材料物理-材料的介电性能.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,材料的介电性能,材料的所有性能，都取决于原子和电子的排布状态。,如果外界环境波动得足够剧烈，会扰动材料内部原子或者电子的排布。,1,、施加电压，导电材料内部的电子会发生定向迁移。,问题的引入,施加电压，导电材料内部的电子会发生定向迁移,问题的引入,施加拉应力，材料会发生塑性变形或者断裂,问题的引入,电阻率,导体：,10,-3,cm,例如：,Cu,10,-6,cm,半导体：,10,-2,cm,10,9,cm,Ge,=0.2cm,绝缘体：,10,9,cm,问题的引入,如果给绝缘体施加电场，绝缘体内部的电子会不会重新排布？,问题的引入,如果施加的压力（应变场）或者温度（温度场）呢？,1,、介电材料在电场中的极化,2,、介电材料在其它环境中的极化,3,、极化机制,4,、介电材料的应用,1,、介电材料在电场中的极化,介电材料（,dielectric material,）,从英文词意，,di-,有二的意思，可以理解为在外加条件下，具有两个电荷中心的材料。,当然，除了外加电场外，温度场、应力场都会导致电荷中心一分为二,-,极化,。,2,、介电材料在其它环境中的极化,应变场中的极化,-,压电效应,采用直径为,2.5,毫米，高度为,4,毫米的压电陶瓷，就可得到,10,20,千伏的高电压。,2,、介电材料在其它环境中的极化,在完全黑暗的环境中，将一块干燥的冰糖用榔头敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬间，发出暗淡的蓝色闪光，这是强电场放电所产生的闪光，产生闪光的机理是晶体的压电效应,应变场中的极化,-,压电效应,2,、介电材料在其它环境中的极化,压电效应,：,某些电介质，当沿着,一定方向,对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。,F,F,应变场中的极化,-,压电效应,2,、介电材料在其它环境中的极化,逆压电效应,：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。,电能,机械能,正压电效应,逆压电效应,应变场中的极化,-,压电效应,2,、介电材料在其它环境中的极化,应变场中的极化,-,压电效应,2,、介电材料在其它环境中的极化,电荷对称分布,应变场中的极化,-,压电效应,2,、介电材料在其它环境中的极化,电荷分布不对称,应变场中的极化,-,压电效应,2,、介电材料在其它环境中的极化,应变场中的极化,-,压电效应,2,、介电材料在其它环境中的极化,温度场中的极化,-,热电效应,有极分子（,Polar molecule,）,在无外场作用下存在,固有电矩,例如，,H,2,O Hcl CO SO,2,因无序排列对外不呈现电性。,电子云的,正电中心,电介质,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,无外场时，电偶极子杂乱无章的排列,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,外场存在时，电偶极子沿外场排列,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,极化面,电荷,取向极化,3,、极化机制,电子位移极化,无极分子（,Nonpolar molecule,）,在无外场作用下整个分子,无电矩,。,例如，,CO,2,H,2,N,2,O,2,H,e,无极分子，正负电荷中心重合,在外场的作用下，二者分离，形成电偶极子,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+极化面电荷,束缚电荷,3,、极化机制,离子位移极化,离子在电场作用下偏移平衡位置的移动,;,也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长,例如碱卤化物晶体就是如此。,由于离子质量远高于电子质量,因此极化建立的时间也较电子慢,大约为,10,-,12,10,-,13,s,。,3,、极化机制,电子弛豫极化,由于晶格的热振动、晶格缺陷、杂质引入、化学成分局部改变等因素。使得在局部范围内出现导带，这样一来，电子可在局部范围内发生迁移。,带隙,空带,非导体,3,、极化机制,离子弛豫极化,在完整离子晶体中,离子处于正常结点,能量最低最稳定,它们在极化状态时,只能产生弹性位移,离子仍处于平衡位置附近。而在玻璃态物质中,结构松散的离子晶体或晶体中的杂质或缺陷区域,离子自身能量较高,易于活化迁移,可以从一平衡位置移动到另一平衡位置。,3,、极化机制,空间电荷极化,对金属来说，电子被所以原子个共有，所以溶质原子、晶界等缺陷不会引起净电荷。,对于离子晶体，各种缺陷会引起局部区域的净电荷。,3,、极化机制,空间电荷极化,离子晶体的晶界、位错等缺陷处存在空间电荷。这些混乱分布的空间电荷,在外电场作用下,趋向于有序化,即荷空间电荷的正、负电荷质点分别向外电场的负、正极方向移动,从而表现为极化。,电子极化最灵敏，只要稍有风吹草动，就会做出响应,3,、极化机制,极化得太过分,电介质击穿,在强电场作用下，电介质,丧失电绝缘能力,，,电介质的电导突然增大甚至引起,结构损坏或破碎,，称为介电击穿。,热击穿,电击穿,化学击穿,3,、极化机制,热击穿,在电场作用下，固体电介质承受的电场强度虽不足以发生电击穿，但因电介质内部热量积累、温度过高而导致失去绝缘能力。,感应电荷会发生流动而消失。,带隙,空带,绝缘体,电击穿,如果电子在散射过程损失的能量，小于电场做的功。,电子的能量积累起相当大的动能，足以在电介质内部产生,碰撞电离,，形成电子雪崩现象。结果,电导急剧上升,，最后导致击穿。,e,e,e,e,e,e,e,3,、极化机制,化学击穿,在电场、温度等因素作用下，固体电介质因缓慢的电化学反应,，改变了电介质的组成。,固体电介质因离子电导而,发生电解（离子化合物电解得到金属）,，结果在电极附近形成导电的金属树状物，甚至从一个电极伸展到另一个电极。结果在两电极间构成导电的通路,3,、极化机制,提高击穿电压措施,提高电介质材料的均匀性，使电场分布更为均匀。以免出现局部电压过高的情况。,3,、极化机制,4,、介电材料的应用,A,、电容材料,B,、压电材料,C,、热电材料,D,、铁电材料,电介质材料,压电材料,热释电材料,铁电材料,32,种点群,-,20,个点群具有压电性,10,个含单一对称轴，具有自发极化（热释电）,自发极化能被电场转向（铁电）,4,、介电材料的应用,A,、电容材料,I,、存储电能,电池供电稳定，但是功率密度（爆发力）太小。所以在闪光灯中，需要利用电容来存储能量。电容虽然爆发力很强，但是持续时间短，一闪而过。,A,、电容材料,I,、存储电能,A,、电容材料,I,、存储电能,A,、电容材料,I,、存储电能,小型超级电容器,各种微处理机,玩具车,闪光灯,电动手工具,大型超级电容器,各种交通工具,电网,UPS,医院手术室,核反应堆控制,防护设备,航空通讯设备,无线电通讯系统,电力高压开关的分合闸操作,电阻焊机及科研测试设备等,A,、电容材料,I,、存储电能,根据存储电荷的机理,超级电容器分为：,A,、双电层电容器,(Electrical Double LayerCapacitor,EDLC),。双电层电容器利用电极材料和电解质界面形成的电荷分离存储电荷。,B,、准电容器,(Pseudocapacitor,赝电容器,),。利用电化学活性物质的吸脱附或电化学氧化还原反应来存储电荷。,A,、电容材料,I,、存储电能,制备高性能的超级电容器有,2,个途径,:A,、,是增大电极材料比表面积,从而增大双电层电容量,;,B,、,是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率,从而提高准电容容量。,实际应用中,这,2,种储能机理往往同时存在。,A,、电容材料,I,、存储电能,碳素材料,原理,以双电层为主,种类,活性炭（,AC,）；活性炭纤维（,CFA,）；碳纳米管（,CNTs,）；炭气凝胶（,CAGs,）；石墨等,优点,原料丰富价格低廉；,比表面大,；,导电性好,；化学稳定性高,缺点,比电容相对较小,；能量密度不高,研究热点,活化活性炭（物理,/,化学）；碳材料的分散高度有序的,碳纳米管阵列,；修饰,石墨烯,；,复合材料,：如,CNT,与金属氧化物、导电聚合物、石墨烯的复合材料,A,、电容材料,I,、存储电能,金属氧化物材料,原理,以法拉第电容为主：离子的吸附,/,脱吸附和插入,/,脱出,种类,贵金属氧化物（,RhO,、,IrO,）；贱金属氧化物（,Co,3,O,4,、,NiO/NiOH,、,MnO,2,、,V,2,O,5,等）,优点,高的比电容,（是碳材料的,10 100,倍）；稳定性好,缺点,结构致密，,导电性能差,；,电势窗口太窄,研究热点,通过不同的制备方法,（如,PLD,）,得到,纳米化,的结构，如已制备了纳米棒、纳米片纳米环、分级多孔纳米花、中空纳米球等，主要为了增大表面积，同时有利于离子的传输；复合材料,A,、电容材料,：,介质介电常数,s,：,极板面积,：,极板间距离,s,也可以通过减小极板间距来增加电容。,II,、传感器,A,、电容材料,II,、传感器,变极距型,(,变间距型,),电容传感器,A,、电容材料,II,、传感器,A,、电容材料,II,、传感器,A,、电容材料,II,、传感器,B,、压电材料,应变场中的极化,-,压电效应,将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约,5cm,，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。,高分子压电电缆的应用演示,B,、压电材料,B,、压电材料,B,、压电材料,B,、压电材料,利用逆压电效应,将高频交流电转变为高频声波,B,、压电材料,压电引爆装置,：,压电打火机的点火原理可应用于各个领域，特别是军事领域。在反坦克炮弹上装上压电陶瓷元件，当炮弹击中坦克时，陶瓷因受压而产生高电压，从而引燃炸药，摧毁坦克。压电陶瓷在非常强的机械冲击波的作用下，储存的能量在以微秒计的瞬间释放出来，产生瞬间电流达,10,万安培以上的高压脉冲，可用于原子武器的引爆,。,纳米发电机创始人,（王中林）,1961,年王中林出生于陕西省蒲城县高阳镇，王中林的初中和高中就是在这种大背景下度过的，三分之一的时间都在田里泡着，毕业于尧山中学。,进入大学校门的第一天，他就暗暗给自己定下一条标准，本科每门课程不能低于,90,分。,B,、压电材料,-,纳米发电机,ZnO,ZnO,纳米线,B,、压电材料,-,纳米发电机,气相沉积法制作纳米线,1,、利用热蒸发的方式，获得,ZnO,蒸汽,2,、在金纳米颗粒的催化下，,ZnO,纳米线沿垂直方向生长,B,、压电材料,-,纳米发电机,气相沉积工艺中，通过调节反应条件，例如,温度,、气流速度、压强等方式可以调控纳米线的形貌。,700,度,750,度,800,度,850,度,B,、压电材料,-,纳米发电机,C,、热电材料,Seebeck,效应：,1823,年，德国人,Seebeck,首先发现当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个接点的温度不同，则两接点间有电动势产生，且在回路中有电流通过，即温差电现象或,Seebeck,效应。,I,、热电效应,C,、热电材料,I,、热电效应,Pettier,效应,：,1834,年，法国钟表匠,Pletier,发现了,Seebeck,效应的逆效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时，接点处会发生放热或吸热现象，称为,Peltier,效应。,C,、热电材料,II,、研究现状,C,、热电材料,II,、研究现状,C,、热电材料,II,、研究现状,增强热电材料的热电性能的有效方式是降低其晶格热导率。所以在实际的实验中往往会在材料中引入纳米尺度孔洞，增强声子散射，达到降低晶格热导率的目的。,电导率,温差,热导率,空洞不能太多，也不能太少,C,、热电材料,II,、研究现状,不同空隙率下的热导率,C,、热电材料,II,、研究现状,不同空隙率下的应力应变曲线,C,、热电材料,热电致冷,：,体积小,重量轻,结构简单,坚固耐用,无需运动部件,无磨损,无噪音,III,、应用,C,、热电材料,III,、应用,C,、热电材料,美国、德国、日本、韩国等汽车公司（,GM,、,BMW,、,HONDA,、大众、现代等）正在开展相关研发工作，,可节省油耗,5%,；国内相关研究刚刚起步（上汽）,利用燃烧热、地热、体表温差等热源，为野外作业、偏远山区、小型电器、植入式医疗器械等提供电能,III,、应用,C,、热电材料,热电偶的工作原理,热电极,A,自由端（参考端、冷端）,测量（工作端、热端）,热电极,B,热电势,A,B,III,、应用,D,、铁电材料,铁电材料,：具有自发极化，而且在一定,温度范围内，自发极化偶极矩能随外施,电场的方向而改变。,推迟到磁性材料部分讲解,D,、铁电材料,自发极化不是由外加引起的，它是由晶体的内部结构造成的。在此类晶体中，每个晶胞里存在固有电矩，此类晶体称为,极性晶体,。,自发极化现象通常发生在一些具有特殊结构的晶体中,。,I,、自发极化与铁电畴,D,、铁电材料,对于晶体：由于晶格的限制，取向无法随机分布。所以在局部区域内形成铁电畴。,I,、自发极化与铁电畴,铁电畴,D,、铁电材料,I,、自发极化与铁电畴,对于,BaTiO3,，,130,以上，为立方结构。当温度低于,130,以后，,Ba,原子可以沿,a,（也可以是,b,或,c,）方向移动（极化）。在一个单晶内部，畴壁之间的夹角是固定的，只会出现,90,和,180,两种情况。,D,、铁电材料,I,、自发极化与铁电畴,D,、铁电材料,I,、自发极化与铁电畴,例如：对于,BaTiO3,，当两个电畴为,180,时。,施加电场，横向长大机制较弱。以在反向畴中形成新畴为主。,D,、铁电材料,I,、自发极化与铁电畴,电畴的观测：,电子显微镜,TEM,原子力显微镜,AFM,液晶法,化学腐蚀法,粉末沉淀法,X,射线形貌术,光的双折射,D,、铁电材料,I,、自发极化与铁电畴,180,畴,90,畴,纳米薄膜中的电畴的,AFM,照片,D,、铁电材料,铁电材料（外部电场与内部电场的滞后效应）,铁电材料,并不一定含铁，而是由于其,电滞回线,和,铁磁材料,的,磁滞回线,相似。,I,、自发极化与铁电畴,D,、铁电材料,特性一,临界温度，即居里温度,(Tc),。温度低于,Tc,时，铁电体才表现铁电性，而温度高于,Tc,，铁电体进入顺电相，极化消失。,高的居里温度，可以使得铁电材料及其器件的处理和应用温度范围变得更宽。,D,、铁电材料,II,、铁电材料的特性,BaTiO,3,居里温度,替换浓度,特性二,是临界尺寸。由于铁电性质是一个集合效应，通常当铁电材料的几何尺寸超过某一个值时，才会表现出铁电性，而当它的尺寸低于某一个值的时候，便不会再表现出铁电特性。,D,、铁电材料,II,、铁电材料的特性,铁电存储器的优点,读写速度快,操作电压低,可擦写次数多,工作温度宽（,-50-150,）,D,、铁电材料,III,、铁电存储,疲劳：晶格缺陷使得铁电畴的翻转变得困难。在设计电压，部分电畴无法有效翻转。,晶格缺陷,不同颜色区分不同电畴,D,、铁电材料,III,、铁电存储,界面,界面电畴无法翻转，成为死层,缺陷浓度大,界面应力,D,、铁电材料,缺陷聚集和扩散现象,缺陷随着翻转电场而迁移到界面发生界面聚集,界面元素的扩散包括两个方面：,电极元素以杂质的形态进入铁电层，钉扎电畴,铁电层元素向电极层扩散，其本身因为化学剂量比失衡从而失去铁电性。,界面缺陷,D,、铁电材料,界面应力,黑色表示无应力时的极化曲线,红色和蓝色表示引入压应力后的极化曲线。,D,、铁电材料,界面应力,D,、铁电材料,界面应力,D,、铁电材料,力电耦合,力电耦合效应,：应力会,畴壁移动,改变畴构型,界面应力,D,、铁电材料,P,P,P,P,单晶,BaTiO,3,D,、铁电材料,力电耦合效应,：应力会,畴壁移动,改变畴构型,铁电材料因良好的力电耦合性能广泛应用于纳米诊断、微尺度能源和纳米传感等领域。在冲击爆炸等极端环境中，由于高速冲击或者高频振动,(20GHz,以上,),，铁电压力传感器或加速度传感器可能产生一些异常的藕合响应，会导致测试数据失效。,力电耦合,界面应力,