00和900成份。第21頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以等效為測(cè)電容比較常用的簡(jiǎn)單的等效電路（如下圖）為例做簡(jiǎn)單計(jì)算。我們?cè)谶M(jìn)行電化學(xué)測(cè)量時(shí)，為得到介質(zhì)的本征介電常數(shù)和電導(dǎo)率，通常通過(guò)測(cè)量其電容得到，這里會(huì)運(yùn)用到等效電路。常常把電容等效為電阻、電感、電容的復(fù)合電路。等效電路的選擇：先對(duì)未知的電容器進(jìn)行掃頻測(cè)量，觀察頻率響應(yīng)曲線，結(jié)合典型頻率響應(yīng)曲線，選擇最接近被測(cè)曲線的電路模式，計(jì)算其參數(shù)值，在用計(jì)算所得參數(shù)進(jìn)行模擬。如果模擬曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果之間有高的擬合值，則說(shuō)明所選等效電路正確。否則嘗試另一種電路模式lgflg|z|bode圖第22頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月通過(guò)等效電路我們就可以得到電容了，進(jìn)而可得到介電常數(shù)。其實(shí)等效電路是一個(gè)難點(diǎn)，我們要通過(guò)分析選擇合適的等效電路。通過(guò)測(cè)量我們就會(huì)得到很多參數(shù)從而繪制各種阻抗譜（EIS）。比如說(shuō)是介電譜，它可以給出有關(guān)極化機(jī)構(gòu)和晶格振動(dòng)等重要信息，如圖是典型固體電介質(zhì)的介電譜。弛豫共振空間電荷偶極子原子價(jià)電子內(nèi)層電子比如介電常數(shù)對(duì)溫度的函數(shù)關(guān)系（溫度譜）。電介質(zhì)發(fā)生相變或者其他結(jié)構(gòu)的微觀上的變化時(shí)，介電常數(shù)將會(huì)出現(xiàn)異常，一般實(shí)部要出現(xiàn)峰值。在鐵電體轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂婓w的相變點(diǎn)處，實(shí)部往往比室溫時(shí)高出很多。所以科學(xué)研究者通常通過(guò)介電常數(shù)的峰值來(lái)確定鐵電居里點(diǎn)。也可以測(cè)不同壓力下的介電常數(shù)。第23頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月然而電化學(xué)阻抗譜的數(shù)據(jù)處理與解析是一個(gè)