電介質(zhì)功能材料介電材料鐵電材料壓電材料敏感電介質(zhì)材料電功能材料電導(dǎo)體功能材料導(dǎo)電材料快離子導(dǎo)體電阻材料超導(dǎo)電體介電材料本章前幾節(jié)中討論的電現(xiàn)象都是以材料中存在的電子、離子和空穴等載流子在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生長(zhǎng)程遷移而形成的。與此不同，存在另一類材料，即所謂的介電材料，它們是絕緣體，并不存在其中載流子在電場(chǎng)作用下的長(zhǎng)程遷移，但仍然有電現(xiàn)象。這種電現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因?yàn)椴牧现幸泊嬖诤呻娏Ｗ樱M管這些荷電粒子被束縛在固定的位置上，但可以發(fā)生微小移動(dòng)。這種微小移動(dòng)起因于材料中束縛的電荷，在電場(chǎng)作用下，正負(fù)束縛的電荷重心不再重合，從而引起電極化，如此將電荷作用傳遞開(kāi)來(lái)。

可以說(shuō)，介電材料的電學(xué)性質(zhì)是通過(guò)外界作用，其中包括電場(chǎng)、應(yīng)力、溫度等來(lái)實(shí)現(xiàn)的，相應(yīng)形成介電晶體、壓電晶體、熱釋電晶體和鐵電晶體，并且依次后者屬于前者的大類，其共性是在外力作用下產(chǎn)生極化。這幾類材料的屬于關(guān)系如圖4.20所示。第三章介電材料（電介質(zhì)）dielectricmaterials又稱電介質(zhì)，是以電極化為特征的材料，是電的絕緣材料。分類：可分氣體、液體、固體三大類。氣體：天然電介質(zhì)：空氣非極性電介質(zhì)：N2,He,O2,H2,CH4等極性電介質(zhì)：HCl,NO液體：非極性：苯，CCl4弱極性：二甲苯，汽油，煤油，變壓器油極性：乙醇，水固體：非極性：金剛石、硫磺，聚四氟乙烯PTFE極性：晶體，聚氯乙烯用途：主要用于制造電容器主要用途介電材料具有很高的電阻系數(shù)，主要的應(yīng)用是作為電的絕緣體與電容器。絕緣體：用來(lái)隔絕電荷在電路中的傳導(dǎo)，如高壓輸電方面用的陶瓷礙子（bell）電容器：用來(lái)儲(chǔ)存從電路中接收到的電荷的電子元件。MarketimpactofFE“SmartCards”地鐵票、行李標(biāo)簽、免接觸的信用卡等1極化polarization

在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中束縛著的電荷發(fā)生位移或者極性按電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，稱為電介質(zhì)的極化。2自發(fā)極化spontaneouspolarization

在沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí)，晶體中存在著由于電偶極子的有序排列而產(chǎn)生的極化，稱為自發(fā)極化。在垂直于極化軸的表面上，單位面積的自發(fā)極化電荷量稱為自發(fā)極化強(qiáng)度。單位面積的極化電荷量稱為極化強(qiáng)度，它是一個(gè)矢量，用P表示，其單位為C/m2。3介電常數(shù)dielectricconstant表征材料極化并儲(chǔ)存電荷能力的物理量稱為介電常數(shù)，用ε表示，無(wú)量綱。介電材料的特征值電極化：在電場(chǎng)作用下分子中正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生電偶極矩的現(xiàn)象1.分子極化率α在電場(chǎng)作用下，介電材料產(chǎn)生電偶極矩μ電場(chǎng)E

電介質(zhì)的極化有3種主要基本過(guò)程，即:材料中原子核外電子云畸變產(chǎn)生的電子極化；分子中正、負(fù)離子相對(duì)位移造成的離子極化;分子固有電矩在外電場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向極化。

1．電極化現(xiàn)象

介電材料本身不荷電荷，但將其置于電場(chǎng)中，在其體積內(nèi)部和表面會(huì)感應(yīng)出一定量的電荷。這種現(xiàn)象稱作電極化現(xiàn)象。這種極化現(xiàn)象可以分為4類，如圖4.21所示。

電子極化

任何材料都是由原子和分子或離子構(gòu)成的。原子可以看作是由荷正電荷原子實(shí)和其外荷負(fù)電的電子云所構(gòu)成的。無(wú)電場(chǎng)時(shí)，原子時(shí)的正電重心和電子云的負(fù)電重心是重合在一起的。在電場(chǎng)存在時(shí)，正電重心和負(fù)電重心發(fā)生輕微錯(cuò)位，形成的極化稱作電子極化。偶極子極化

由偶極分子結(jié)合成的共價(jià)化合物，偶極子在無(wú)電場(chǎng)時(shí)是隨機(jī)取向的，但在電場(chǎng)作用下，偶極子沿電場(chǎng)方向取向，產(chǎn)生的電極化稱作偶極極化。離子極化

離子化合物是由正負(fù)離子按照一定堆積方式形成的，正負(fù)離子之間依靠靜電引力形成離子鍵。離子晶體中，正負(fù)離子沒(méi)有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，只有振動(dòng)，粒子間距離雖有微動(dòng)，但其方向和大小都是隨機(jī)的。因此，整體上正電和負(fù)電重心是重合在一起的，保持電中性。在電場(chǎng)作用下，正、負(fù)離子分別沿著不同電場(chǎng)方向取向，趨向于與外電場(chǎng)一致的方向，產(chǎn)生的極化稱作離子極化。2.極化強(qiáng)度P介電材料的極化強(qiáng)度是單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和極化效應(yīng)的大小通常用單位體積內(nèi)的電偶極矩或其介質(zhì)表面的極化電荷密度來(lái)衡量，稱作電極化強(qiáng)度P，相應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度為E，那么有：P=αE4.4.1式中α定義為介電晶體的電極化率，決定于介電物質(zhì)的本質(zhì)。電極化率可以分解為電子極化率αe、離子極化率αi、偶極極化率αd，總極化率α是它們的總和：α=αe+αi+αd4.4.2

這3種極化作用并非在任何類型的介電材料中都等額地存在。在一種類型的材料中，往往只有一種或二種極化起主導(dǎo)地位。一般說(shuō)來(lái)，電子極化存在于一切類型的固體物質(zhì)中，離子極化主要存在于離子晶體中，偶極極化主要存在于具有永久偶極的物質(zhì)中，空間極化則主要存在于那些結(jié)構(gòu)非理想的、內(nèi)部可以發(fā)生某種長(zhǎng)程電荷遷移的介電物質(zhì)中。例如氯化鈉晶體中存在陰離子空位時(shí)，陽(yáng)離子可以優(yōu)先向負(fù)極方向遷移，因此在電極-NaCl界面處建立了一個(gè)雙電層。當(dāng)然，這類效應(yīng)顯著時(shí)，則形成了導(dǎo)體或快離子導(dǎo)體，而不再是介電質(zhì)了。另外，上述4種極化率的大小程度也不相同，一般大小次序?yàn)椋害羍<αi<αd4.4.33.靜態(tài)介電常數(shù)介電常數(shù)表征介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下極化程度的物理量，介電常數(shù)代表了電介質(zhì)的極化程度，也就是對(duì)電荷的束縛能力，介電常數(shù)越大，對(duì)電荷的束縛能力越強(qiáng)。用ε表示，其單位是F·m-1。介電常數(shù)的大小用于衡量絕緣體儲(chǔ)存電能的性能.它是兩塊金屬板之間以絕緣材料為介質(zhì)時(shí)的電容量與同樣的兩塊板之間以空氣為介質(zhì)或真空時(shí)的電容量之比。靜態(tài)介電常數(shù)與極化強(qiáng)度P的關(guān)系為4.相對(duì)介電常數(shù)

εr

(有時(shí)用κ或K表示)其中ε是指介質(zhì)的絕對(duì)介電常數(shù),而ε0是指真空介電常數(shù)8.85×10-12

F/m5.動(dòng)態(tài)介電常數(shù)實(shí)際上，介電常數(shù)并不是一個(gè)不變的數(shù)，在不同的條件下，其介電常數(shù)也不相同。在交變電場(chǎng)作用下，介質(zhì)的介電常數(shù)是復(fù)數(shù)，虛數(shù)部分反映了介質(zhì)的損耗）。極化強(qiáng)度與電場(chǎng)頻率的關(guān)系圖6.介電損耗在交變電場(chǎng)中，在每秒內(nèi)，每立方米電介質(zhì)消耗的能量稱介電損耗

7.電導(dǎo)率漏電電導(dǎo)率和位移電導(dǎo)率引起8.擊穿電壓電介質(zhì)承受的電壓超過(guò)一定值后，就喪失了電介質(zhì)的絕緣性，這個(gè)電壓叫做擊穿電壓高介電常數(shù)材料和低介電常數(shù)材料介電常數(shù)k比Si3N4(k>7)大的材料稱為高介電常數(shù)材料，而其k值比SiO2（k<3.9）小的材料稱為低介電常數(shù)材料。k的最小值為1(空氣中)，最大k值材料（鐵電體）為24700（頻率1kHz時(shí)）高介電常數(shù)材料DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)上單個(gè)電容器的面積在急劇減小，解決這一問(wèn)題的辦法是使用較薄的傳統(tǒng)電介質(zhì)－SiO2和Si3N4。隨著存儲(chǔ)器芯片（速度）超過(guò)64M（位），這一方法不再有效，因?yàn)橛_(dá)到所需元件電容量，材料需薄至1nm以下，這樣，它們（隨著現(xiàn)代存儲(chǔ)器芯片工作電壓的下降）就會(huì)產(chǎn)生不能容忍的漏電流或嚴(yán)重的擊穿，按電容器方程(C=εS/4πkd)，很明顯，只剩一個(gè)參數(shù)來(lái)調(diào)整，那就是介電常數(shù)。所以開(kāi)發(fā)大介電常數(shù)材料，使電容器電介質(zhì)可維持其“堅(jiān)固”的厚度，又能提供有效的電荷存儲(chǔ)，僅管其面積和存儲(chǔ)電壓在繼續(xù)下降。

低介電常數(shù)材料或稱low-K材料通過(guò)降低集成電路中使用介電材料的介電常數(shù)，可以降低集成電路的漏電電流及寄生電容。傳統(tǒng)半導(dǎo)體使用二氧化硅作為介電材料，二氧化硅的介電常數(shù)約為4。鐵電材料發(fā)展歷史@166（5）5年前后法國(guó)LaRochelled地方人PierredelaSeignette最早試制成功羅息鹽（RS）（酒石酸甲鈉,NaKC4H4O6·4H2O）SodiumPotassiumTartrateTetrahydrate@1920年法國(guó)人Valasek發(fā)現(xiàn)羅息鹽的特異的非線性介電性能，導(dǎo)致了“鐵電性”概念的出現(xiàn).1920年成為鐵電物理學(xué)研究開(kāi)始的象征？目前，世界上存在200多種鐵電體鐵電材料

ferro-electricmaterials1920年Valasek(France)酒石酸鉀鈉NaKC4H4O6·4H2O所謂鐵電材料，是指材料的晶體結(jié)構(gòu)在不加外電場(chǎng)時(shí)就具有自發(fā)極化現(xiàn)象，其自發(fā)極化的方向能夠被外加電場(chǎng)反轉(zhuǎn)或重新定向。鐵電材料的這種特性被稱為“鐵電現(xiàn)象”或“鐵電效應(yīng)”。其特點(diǎn)是不僅具有自發(fā)極化，而且在一定溫度范圍內(nèi)，自發(fā)極化偶極矩能隨外加電場(chǎng)的方向而改變。它的極化強(qiáng)度P與外施電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系曲線如圖所示，與鐵磁材料的磁通密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線（B-H曲線）極為相似。極化強(qiáng)度P滯后于電場(chǎng)強(qiáng)度E,稱為電滯曲線。電滯曲線是鐵電材料的特征。即當(dāng)鐵電晶體二端加上電場(chǎng)E后，極化強(qiáng)度P隨E增加沿OAB曲線上升，至B點(diǎn)后P隨E的變化呈線性(BC線段)。E下降，P不沿原曲線下降，而是沿CBD曲線下降。當(dāng)E為零時(shí),極化強(qiáng)度P不等于零而為Pb,稱為剩余極化強(qiáng)度。只有加上反電場(chǎng)EH時(shí)P方等于零,EH稱為鐵電材料的矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度。CBDFGHIC構(gòu)成整個(gè)電滯曲線。鐵電晶體是由許多小區(qū)域(電疇)所組成，每個(gè)電疇內(nèi)的極化方向一致，而相鄰電疇的極化方向則不同。在外電場(chǎng)作用下，極化沿電場(chǎng)方向的電疇擴(kuò)大。在某一溫度以上，鐵電材料的自發(fā)極化即消失，此溫度稱為居里點(diǎn)。

典型鐵電材料有：鈦酸鋇（BaTiO3）、磷酸二氫鉀(KH2PO4)等。過(guò)去對(duì)鐵電材料的應(yīng)用主要是利用它們的壓電性、熱釋電性、電光性能以及高介電常數(shù)。近年來(lái)，由于新鐵電材料薄膜工藝的發(fā)展，鐵電材料在信息存儲(chǔ)、圖像顯示和全息照像中的編頁(yè)器、鐵電光閥陣列作全息照像的存儲(chǔ)等已開(kāi)始應(yīng)用。這些材料可以是單晶、陶瓷、聚合物等。

與鐵元素沒(méi)有直接關(guān)系

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DRAM鐵電現(xiàn)象是在一種名為鈣鈦礦的材料中發(fā)現(xiàn)的，而鈣鈦礦材料的晶格點(diǎn)陣中的離子，是在某一方向上被分離成的正負(fù)離子，也就是在鈣鈦礦晶體內(nèi)部產(chǎn)生了一個(gè)電耦極子。當(dāng)給這種晶體加上一個(gè)電壓時(shí)，這些耦極子就會(huì)