材料物理-材料的介電性能課件

材料的介電性能材料的介電性能材料的所有性能，都取決于原子和電子的排布狀態(tài)。如果外界環(huán)境波動得足夠劇烈，會擾動材料內部原子或者電子的排布。1、施加電壓，導電材料內部的電子會發(fā)生定向遷移。問題的引入材料的所有性能，都取決于原子和電子的排布狀態(tài)。如果外界環(huán)境波施加電壓，導電材料內部的電子會發(fā)生定向遷移問題的引入施加電壓，導電材料內部的電子會發(fā)生定向遷移問題的引入施加拉應力，材料會發(fā)生塑性變形或者斷裂問題的引入施加拉應力，材料會發(fā)生塑性變形或者斷裂問題的引入●電阻率

導體：ρ＜10-3Ωcm例如：ρCu~10-6Ωcm

半導體：10-2Ωcm＜ρ＜109ΩcmρGe=0.2Ωcm

絕緣體：ρ＞109Ωcm問題的引入●電阻率問題的引入如果給絕緣體施加電場，絕緣體內部的電子會不會重新排布？問題的引入如果施加的壓力（應變場）或者溫度（溫度場）呢？如果給絕緣體施加電場，絕緣體內部的電子會不會重新排布？問題的1、介電材料在電場中的極化2、介電材料在其它環(huán)境中的極化3、極化機制4、介電材料的應用1、介電材料在電場中的極化1、介電材料在電場中的極化介電材料（dielectricmaterial）從英文詞意，di-有二的意思，可以理解為在外加條件下，具有兩個電荷中心的材料。當然，除了外加電場外，溫度場、應力場都會導致電荷中心一分為二-----極化。1、介電材料在電場中的極化介電材料（dielectricm2、介電材料在其它環(huán)境中的極化應變場中的極化------壓電效應采用直徑為2.5毫米，高度為4毫米的壓電陶瓷，就可得到10～20千伏的高電壓。2、介電材料在其它環(huán)境中的極化應變場中的極化------壓電2、介電材料在其它環(huán)境中的極化在完全黑暗的環(huán)境中，將一塊干燥的冰糖用榔頭敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬間，發(fā)出暗淡的藍色閃光，這是強電場放電所產生的閃光，產生閃光的機理是晶體的壓電效應應變場中的極化------壓電效應2、介電材料在其它環(huán)境中的極化在完全黑暗的環(huán)境中，將一塊干燥2、介電材料在其它環(huán)境中的極化壓電效應：某些電介質，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，內部就產生極化現象，同時在它的一定表面上產生電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。FF＋＋＋＋＋＋－－－－－－應變場中的極化------壓電效應2、介電材料在其它環(huán)境中的極化壓電效應：某些電介質，當沿著一2、介電材料在其它環(huán)境中的極化逆壓電效應：當在電介質的極化方向施加電場，這些電介質就在一定方向上產生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失的現象。電能機械能正壓電效應逆壓電效應應變場中的極化------壓電效應2、介電材料在其它環(huán)境中的極化逆壓電效應：當在電介質的極化方2、介電材料在其它環(huán)境中的極化應變場中的極化------壓電效應2、介電材料在其它環(huán)境中的極化應變場中的極化------壓電2、介電材料在其它環(huán)境中的極化電荷對稱分布應變場中的極化------壓電效應2、介電材料在其它環(huán)境中的極化電荷對稱分布應變場中的極化--2、介電材料在其它環(huán)境中的極化電荷分布不對稱應變場中的極化------壓電效應2、介電材料在其它環(huán)境中的極化電荷分布不對稱應變場中的極化-2、介電材料在其它環(huán)境中的極化應變場中的極化------壓電效應2、介電材料在其它環(huán)境中的極化應變場中的極化------壓電2、介電材料在其它環(huán)境中的極化溫度場中的極化------熱電效應2、介電材料在其它環(huán)境中的極化溫度場中的極化------熱電有極分子（Polarmolecule）在無外場作用下存在固有電矩例如，H2OHclCOSO2

因無序排列對外不呈現電性。電子云的正電中心電介質+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–無外場時，電偶極子雜亂無章的排列+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–外場存在時，電偶極子沿外場排列+–+–+––+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–極化面電荷取向極化有極分子（Polarmolecule）電子云的電介質+–+3、極化機制電子位移極化無極分子（Nonpolarmolecule）在無外場作用下整個分子無電矩。例如，CO2H2N2O2He無極分子，正負電荷中心重合在外場的作用下，二者分離，形成電偶極子–––––+++++–––––+++++–––––+++++++++––––+–極化面電荷束縛電荷3、極化機制電子位移極化無極分子（Nonpolarmole3、極化機制離子位移極化離子在電場作用下偏移平衡位置的移動;也可以理解為離子晶體在電場作用下離子間的鍵合被拉長,例如堿鹵化物晶體就是如此。由于離子質量遠高于電子質量,因此極化建立的時間也較電子慢,大約為10-12～10-13

s。3、極化機制離子位移極化離子在電場作用下偏移平衡位置的移動;3、極化機制電子弛豫極化由于晶格的熱振動、晶格缺陷、雜質引入、化學成分局部改變等因素。使得在局部范圍內出現導帶，這樣一來，電子可在局部范圍內發(fā)生遷移。帶隙空帶非導體3、極化機制電子弛豫極化由于晶格的熱振動、晶格缺陷、雜質引入3、極化機制離子弛豫極化在完整離子晶體中,離子處于正常結點,能量最低最穩(wěn)定,它們在極化狀態(tài)時,只能產生彈性位移,離子仍處于平衡位置附近。而在玻璃態(tài)物質中,結構松散的離子晶體或晶體中的雜質或缺陷區(qū)域,離子自身能量較高,易于活化遷移,可以從一平衡位置移動到另一平衡位置。3、極化機制離子弛豫極化在完整離子晶體中,離子處于正常結點3、極化機制空間電荷極化對金屬來說，電子被所以原子個共有，所以溶質原子、晶界等缺陷不會引起凈電荷。對于離子晶體，各種缺陷會引起局部區(qū)域的凈電荷。3、極化機制空間電荷極化對金屬來說，電子被所以原子個共有，所3、極化機制空間電荷極化離子晶體的晶界、位錯等缺陷處存在空間電荷。這些混亂分布的空間電荷,在外電場作用下,趨向于有序化,即荷空間電荷的正、負電荷質點分別向外電場的負、正極方向移動,從而表現為極化。3、極化機制空間電荷極化離子晶體的晶界、位錯等缺陷處存在空間電子極化最靈敏，只要稍有風吹草動，就會做出響應電子極化最靈敏，只要稍有風吹草動，就會做出響應3、極化機制極化得太過分—電介質擊穿在強電場作用下，電介質喪失電絕緣能力，電介質的電導突然增大甚至引起結構損壞或破碎，稱為介電擊穿。①熱擊穿②電擊穿③化學擊穿3、極化機制極化得太過分—電介質擊穿在強電場作用下，電介質喪3、極化機制①熱擊穿在電場作用下，固體電介質承受的電場強度雖不足以發(fā)生電擊穿，但因電介質內部熱量積累、溫度過高而導致失去絕緣能力。感應電荷會發(fā)生流動而消失。帶隙空帶絕緣體3、極化機制①熱擊穿在電場作用下，固體電介質承受的電場強度雖②電擊穿如果電子在散射過程損失的能量，小于電場做的功。電子的能量積累起相當大的動能，足以在電介質內部產生碰撞電離，形成電子雪崩現象。結果電導急劇上升，最后導致?lián)舸?。eeeeeee3、極化機制②電擊穿如果電子在散射過程損失的能量，小于電場做的功。eee③化學擊穿在電場、溫度等因素作用下，固體電介質因緩慢的電化學反應，改變了電介質的組成。

固體電介質因離子電導而發(fā)生電解（離子化合物電解得到金屬），結果在電極附近形成導電的金屬樹狀物，甚至從一個電極伸展到另一個電極。結果在兩電極間構成導電的通路3、極化機制③化學擊穿在電場、溫度等因素作用下，固體電介質因緩慢的電化學提高擊穿電壓措施提高電介質材料的均勻性，使電場分布更為均勻。以免出現局部電壓過高的情況。3、極化機制提高擊穿電壓措施提高電介質材料的均勻性，使電場分布更為均勻。4、介電材料的應用A、電容材料B、壓電材料C、熱電材料D、鐵電材料4、介電材料的應用A、電容材料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、介電材料的應用電介質材料壓電材料熱釋電材料鐵電材料32種點群-4、介電材料A、電容材料I、存儲電能電池供電穩(wěn)定，但是功率密度（爆發(fā)力）太小。所以在閃光燈中，需要利用電容來存儲能量。電容雖然爆發(fā)力很強，但是持續(xù)時間短，一閃而過。A、電容材料I、存儲電能電池供電穩(wěn)定，但是功率密度（爆發(fā)力）A、電容材料I、存儲電能A、電容材料I、存儲電能A、電容材料I、存儲電能A、電容材料I、存儲電能A、電容材料I、存儲電能小型超級電容器

各種微處理機

玩具車

閃光燈

電動手工具大型超級電容器

各種交通工具電網UPS醫(yī)院手術室核反應堆控制防護設備航空通訊設備無線電通訊系統(tǒng)電力高壓開關的分合閘操作電阻焊機及科研測試設備等A、電容材料I、存儲電能小型超級電容器各種微處A、電容材料I、存儲電能根據存儲電荷的機理,超級電容器分為：A、雙電層電容器(ElectricalDoubleLayerCapacitor,EDLC)。雙電層電容器利用電極材料和電解質界面形成的電荷分離存儲電荷。B、準電容器(Pseudocapacitor贗電容器)。利用電化學活性物質的吸脫附或電化學氧化還原反應來存儲電荷。A、電容材料I、存儲電能根據存儲電荷的機理,超級電容器分為：A、電容材料I、存儲電能制備高性能的超級電容器有2個途徑:

A、是增大電極材料比表面積,從而增大雙電層電容量;

B、是提高電極材料的可逆法拉第反應的機率,從而提高準電容容量。

實際應用中,這2種儲能機理往往同時存在。

A、電容材料I、存儲電能制備高性能的超級電容器有2個途徑:

A、電容材料I、存儲電能碳素材料原理以雙電層為主種類活性炭（AC）；活性炭纖維（CFA）；碳納米管（CNTs）；炭氣凝膠（CAGs）；石墨等優(yōu)點原料豐富價格低廉；比表面大；導電性好；化學穩(wěn)定性高缺點比電容相對較??；能量密度不高研究熱點活化活性炭（物理/化學）；碳材料的分散高度有序的碳納米管陣列；修飾石墨烯；復合材料：如CNT與金屬氧化物、導電聚合物、石墨烯的復合材料A、電容材料I、存儲電能碳素材料原理以雙電層為主種類活性炭（A、電容材料I、存儲電能金屬氧化物材料原理以法拉第電容為主：離子的吸附/脫吸附和插入/脫出種類貴金屬氧化物（RhO、IrO）；賤金屬氧化物（Co3O4、NiO/NiOH、MnO2、V2O5等）優(yōu)點高的比電容（是碳材料的10~100倍）；穩(wěn)定性好缺點結構致密，導電性能差；電勢窗口太窄研究熱點通過不同的制備方法（如PLD）得到納米化的結構，如已制備了納米棒、納米片納米環(huán)、分級多孔納米花、中空納米球等，主要為了增大表面積，同時有利于離子的傳輸；復合材料A、電容材料I、存儲電能金屬氧化物材料原理以法拉第電容為主：A、電容材料ε：介質介電常數s：極板面積δ：極板間距離εδs

也可以通過減小極板間距來增加電容。II、傳感器A、電容材料ε：介質介電常數εδs也可以通過減小極板間距A、電容材料II、傳感器變極距型(變間距型)電容傳感器A、電容材料II、傳感器變極距型(變間距型)電容傳感器A、電容材料II、傳感器A、電容材料II、傳感器A、電容材料II、傳感器A、電容材料II、傳感器A、電容材料II、傳感器A、電容材料II、傳感器B、壓電材料應變場中的極化------壓電效應B、壓電材料應變場中的極化------壓電效應將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據存儲在計算機內部的檔案數據，判定汽車的車型。高分子壓電電纜的應用演示B、壓電材料將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設于柏油B、壓電材料B、壓電材料B、壓電材料B、壓電材料B、壓電材料利用逆壓電效應將高頻交流電轉變?yōu)楦哳l聲波B、壓電材料利用逆壓電效應B、壓電材料壓電引爆裝置：壓電打火機的點火原理可應用于各個領域，特別是軍事領域。在反坦克炮彈上裝上壓電陶瓷元件，當炮彈擊中坦克時，陶瓷因受壓而產生高電壓，從而引燃炸藥，摧毀坦克。壓電陶瓷在非常強的機械沖擊波的作用下，儲存的能量在以微秒計的瞬間釋放出來，產生瞬間電流達10萬安培以上的高壓脈沖，可用于原子武器的引爆。B、壓電材料壓電引爆裝置：壓電打火機的點火原理可應用于各個領納米發(fā)電機創(chuàng)始人（王中林）1961年王中林出生于陜西省蒲城縣高陽鎮(zhèn)，王中林的初中和高中就是在這種大背景下度過的，三分之一的時間都在田里泡著，畢業(yè)于堯山中學。進入大學校門的第一天，他就暗暗給自己定下一條標準，本科每門課程不能低于90分。B、壓電材料----納米發(fā)電機納米發(fā)電機創(chuàng)始人1961年王中林出生于陜西省蒲城縣高陽鎮(zhèn)，王ZnOZnO納米線B、壓電材料----納米發(fā)電機ZnOZnO納米線B、壓電材料----納米發(fā)電機氣相沉積法制作納米線1、利用熱蒸發(fā)的方式，獲得ZnO蒸汽2、在金納米顆粒的催化下，ZnO納米線沿垂直方向生長B、壓電材料----納米發(fā)電機氣相沉積法制作納米線1、利用熱蒸發(fā)的方式，獲得ZnO蒸汽B、氣相沉積工藝中，通過調節(jié)反應條件，例如溫度、氣流速度、壓強等方式可以調控納米線的形貌。700度750度800度850度B、壓電材料----納米發(fā)電機氣相沉積工藝中，通過調節(jié)反應條件，例如溫度、氣流速度、壓強等材料物理-材料的介電性能課件C、熱電材料Seebeck效應：1823年，德國人Seebeck首先發(fā)現當兩種不同導體構成閉合回路時，如果兩個接點的溫度不同，則兩接點間有電動勢產生，且在回路中有電流通過，即溫差電現象或Seebeck效應。I、熱電效應C、熱電材料Seebeck效應：1823年，德國人SeebeC、熱電材料I、熱電效應Pettier效應：1834年，法國鐘表匠Pletier發(fā)現了Seebeck效應的逆效應，即電流通過兩個不同導體形成的接點時，接點處會發(fā)生放熱或吸熱現象，稱為Peltier效應。C、熱電材料I、熱電效應Pettier效應：1834年，法國C、熱電材料II、研究現狀C、熱電材料II、研究現狀C、熱電材料II、研究現狀C、熱電材料II、研究現狀C、熱電材料II、研究現狀增強熱電材料的熱電性能的有效方式是降低其晶格熱導率。所以在實際的實驗中往往會在材料中引入納米尺度孔洞，增強聲子散射，達到降低晶格熱導率的目的。電導率溫差熱導率空洞不能太多，也不能太少C、熱電材料II、研究現狀增強熱電材料的熱電性能的有效方式是C、熱電材料II、研究現狀不同空隙率下的熱導率C、熱電材料II、研究現狀不同空隙率下的熱導率C、熱電材料II、研究現狀不同空隙率下的應力應變曲線C、熱電材料II、研究現狀不同空隙率下的應力應變曲線C、熱電材料熱電致冷：體積小重量輕結構簡單堅固耐用無需運動部件無磨損無噪音III、應用C、熱電材料熱電致冷：III、應用C、熱電材料III、應用C、熱電材料III、應用C、熱電材料美國、德國、日本、韓國等汽車公司（GM、BMW、HONDA、大眾、現代等）正在開展相關研發(fā)工作，可節(jié)省油耗5%；國內相關研究剛剛起步（上汽）利用燃燒熱、地熱、體表溫差等熱源，為野外作業(yè)、偏遠山區(qū)、小型電器、植入式醫(yī)療器械等提供電能III、應用C、熱電材料美國、德國、日本、韓國等汽車公司（GM、BMC、熱電材料熱電偶的工作原理熱電極A自由端（參考端、冷端）

測量（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢ABIII、應用C、熱電材料熱電偶的工作原理熱電極A自由端（參考端、冷端）D、鐵電材料鐵電材料：具有自發(fā)極化，而且在一定溫度范圍內，自發(fā)極化偶極矩能隨外施電場的方向而改變。推遲到磁性材料部分講解D、鐵電材料鐵電材料：具有自發(fā)極化，而且在一定推遲到磁性材D、鐵電材料自發(fā)極化不是由外加引起的，它是由晶體的內部結構造成的。在此類晶體中，每個晶胞里存在固有電矩，此類晶體稱為極性晶體。自發(fā)極化現象通常發(fā)生在一些具有特殊結構的晶體中。I、自發(fā)極化與鐵電疇D、鐵電材料自發(fā)極化不是由外加引起的，它是由晶體的內部結構造D、鐵電材料對于晶體：由于晶格的限制，取向無法隨機分布。所以在局部區(qū)域內形成鐵電疇。I、自發(fā)極化與鐵電疇鐵電疇D、鐵電材料對于晶體：由于晶格的限制，取向無法隨機分布。所以D、鐵電材料I、自發(fā)極化與鐵電疇對于BaTiO3，130℃以上，為立方結構。當溫度低于130℃以后，Ba原子可以沿a（也可以是b或c）方向移動（極化）。在一個單晶內部，疇壁之間的夾角是固定的，只會出現～90°和～180°兩種情況。D、鐵電材料I、自發(fā)極化與鐵電疇對于BaTiO3，130℃以D、鐵電材料I、自發(fā)極化與鐵電疇D、鐵電材料I、自發(fā)極化與鐵電疇D、鐵電材料I、自發(fā)極化與鐵電疇例如：對于BaTiO3，當兩個電疇為180°時。施加電場，橫向長大機制較弱。以在反向疇中形成新疇為主。D、鐵電材料I、自發(fā)極化與鐵電疇例如：對于BaTiO3，當兩D、鐵電材料I、自發(fā)極化與鐵電疇電疇的觀測：電子顯微鏡TEM原子力顯微鏡AFM液晶法化學腐蝕法粉末沉淀法X射線形貌術光的雙折射D、鐵電材料I、自發(fā)極化與鐵電疇電疇的觀測：D、鐵電材料I、自發(fā)極化與鐵電疇180°疇90°疇納米薄膜中的電疇的AFM照片D、鐵電材料I、自發(fā)極化與鐵電疇180°疇90°疇納米薄膜中D、鐵電材料鐵電材料（外部電場與內部電場的滯后效應）鐵電材料并不一定含鐵，而是由于其電滯回線和鐵磁材料的磁滯回線相似。I、自發(fā)極化與鐵電疇D、鐵電材料鐵電材料（外部電場與內部電場的滯后效應）I、自發(fā)D、鐵電材料D、鐵電材料特性一臨界溫度，即居里溫度(Tc)。溫度低于Tc時，鐵電體才表現鐵電性，而溫度高于Tc，鐵電體進入順電相，極化消失。高的居里溫度，可以使得鐵電材料及其器件的處理和應用溫度范圍變得更寬。D、鐵電材料II、鐵電材料的特性BaTiO3居里溫度替換濃度特性一D、