1、介電材料及其測量,報告人：劉霄 導(dǎo)師：樊慧慶 2009.11.13,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)測量 以后要做的工作,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。,為什么選擇高介電常數(shù)陶瓷作為電路元器件？,日益增長的信息技術(shù)對更高集

2、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。 在動態(tài)隨機存儲器中，二進(jìn)制的數(shù)字信息是以電容器所儲存的電荷來表示的，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=S/d,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，又會產(chǎn)生電子的隧道穿透效應(yīng)致使該器件無法工作，此時厚度為它的臨界厚度。,因此需要一種高k陶瓷作為電路

3、元器件以滿足其集成化要求,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,擊穿強度,介電系數(shù),介電系數(shù)是電介質(zhì)極化的宏觀特性，其在電場的作用下將產(chǎn)生極化并貯存電荷。,電介質(zhì)的相對介電系數(shù)定義為電容器充以電介質(zhì)時的電容量C與真空時的電容量C0的比值即r=C/C0,電容器兩極板之間充滿均勻的電介質(zhì)，在外電場的作用下，其內(nèi)部沿著電場方向產(chǎn)生了感應(yīng)電偶極矩，在電場中介質(zhì)的表面出現(xiàn)感應(yīng)電荷，其產(chǎn)生的電場與極板上的自由電荷所形成的電場方向相反，這種由感應(yīng)電荷所產(chǎn)生的場強稱為退極化場。,由于在極化過程中，外加極化電壓未變，極板間的距離不變，為了保持場強不變，必須得到補充電荷，從而

4、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,極化機制,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),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BaTiO3SrTiO3 的固溶體將居里溫度由純 BaTiO3的 130C 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),介電常數(shù)大的晶體所具備的條件是：有比較特殊的點陣結(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

5、尺寸小、電荷大、易產(chǎn)生離子位移極化的陽離子（如Ti4+）。在外電場的作用下，這兩類離子通過晶體內(nèi)附加內(nèi)電場產(chǎn)生強烈的極化，因而導(dǎo)致相當(dāng)高的介電常數(shù)。,通過相關(guān)計算可得出,介電系數(shù),介電損耗,產(chǎn)生原因：如果外加電場不斷地改變，介質(zhì)內(nèi)的極化也就不斷地隨之改變。當(dāng)電場變化的頻率非常高時，某些極化就會滯后，表現(xiàn)為介電弛豫現(xiàn)象，介質(zhì)極化這種弛豫過程在變動電場的作用下就會引起介質(zhì)損耗。,下面以平行板電容器為例，說明復(fù)介電系數(shù)以及介電損耗的概念,由電工學(xué)知識，我們可以知道一個理想的平板電容器的兩個極板之間為真空，改電容器的容量為C0,當(dāng)在其兩個極板上施加角頻率為的正旋交變電壓V=V0exp（it）時，則流過

6、電容器的電流的相位較之電壓的相位超前900,介電損耗,若在此電容器的兩個極板之間充滿介電系數(shù)為r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=rC0,其電流的相位仍應(yīng)超前電壓900.但是對于實際電介質(zhì)來說，電流超前電壓的相位角總是小于900。如圖，此時可以把實際電容器的電流I分解為兩個電流分量I1和 I2，,C,CP,RP,CS,RS,I,I1,I2,V,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,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。這兩個電流分量與電壓之間的關(guān)系可以用下面的

7、式子表示：,上式中的g稱為介質(zhì)的電導(dǎo)。這個電導(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)中存在有損耗機制，使電容器上的能量部分地消耗為熱的物理過程。由上面兩式可以得到，通過實際電容器的電流：,介質(zhì)損耗角的正切值：,介電損耗,由上面兩式可以得到電流密度：,式中E為電場強度。第一項 稱為位移電流密度，第二項 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：,storage,loss,介電損耗,引入復(fù)相對介電系數(shù)如下：,介電損耗,研究介電損耗問實質(zhì)上就是研究能量轉(zhuǎn)換問題。介電損耗是指電介質(zhì)在單位時間內(nèi)，每單位體積中將電能轉(zhuǎn)換為熱能而消耗的能量。因此可以通過直

8、接計算在交變電場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，介質(zhì)損耗與頻率有關(guān)。式中 在外界條件一定時，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)率和極化機制的因素都影響介質(zhì)損耗。,介電損耗,提高電介質(zhì)的絕緣性能主要考慮兩個方面的因素。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。對于固體電介質(zhì)來說，降低載流子的濃度是提高材料的絕緣性的主要手段，實際工作中主要通過減少雜質(zhì)和熱缺陷的數(shù)目來降低載流子的濃度。,電導(dǎo)率,理想的電介質(zhì)在外電場的作用下是沒有電流的，但實際的電介質(zhì)都或多或少的具有一定數(shù)量弱聯(lián)系的帶電

9、質(zhì)點。在外電場的作用下，這些帶電質(zhì)點將會受到電場力的作用而產(chǎn)生沿著電場方向的定向運動，從而形成貫穿介質(zhì)的傳導(dǎo)電流，此過程稱為電介質(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：,擊穿強度,如果外加電場增加到足夠強時，電介質(zhì)的電導(dǎo)就不在服從歐姆定律了。當(dāng)電場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,介電材料的電

10、化學(xué)測量,介電材料的電化學(xué)測量方法很多，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,本實驗室采用的是agilent4294a儀器。用以測量平行板電容。,樣品制備,稱料 球磨 預(yù)燒 二次球磨 壓片 燒結(jié) 鍍銀 測量,agilent4294a采用I-V法，大致原理如下：,可由測量的電壓值和電流值計算被測阻抗值Zx。電流用已知精確值的低阻值電阻器上的電壓計算。在實際測量中，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）,測量電路從功能上可以分為以下三部分： 信號源部分產(chǎn)生施加到被測器件的測試信號 自動

11、電橋平衡部分將量程電阻器電流與被測試器件電流平衡 矢量比檢波器部分測量兩個電壓，模數(shù)轉(zhuǎn)換器測量各矢量信號并經(jīng)過數(shù)字處理分成為00和900成份。,以等效為測電容比較常用的簡單的等效電路（如下圖）為例做簡單計算。,我們在進(jìn)行電化學(xué)測量時，為得到介質(zhì)的本征介電常數(shù)和電導(dǎo)率，通常通過測量其電容得到，這里會運用到等效電路。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：先對未知的電容器進(jìn)行掃頻測量，觀察頻率響應(yīng)曲線，結(jié)合典型頻率響應(yīng)曲線，選擇最接近被測曲線的電路模式，計算其參數(shù)值，在用計算所得參數(shù)進(jìn)行模擬。如果模擬曲線與實測結(jié)果之間有高的擬合值，則說明所選等效電路正確。否則嘗試另一種電路模

12、式,lg f,lg|z|,bode圖,通過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)。其實等效電路是一個難點，我們要通過分析選擇合適的等效電路。 通過測量我們就會得到很多參數(shù)從而繪制各種阻抗譜（EIS）。比如說是介電譜，它可以給出有關(guān)極化機構(gòu)和晶格振動等重要信息，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,價電子,內(nèi)層電子,比如介電常數(shù)對溫度的函數(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，介電常數(shù)將會出現(xiàn)異常，一般實部要出現(xiàn)峰值。在鐵電體轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂婓w的相變點處，實部往往比室溫時高出很多。所以科學(xué)研究者通常通過介電常數(shù)的峰值來確定鐵電居里點。也可以測不同壓力下的介電常數(shù)。,然而電化學(xué)阻抗譜的數(shù)