第6章电子与微电子材料6.2介电材料概要

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1、6. FCC6. FCC结构的镍原子半径为结构的镍原子半径为0.1243nm0.1243nm。试。试求镍的晶格参数和密度。求镍的晶格参数和密度。17. 铀具有斜方结构，其晶格参数为铀具有斜方结构，其晶格参数为a=0.2854nm，b=0.5869nm，c=0.4955nm；其原子半径为其原子半径为0.138nm，密度为，密度为19.05g cm-3。p试求每单位晶胞的原子数目及堆积系数。试求每单位晶胞的原子数目及堆积系数。斜方晶系即正交晶系：斜方晶系即正交晶系：abc, =23p15. 说明为什么只有置换型固溶体的两说明为什么只有置换型固溶体的两个组份之间才能相互完全溶解，而填隙型个组份之间才

2、能相互完全溶解，而填隙型固溶体则不能。固溶体则不能。p答：置换型固溶体：溶质原子代替一部答：置换型固溶体：溶质原子代替一部分溶剂原子占据溶剂晶格某些结点位置所分溶剂原子占据溶剂晶格某些结点位置所组成的固溶体。组成的固溶体。p间隙型固溶体：溶质原子进入溶剂晶体间隙型固溶体：溶质原子进入溶剂晶体间隙位置所形成的固溶体。间隙位置所形成的固溶体。p由于溶剂晶体间隙有限，能填入异质原由于溶剂晶体间隙有限，能填入异质原子或离子的数目也有限，因此间隙型固溶子或离子的数目也有限，因此间隙型固溶体是有限固溶体。体是有限固溶体。4（1）主链结构）主链结构 当主链中含当主链中含C-O，C-N，Si-O键时，柔顺性好

3、。键时，柔顺性好。 因为因为O、N原子周围的原子比原子周围的原子比C原子少原子少 ，内旋转的，内旋转的位阻小；而位阻小；而Si-O-Si的键角也大于的键角也大于C-C-C键，因而其内键，因而其内旋转位阻更小，即使在低温下也具有良好的柔顺性。旋转位阻更小，即使在低温下也具有良好的柔顺性。 如：如：影响高分子链柔性的因素影响高分子链柔性的因素5 苯环或共轭双键：苯环或共轭双键： 当主链中由共轭双键组成时，当主链中由共轭双键组成时，由于共轭双键因由于共轭双键因 p 电子云电子云重叠不能内旋转，因而柔顺性差，是刚性链。重叠不能内旋转，因而柔顺性差，是刚性链。如：聚乙炔和聚苯如：聚乙炔和聚苯6例例1 1

4、： 顺聚丁二烯顺聚丁二烯=1.68=1.68 聚乙烯聚乙烯=1.84=1.84 孤立双键：孤立双键：例例2 2： 聚氯丁二烯（氯丁橡胶）聚氯丁二烯（氯丁橡胶） 聚氯乙烯聚氯乙烯7 取代基（侧基）取代基（侧基） 极性：极性：取代基的极性取代基的极性越大，极性基团数目越多，相互作用越大，极性基团数目越多，相互作用越强，单键内旋转越困难，分子链柔顺性越差。如：越强，单键内旋转越困难，分子链柔顺性越差。如：8 非极性非极性空间位阻空间位阻分子链间距分子链间距取代基为刚性取代基为刚性，空间位阻越大，柔性越低。，空间位阻越大，柔性越低。9取代基为柔性取代基为柔性，分子链间距越大，柔性越高。，分子链间距越大

5、，柔性越高。10 对称性取代基，对称性取代基，可使分子链间的距离增大，相互作用减可使分子链间的距离增大，相互作用减弱，柔顺性大。侧基对称性越高，分子链柔顺性越好。如：弱，柔顺性大。侧基对称性越高，分子链柔顺性越好。如：（3）氢键）氢键 如果高分子链的分子内或分子间可以形成氢键，氢键的影如果高分子链的分子内或分子间可以形成氢键，氢键的影响比极性更显著，可大大增加分子链的刚性，降低柔性。响比极性更显著，可大大增加分子链的刚性，降低柔性。（4 4）交联）交联柔性下降柔性下降交联密度低交联密度低影响较小影响较小交联密度增加交联密度增加柔性急剧下降柔性急剧下降交联密度极高交联密度极高刚性刚性如：如：1

6、1 硫化橡胶硫化橡胶 2 2 热固性塑料热固性塑料116.2 6.2 介电材料介电材料 什么是介电材料？什么是介电材料？Dielectric Material 绝缘材料？绝缘材料？导体材料？导体材料？半导体材料？半导体材料？介电材料电介质介电材料电介质特征：特征：束缚电荷束缚电荷E电荷中心电荷中心重合重合电荷中心电荷中心不重合不重合电介质的极化电介质的极化类比磁化概念类比磁化概念两个两个问题问题12 电介质材料是指电阻率大于电介质材料是指电阻率大于 的材料，是相对于金属材料和半导体的材料，是相对于金属材料和半导体材料而区分的。材料而区分的。金属材料金属材料 ：共有化电子：共有化电子半导体材料：

7、载流子半导体材料：载流子电介质材料：束缚电荷电介质材料：束缚电荷13电介质材料的分类及应用电介质材料的分类及应用绝缘材料：绝缘材料：电阻率很高，能承受很强的电场，不电阻率很高，能承受很强的电场，不易被击穿。主要是高分子电介质和无碱玻璃。易被击穿。主要是高分子电介质和无碱玻璃。电容器材料：电容器材料：主要是陶瓷材料，包括两种，一种主要是陶瓷材料，包括两种，一种是具有严格温度系数的高频稳定型陶瓷，一种是是具有严格温度系数的高频稳定型陶瓷，一种是介电系数特别大的铁电陶瓷。介电系数特别大的铁电陶瓷。压电材料：压电材料：是具有能使机械能和电能相互转换的是具有能使机械能和电能相互转换的材料。在实际应用中，

8、主要的压电材料是压电陶材料。在实际应用中，主要的压电材料是压电陶瓷，广泛用于情感元件、电声器件等方面。瓷，广泛用于情感元件、电声器件等方面。电介质材料的分类电介质材料的分类14在外电场作用下，在外电场作用下，材料发生两种响材料发生两种响应：应：u电传导电传导u电感应电感应n绝缘绝缘n起满足电容起满足电容作用的器件作用的器件3232种点群种点群- - 20 20个点群具有压电性个点群具有压电性 10 10个含单一对称轴，具有自发极化（热释电）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）自发极化能被电场转向（铁电）15压电材料压电材料液液 晶晶电介质电介质结构材料结构材料电

9、介质电介质功能材料功能材料介电材料介电材料电介质材料电介质材料电电介介质质材材料料的的应应用用166.2.1 6.2.1 材料的介电性特征材料的介电性特征 介电常数介电常数1）材料因素：）材料因素： 材料在电场中被极化的能力材料在电场中被极化的能力 2）尺寸因素：）尺寸因素： d 和和A ：平板间的距离和面积：平板间的距离和面积如果介电介质为真空如果介电介质为真空：在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，CC0真空介电常数真空介电常数：0 =8.8510-12 F. m-1(法拉法拉/米米) 相对介电常数相对介电常

10、数：r介电常数（电容率）：介电常数（电容率）： = 0 r(F/m)介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。17极化：电介质内质点正负电荷中心分离，转变成偶极子；极化：电介质内质点正负电荷中心分离，转变成偶极子；电偶极距：电偶极距：极化率：单位电场强度下质点电偶极距的大小，表征电介质的极化率：单位电场强度下质点电偶极距的大小，表征电介质的 极化能力，只与材料的性质有关，单位极化能力，只与材料的性质有关，单位F.m2；极化强度：电介质单位体积内的电偶极距总和，与面电荷密度极化强度：电介质单位体积内的电偶极

11、距总和，与面电荷密度 单位一样，单位一样，C/m2；电介质极化系数：将宏观电场电介质极化系数：将宏观电场E和宏观物理量和宏观物理量P联系起来；联系起来；极化现象及其物理量极化现象及其物理量18电介质：绝缘体，无自由电荷。电介质：绝缘体，无自由电荷。电介质极化特点：内部场强一般不为零。电介质极化特点：内部场强一般不为零。1. 1. 有极分子和无极分子电介质有极分子和无极分子电介质有极分子和无极分子电介质有极分子和无极分子电介质 有有极极分子：分子的正电荷中分子：分子的正电荷中心与负电荷中心不重合。心与负电荷中心不重合。负电荷负电荷中心中心正电荷中心正电荷中心 无极分子：分子的正电荷中心与负电无极

12、分子：分子的正电荷中心与负电荷中心重合荷中心重合如氦如氦(He)、氢、氢(H2)、甲烷、甲烷(CH4)等等+H+HO 介质极化和静态介电常数介质极化和静态介电常数无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个介质不带电。无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个介质不带电。（2）有极分子的取向极化有极分子的取向极化在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个力矩作用，电在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个力矩作用，电矩方向转向和外电场方向趋于一致。矩方向转向和外电场方向趋于一致。2. 2. 电介质的极化电介质的极化电介质的极化电介质的极化（1）无极分子的位移极化无极分子的位移极化 加上外电场后，在电场作用下介

13、质分子正负电荷中心不再加上外电场后，在电场作用下介质分子正负电荷中心不再重合，出现分子电矩。重合，出现分子电矩。真空真空+ + + + +E E+ + + + + + + + + + + + + + + + +自由电荷自由电荷+ +偶极子偶极子束缚电荷束缚电荷1. 1. 具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象极化现象极化现象电介质的极化电介质的极化21电介质极化的微观机理（类型）电介质极化的微观机理（类型）弹性位移极化弹性位移极化（瞬时极化）（瞬时极化）取向极化取向极化（弛豫极化）（弛豫极化）电子位移极化电子位移极化（Electronic Polarizabi

14、lity） Response is fast, is small离子位移极化离子位移极化（Ionic Polarizability） Response is slower偶极子取向极化偶极子取向极化（Dipolar Polarizability） Response is still slower空间电荷极化空间电荷极化 (Space Charge Polarizability) Response is quite slow, is large松弛极化松弛极化电子松弛极化电子松弛极化离子松弛极化离子松弛极化22极化类型极化类型电子极化电子极化 电子云与原子核的相对位移诱导电偶极电子云与原子核的相

15、对位移诱导电偶极子子 离子极化离子极化 阴、阳离子的相对位移诱导电偶极子阴、阳离子的相对位移诱导电偶极子 转向极化转向极化 固有电偶极子的指向在外场中转向固有电偶极子的指向在外场中转向 空间电荷极化空间电荷极化 在绝缘体界面移动载流子形成的极化在绝缘体界面移动载流子形成的极化电介质的极化23极化机制极化机制极化的基本形式：极化的基本形式：第一种：第一种： 位移式极化位移式极化-弹性的、瞬间完成的、不消弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。耗能量的极化。第二种：该极化与热运动有关，其完成需要一定的时第二种：该极化与热运动有关，其完成需要一定的时间，且是非弹性的，需要消耗一定的能量。间，且是非弹性

16、的，需要消耗一定的能量。24位移极化位移极化取向极化取向极化 位移极化位移极化 Displacement polarization 主要是电子发生位移主要是电子发生位移 取向极化取向极化 Orientation polarization 由于热运动这种取向只能是部分的，遵守统计规律。由于热运动这种取向只能是部分的，遵守统计规律。25(1) 电子位移极化电子位移极化电子位移极化和电子松弛极化电子位移极化和电子松弛极化电子位移极化电子位移极化无外电场作用无外电场作用+ E电子位移极化电子位移极化-26电子云位移极化的特点：电子云位移极化的特点：a) 极极化化所所需需时时间间极极短短，在在一一般般频

17、频率率范范围围内内，可可以以认认为为与与频频率无关；率无关； b)具有弹性，没有能量损耗。具有弹性，没有能量损耗。 c)温度对电子式极化影响不大。温度对电子式极化影响不大。 (1) (1) 电子位移极化：电子位移极化： 电场作用时，正、负电荷中心产生相对位移电场作用时，正、负电荷中心产生相对位移(电子云发生了变电子云发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程化而使正、负电荷中心分离的物理过程) 电子云位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中。电子云位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中。 27另一方面，另一方面，壳层电子与原子核之间的相互吸引力壳层电子与原子核之间的相互吸引力的作用是使正负电

18、中心重合。就是在这二各力的的作用是使正负电中心重合。就是在这二各力的作用下原子处于一种新的平衡状态。在这个新平作用下原子处于一种新的平衡状态。在这个新平衡状态中该原子具有一个有限大小的感应偶极矩，衡状态中该原子具有一个有限大小的感应偶极矩，用用Pe表示感应偶极矩的大小，表示感应偶极矩的大小，Pe与电场之间的关与电场之间的关系为：系为： 其中其中 e称为电子位移极化率。称为电子位移极化率。28利用玻尔原子模型，可具体估算出利用玻尔原子模型，可具体估算出 的大小，的大小，即即结论：电子极化率的大小与原子（离结论：电子极化率的大小与原子（离子）的半径有关子）的半径有关29(2) 离子位移极化离子位移

19、极化离子位移极化：离子在电场的作用下，偏移平衡位置离子位移极化：离子在电场的作用下，偏移平衡位置引起的极化。引起的极化。在交变电场作用下，离子在电场中的运动设想为弹簧在交变电场作用下，离子在电场中的运动设想为弹簧振子。振子。+EX+X-感生的电偶极矩为：感生的电偶极矩为： =q(x+x-) = iEloc30positivenegativeEP31离子位移极化的特点：离子位移极化的特点： a) 时间很短，在频率不太高时，可以认为时间很短，在频率不太高时，可以认为与频率无关；与频率无关；b) 属弹性极化，能量损耗很小。属弹性极化，能量损耗很小。c) 离子位移极化受两个相反因素的影响：离子位移极化

20、受两个相反因素的影响：温度升高时离子间的结合力降低，使极化温度升高时离子间的结合力降低，使极化程度增加；但离子的密度随温度升高而减程度增加；但离子的密度随温度升高而减小，使极化程度降低。通常，前一种因素小，使极化程度降低。通常，前一种因素影响较大影响较大.32(3) 松弛极化松弛极化松弛质点松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。极子。松弛极化松弛极化：松弛质点松弛质点 由于热运动使之分布混乱，由于热运动使之分布混乱， 电电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。松弛极化的特点松弛极化的特点：比位移

21、极化移动较大距离，移动比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。定的能量，是一种非可逆过程。33()() 离子松弛极化离子松弛极化结构正常区结构正常区 缺陷区缺陷区U松松U松松U导电导电34离子松弛极化率离子松弛极化率： T =q2x2/12kT温度越高，热运动对质点的规则运动阻碍增强，极温度越高，热运动对质点的规则运动阻碍增强，极化率减小。化率减小。离子松弛极化率比电子位移极化率大一个数量级，离子松弛极化率比电子位移极化率大一个数量级，可导致材料大的介电常数。可导致材料大的介电常数。35(i

22、i) 电子松弛极化电子松弛极化电子松弛极化：电子松弛极化：材料中弱束缚电子在晶格热振动下，吸收一定能材料中弱束缚电子在晶格热振动下，吸收一定能量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态；量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态；处于激发态的电子连续地由一个阳离子结点，移处于激发态的电子连续地由一个阳离子结点，移到另一个阳离子结点；到另一个阳离子结点；外加电场使其运动具有一定的方向性，由此引起外加电场使其运动具有一定的方向性，由此引起极化，使介电材料具有异常高的介电常数。极化，使介电材料具有异常高的介电常数。36(4) 转向极化转向极化转向极化：转向极化：具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，

23、偶极子具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致，与极性分子的热发生转向，趋于和外加电场方向一致，与极性分子的热运动达到统计平衡状态，整体表现为宏观偶极矩。运动达到统计平衡状态，整体表现为宏观偶极矩。转向极化比电子极化率高得多。转向极化比电子极化率高得多。37转向极化在离子晶体中的应用转向极化在离子晶体中的应用 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 一对晶格空位的定向一对晶格空位的定向38 (5) (5) 空间电荷极化空间电荷极化空间电荷极化：空间电荷极化：在不均匀介质中，如

24、介质中存在晶界、相界、晶格畸在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；障碍；在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般为高压式极化。为高压式极化。- - - - -+ + + + +- - - - -+ + + + +- - - - -+ + + + +外电场外电场P P39l在外电场中的电介质分子在外电场中的电介质分子无极分子只有位移极化，感生电矩的方向沿外场方向。无极分子只有位移极化，感生电矩的方向沿外场方向。无外场下，所具有的电偶极矩称为

25、无外场下，所具有的电偶极矩称为固有电偶极矩固有电偶极矩。在外电场中产生在外电场中产生感应电偶极矩感应电偶极矩（约是前者的（约是前者的10-5)。有极分子有上述两种极化机制。有极分子有上述两种极化机制。在高频下只有位移极化。在高频下只有位移极化。40空间电荷极化的特点：空间电荷极化的特点： 时间较长；时间较长； 属非弹性极化，有能量损耗；属非弹性极化，有能量损耗； 随温度的升高而下降；随温度的升高而下降； 主主要要存存在在于于直直流流和和低低频频下下，高高频频时时因因空空间间电电荷荷来来不不及及移移动动，没没有有或或很很少少有有这这种种极极化现象。化现象。 41自发极化自发极化如果晶胞不仅如果晶

26、胞不仅结构上没有对称中心结构上没有对称中心，而且，而且在无外力作用时晶胞本身的在无外力作用时晶胞本身的正、负电荷中正、负电荷中心不相重合心不相重合，即，即晶胞具有极性晶胞具有极性，那么，由，那么，由于晶体构造的周期性和重复性。晶胞的固于晶体构造的周期性和重复性。晶胞的固有电矩便会沿着同一方向排列整齐，使晶有电矩便会沿着同一方向排列整齐，使晶体处在高度的极化状态下，由于这种极化体处在高度的极化状态下，由于这种极化状态是在外场为零时自发地建立起来的，状态是在外场为零时自发地建立起来的，因此称为自发极化。因此称为自发极化。42 各种极化形式的比较各种极化形式的比较极化形式极化形式极化的电介极化的电介

27、质种类质种类极化的频率范围极化的频率范围 与温度的关与温度的关系系能量能量消耗消耗电子位移极化电子位移极化一切陶瓷一切陶瓷直流直流光频光频无关无关无无离子位移极化离子位移极化离子结构离子结构直流直流红外红外温度升高极温度升高极化增强化增强很弱很弱离子松弛极化离子松弛极化离子不紧密离子不紧密的材料的材料直流直流超高频超高频 随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有电子位移松弛电子位移松弛极化极化高价金属氧高价金属氧化物化物直流直流超高频超高频 随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有转向极化转向极化有机有机直流直流超高频超高频 随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有空间电荷极化空间电荷极化结构

28、不均匀结构不均匀的材料的材料直流直流高频高频随温度升高随温度升高而减小而减小有有43各种极化机制的频率范围各种极化机制的频率范围44空间电荷极化空间电荷极化转向极化转向极化离子极化离子极化电子极化电子极化色散色散损耗损耗等效电路等效电路微波微波红外红外紫外紫外驰豫驰豫空间电荷极化空间电荷极化转向极化转向极化共振共振离子极化离子极化电子极化电子极化相对介电常数的频率相关性相对介电常数的频率相关性45宏观极化强度与微观极化率宏观极化强度与微观极化率外加电场外加电场E外外E1 外加电场外加电场E外外(物体外部固定电荷所产生。物体外部固定电荷所产生。 即极板上的所有电荷所产生）即极板上的所有电荷所产生

29、） 构成物体的所有质点电荷的电场之和构成物体的所有质点电荷的电场之和E1 （退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生）退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生） E宏宏=E外外+E11 . 宏观电场：宏观电场：+462 . 原子位置上的局部电场原子位置上的局部电场Eloc （有效电场）有效电场） Eloc=E外外+E1+E2+E3+ + + + + + + + + + +E外外E1E2E3对于气体质点，其质点间对于气体质点，其质点间的相互作用可以忽略，局的相互作用可以忽略，局部电场与外电场相同。部电场与外电场相同。对于固体介质，周围介质对于固体介质，周围介质的极化作用对作用于特定的极化作用对作

30、用于特定质点上的局部电场有影响。质点上的局部电场有影响。作用于介质中质点的内电场作用于介质中质点的内电场周围介质的极化作用对作用周围介质的极化作用对作用于特定质点上的电场贡献。于特定质点上的电场贡献。47影响介电常数的因素：影响介电常数的因素：u介电类型介电类型u温度系数温度系数n介电常数与温度呈强的非线性关系，用温介电常数与温度呈强的非线性关系，用温度系数描述温度特征难度大度系数描述温度特征难度大n介电常数与温度呈线性关系，可以用温度介电常数与温度呈线性关系，可以用温度系数描述介电常数与温度的关系系数描述介电常数与温度的关系48材料的介电性材料的介电性电介质的物理参数电介质的物理参数介电损耗

31、介电损耗电介质在电场作用下的往往会发生电能转变为其电介质在电场作用下的往往会发生电能转变为其它形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损它形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损耗。耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫电能叫介质损耗介质损耗。 49介电损耗介电损耗损耗的能量与通过其内部的电流有关。加上电场损耗的能量与通过其内部的电流有关。加上电场后通过介质的全部电流包括：后通过介质的全部电流包括： 由样品几何电容的充电所造成的由样品几何电容的充电所造成的位移电流或电位移电流或电容电流容电流，这部分电流不损耗能量；，这部分电流不损耗能量； 由各种介

32、质极化的建立引起的电流，此电流与由各种介质极化的建立引起的电流，此电流与松弛极化或惯性极化、共振松弛极化或惯性极化、共振等有关，引起的损耗等有关，引起的损耗称为称为极化损耗；由介质的电导（漏导）造成的电流，这一电流与由介质的电导（漏导）造成的电流，这一电流与自由电荷有关，引起的损耗称为自由电荷有关，引起的损耗称为电导损耗电导损耗。50介电损耗介电损耗电导（或漏导）损耗电导（或漏导）损耗缺陷的存在，产生带束缚较弱的缺陷的存在，产生带束缚较弱的带电质点带电质点。带电质点在外电场的作用下沿着与电场平带电质点在外电场的作用下沿着与电场平行的方向做贯穿电极之间的运动。行的方向做贯穿电极之间的运动。实质相

33、当于实质相当于交流、直流电流流过电阻做功交流、直流电流流过电阻做功，一切实用工程介质材料不论是在直流或在一切实用工程介质材料不论是在直流或在交流电场作用下，都会发生漏导损耗。交流电场作用下，都会发生漏导损耗。51由于各种电介质极化的建立所造成的电流引起的损耗称为极化损耗，由于各种电介质极化的建立所造成的电流引起的损耗称为极化损耗，这里的极化一般是指弛豫型的。这里的极化一般是指弛豫型的。 结论：结论： 当外电场频率很低，即当外电场频率很低，即0时，各种极化都能跟上电场的变化，时，各种极化都能跟上电场的变化，即所有极化都能完全建立，介电常数达到最大，而不造成损耗；即所有极化都能完全建立，介电常数达

34、到最大，而不造成损耗； 当外电场频率逐渐升高时，松弛极化从某一频率开始跟不上外电当外电场频率逐渐升高时，松弛极化从某一频率开始跟不上外电场变化，此时松弛极化对介电常数的贡献减小，使场变化，此时松弛极化对介电常数的贡献减小，使随频率升高而显随频率升高而显著下降，同时产生介质损耗，当著下降，同时产生介质损耗，当时，损耗达到最大；时，损耗达到最大； 当外电场频率达到很高时，松弛极化来不及建立，对介电常数无当外电场频率达到很高时，松弛极化来不及建立，对介电常数无贡献，介电常数仅由位移极化决定，贡献，介电常数仅由位移极化决定， 0时，时， tan，此时无极，此时无极化损耗。化损耗。（说明：损耗角，大小可

35、以作为绝缘材料的判据（说明：损耗角，大小可以作为绝缘材料的判据 =tan）介电损耗介电损耗极化损耗极化损耗521）电离损耗电离损耗又称游离损耗，主要发生在含有气相的材料中。它们在又称游离损耗，主要发生在含有气相的材料中。它们在外电场强度超过了气孔内气体电离所需要的电场强度时，外电场强度超过了气孔内气体电离所需要的电场强度时，由于气体电离而吸收能量，造成损耗，即电离损耗。由于气体电离而吸收能量，造成损耗，即电离损耗。 当固态绝缘物中含有气孔时，由于在正常条件下气体的当固态绝缘物中含有气孔时，由于在正常条件下气体的耐受电压能力一般比固态绝缘物的低，而且电容率也比耐受电压能力一般比固态绝缘物的低，而

36、且电容率也比固态小，固态小，必须尽量减小介质中的气孔。必须尽量减小介质中的气孔。 材料的介电损耗材料的介电损耗532）结构损耗结构损耗在高频、低温下，与介质内部结构的在高频、低温下，与介质内部结构的紧密紧密程度程度密切相关的介质损耗。实验表明，密切相关的介质损耗。实验表明，结结构紧密构紧密的晶体或玻璃体的结构损耗都是很的晶体或玻璃体的结构损耗都是很小的。小的。一般材料，在高温、低频下，主要为一般材料，在高温、低频下，主要为电导电导损耗损耗；在常温、高频下，主要为松弛；在常温、高频下，主要为松弛极化极化损耗损耗；在高频、低温下主要为；在高频、低温下主要为结构损耗结构损耗。材料的介电损耗材料的介电

37、损耗541 介质在电场中的破坏介质在电场中的破坏介质的击穿：介质的击穿：外加电场强度超过某一临界值时，介质由介电外加电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态的现象。状态变为导电状态的现象。介电强度：介电强度：相应的临界电场强度。相应的临界电场强度。2 热击穿热击穿热击穿的本质：热击穿的本质：处于电场中的介质，由于介质损耗而受热；处于电场中的介质，由于介质损耗而受热；当外加电压足够高时，散热和发热从平衡状态转入非平衡状当外加电压足够高时，散热和发热从平衡状态转入非平衡状态，介质的温度将越来越高，直至出现永久性破坏。态，介质的温度将越来越高，直至出现永久性破坏。介电强度介电强度55固体

38、介质电击穿的碰撞电离理论：固体介质电击穿的碰撞电离理论： 在强电场作用下，固体导带中可能因冷或热发射存在一些在强电场作用下，固体导带中可能因冷或热发射存在一些电子，这些电子被加速，获得动能；电子，这些电子被加速，获得动能； 高速电子与晶格振动相互作用，把能量传递给晶格；高速电子与晶格振动相互作用，把能量传递给晶格； 上述两个过程在一定温度和场强下平衡时，固体介质有稳定上述两个过程在一定温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导；的电导； 当电子从电场中获得能量大于传递给晶格振动能量时，电当电子从电场中获得能量大于传递给晶格振动能量时，电子动能越来越大；子动能越来越大； 大到一定值，大到一定值，电

39、子与晶格振动的相互作用导致电离产生新电子与晶格振动的相互作用导致电离产生新电子电子，使电子数目迅速增加，电导进入不稳定状态，发生击穿。，使电子数目迅速增加，电导进入不稳定状态，发生击穿。电击穿电击穿56介电材料的类型有哪些？介电材料的类型有哪些？u气体电介质气体电介质u液体电介质液体电介质u固体电介质固体电介质无机电介质无机电介质有机电介质有机电介质低介装置陶瓷低介装置陶瓷高介电容器瓷高介电容器瓷独石电容器瓷独石电容器瓷强介铁电陶瓷强介铁电陶瓷压电与电光陶瓷压电与电光陶瓷微波介质陶瓷微波介质陶瓷玻璃电介质玻璃电介质57n 低介装置陶瓷低介装置陶瓷用用于于电电子子技技术术、微微电电子子技技术术、

40、光光电电子子技技术术中中起起绝绝缘缘作作用用的的陶陶瓷瓷装装置置零零件件、陶陶瓷瓷基基片片以以及及多多层层陶陶瓷瓷包包封封等的瓷料。等的瓷料。陶瓷基片陶瓷基片电子陶瓷零件电子陶瓷零件58应应用用：高高频频绝绝缘缘子子骨骨架架、电电子子管管底底座座、电电阻阻器器基基片片、厚膜混合集成电路基片厚膜混合集成电路基片、微波集成电路基片微波集成电路基片等。等。典型材料典型材料：氧化铝：氧化铝 滑石滑石 堇青石堇青石 镁橄榄石镁橄榄石氧化铍氧化铍BeO氮化铝氮化铝AlN氮化硼氮化硼BN透明陶瓷透明陶瓷LTCC基片瓷基片瓷n 低介装置陶瓷低介装置陶瓷59LTCC基片基片低低温温陶陶瓷瓷共共烧烧技技术术(LT

41、CC)是是一一种种先先进进的的混混合合电电路路封封装装技技术术，可可以以将将无无源源元元件件埋埋置置于于基基板板内内部部，而而将将有有源源元元件件贴贴装装于于基基板板表面，共同实现一定功能。表面，共同实现一定功能。 n 低介装置陶瓷低介装置陶瓷60Philips公司的公司的SIP全功能蓝牙组件全功能蓝牙组件环环路路滤滤波波、天天线线滤滤波波等等无无源源元元 件件 集集 成成 在在LTCCLTCC多多层层基基板板内部。内部。 ST公司的三频公司的三频GSM/GPRS收发器模块收发器模块 该该产产品品将将l部部手手机机的的外外围围元元器器件件数数量量从从80个个减减少少到到5个个，封封装装面积缩小

42、了面积缩小了5倍。倍。 n 低介装置陶瓷低介装置陶瓷61采用采用FERRO公司公司ULF系列粉料制作系列粉料制作的的LTCC电容电容实验室自制实验室自制NiZnCu铁铁氧体粉料制作的氧体粉料制作的LTCC电感电感n 低介装置陶瓷低介装置陶瓷62LTCC叠层片式叠层片式低低通滤波器通滤波器有效图形层为有效图形层为32层层三维尺寸三维尺寸2.0mm1.2mm0.9mmn 低介装置陶瓷低介装置陶瓷63陶瓷封装陶瓷封装多芯片组件多芯片组件MCMn MCM将将多多个个半半导导体体集集成成电电路路以以裸裸芯芯片片的的状状态态搭搭载载在在不不同同类类型型的的布布线线基基板板上上，经经整整体体封封装装而而构构

43、成成的的多多芯芯片片组件。组件。n MCM的的核核心心是是多多层层基基板板技术。技术。n MCM的的应应用用：武武器器系系统统、航航天天电电子子、高高频频雷雷达达、超超级级计计算算机机、通通信信、传传真真、数数据据处处理理、高高清清晰晰度度电电视视剧剧、摄摄像机、汽车电子等。像机、汽车电子等。n 低介装置陶瓷低介装置陶瓷64n 电性能：电性能：(a) 介电常数低，介电常数低，(b) 介电损耗小，介电损耗小，(c) 抗电强度高，抗电强度高，(d) 绝缘电阻高，绝缘电阻高，n 机械性能：机械性能：(a) 抗弯强度，抗弯强度，(b) 抗拉强度，抗拉强度，n 热性能：热性能：(a) 线热膨胀系数小线热

44、膨胀系数小(b) 热导率高热导率高(c) 热稳定性好热稳定性好性能性能特点特点n 低介装置陶瓷低介装置陶瓷65n 高介电容器瓷高介电容器瓷用用于于制制备备电电容容器器的的瓷瓷料料，介介电电常常数数的的变变化化范范围围很很大大(120至至600以上以上)，规格品种很多。，规格品种很多。纸质电容器纸质电容器陶瓷电容器陶瓷电容器电解电容器电解电容器钽电容器钽电容器可变电容器可变电容器电电容容器器是是一一种储能元件种储能元件66n 微波介质陶瓷微波介质陶瓷微微波波一一般般指指频频段段介介于于电电磁磁波波谱谱中中的的超超短短波波和和红红外外波波之间的电磁波，频率范围从之间的电磁波，频率范围从300MHz

45、到到3000GHz。p 分米波分米波：300MHz-3GHz，1m-10cm，特高频。，特高频。p 厘米波厘米波：3GHz-30GHz，10cm-1cm，超高频。，超高频。p 毫米波毫米波：30GHz-300GHz，1cm-1mm，极高频。，极高频。p 亚毫米波亚毫米波：300GHz-3000GHz，1mm-0.1mm，极，极 超高频。超高频。67p 微微波波介介质质陶陶瓷瓷是是近近年年才才迅迅速速发发展展起起来来的的一一类类新新型型功能电子陶瓷功能电子陶瓷。p 以以其其优优异异的的微微波波介介电电性性质质在在微微波波电电路路系系统统中中发发挥挥着着介介质质隔隔离离、介介质质波波导导、介介质质

46、谐谐振振等等一一系系列列电电路路功功能。能。p 正正在在对对微微波波电电路路的的小小型型化化、集集成成化化、高高品品质质化化作作出重要贡献。出重要贡献。n 微波介质陶瓷微波介质陶瓷68应用分类应用分类n 微波介质陶瓷微波介质陶瓷p 用用作作微微波波电电路路的的介介质质基基片片，起起着着电电路路元元器器件件及及线线路的承载、支撑、绝缘作用。路的承载、支撑、绝缘作用。p 用用作作微微波波电电路路的的电电容容器器，起起着着电电路路或或元元件件之之间间的的耦合和储能作用。耦合和储能作用。p 用用作作微微波波电电路路的的介介质质天天线线，起起着着集集中中吸吸收收存存储储电电磁波能量的作用。磁波能量的作用

47、。p 用用作作微微波波电电路路的的介介质质波波导导，起起着着导导引引电电磁磁波波沿沿一一定方向传播的作用。定方向传播的作用。p 用用作作微微波波电电路路的的介介质质谐谐振振器器件件，起起着着电电路路中中LC谐谐振电路的作用。振电路的作用。69GPS微微波波介介质质陶陶瓷瓷天天线线：具具有有扁扁平平状状小小型型结结构构、低低反反射射、轴轴比比小小、低低剖剖面面的的特特点点，广广泛泛应应用用于于1.575GHz频频段段的的手手机机、导航仪、导航仪、PDA等。等。 微微波波介介质质基基片片：在在中中低低温温烧烧结结, ,具具有有优优异异的的微微波波介介电性能和温度稳定性。电性能和温度稳定性。西安广芯

48、电子科技有西安广芯电子科技有限公司限公司70片片式式蓝蓝牙牙天天线线长长：长长度度仅仅5-9mm，具具有有重重量量轻轻、高高增增益益、结结构构紧紧密密、带带宽宽宽宽、低低成成本本的的特特点点，可可应应用用于于2.4GHz频频段段的的蓝蓝牙牙、无无线线局局域域网网、小小灵灵通通、个个人人数数字字蜂窝电话及家庭网络无线射频系统等。蜂窝电话及家庭网络无线射频系统等。 71压电效应：压电效应：正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷。在晶体两端将出现正

49、负电荷。逆压电效应逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，：在极性晶体上施加电场引起极化，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。1. 压电效应压电效应压电材料及热释电材料压电材料及热释电材料72正（顺）压电效应示意图正（顺）压电效应示意图F F F FF FF F 73极化方向极化方向+ + + + + + + + + + + + 极化方向极化方向+ + + + + + + + + + + + 自由电荷自由电荷释放电荷释放电荷极化方向极化方向+ + + + + + + + + + + + + + + + + 正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效

50、应74正压电效应的电位移与施加的应力有如下关系：正压电效应的电位移与施加的应力有如下关系： D=dTd:压电常数压电常数逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关系：逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关系： S=dEd:压电常数压电常数注：正、逆压电效应的压电常数一样。注：正、逆压电效应的压电常数一样。75石石英英晶晶体体具具有有压压电电效效应应，是是由由其其内内部部分分子子结结构构决决定定的的。图图中中是是一一个个单单元元组组体体中中构构成成石石英英晶晶体体的的硅硅离离子子和和氧氧离离子子，在在垂垂直直于于z z轴轴的的xyxy平平面面上上的的投投影影，等等效效为为一一个个正正六六边边形形

51、排排列列。 图图中中“”代代表表硅硅离离子子SiSi4+4+， “”代表氧离子代表氧离子O O2-2-。 石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理76硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图( (a a) )x xy y( (b b) )+ +x xy y+ + +- - - - - - - - - -77当当石石英英晶晶体体未未受受外外力力作作用用时时，正正、负负离离子子正正好好分分布布在在正正六六边边形形的的顶顶角角上上，形形成成三三个个互互成成120夹夹角角的的电电偶偶极极矩矩P P1、P P2、P P3。 如图所示。如图所示。 ( (a a) ) F Fx x=0=

52、0x xy y+ +P P1 1P P2 2P P3 3- - -+ + +- -因为因为P P = qL（q为电荷量，为电荷量，L为为正负电荷之间的距离），此时正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即的矢量和等于零，即 P P1+P P2+P P30所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。78( (b b) ) F Fx x00x x+ +F Fx xy y+ +- -F Fx x- -P P1 1P P2 2P P3 3- - -+ + +- -+ + + +- - -当晶体受到沿当晶体受到沿x方向的压力（

53、方向的压力（F F x 0 在在y、z方向上的分量为方向上的分量为: (P P1+P P2+P P3)y = 0 (P P1+P P2+P P3)z= 079当晶体受到沿当晶体受到沿x方向的拉力（方向的拉力（F Fx 0）作用时，其）作用时，其变化情况如图变化情况如图5-5（c）所示。电偶极矩）所示。电偶极矩P P1增大，增大， P P2、 P P3减小，此时它们在减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为三个方向上的分量为 (P P1 +P P2 +P P3) x00y yx x+ + + +F Fx xF Fx xP P2 2P P3 3P P1 1+ + + +- - -+ +- -

54、- - -p在在x轴的正向出现负电轴的正向出现负电荷，在荷，在y、z方向依然方向依然不出现电荷。不出现电荷。80 2. 压电材料的性能压电材料的性能（1）机电偶合系数）机电偶合系数（2）机械品质因数）机械品质因数（3）频率常数）频率常数（4）压电常数）压电常数（5）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。介电质的基本性能：介电常数、介电损耗等介电质的基本性能：介电常数、介电损耗等特殊应用要求的性能：如：滤波器要求谐振频率稳定特殊应用要求的性能：如：滤波器要求谐振频率稳定性高性高813. 压电振子谐振特性及振动模式压电振子谐振特性及振动模式阻抗阻抗频率频率反谐振

55、反谐振谐振谐振压电振子：极化后的压电体。压电振子：极化后的压电体。谐振的产生：对压电振子施加交变电场，当电场频谐振的产生：对压电振子施加交变电场，当电场频率与压电体的固有频率一致时，产生谐振。率与压电体的固有频率一致时，产生谐振。(1) 谐振特性谐振特性82（2）压电振子的振动模式）压电振子的振动模式 伸缩振动、切变振动、弯曲振动伸缩振动、切变振动、弯曲振动薄片型薄片型极极化化方方向向薄长片薄长片极化方向极化方向厚度振动厚度振动径向振动径向振动轮廓振动或轮廓振动或长度振动长度振动横向效应横向效应沿轴向振动沿轴向振动厚度切厚度切变振动变振动83伸缩振动：伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振

56、动。极化方向与电场方向平行时产生的振动。包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。切变振动：切变振动：极化方向与电场方向垂直时产生的振动。极化方向与电场方向垂直时产生的振动。包括平面切变振动、厚度切变振动。包括平面切变振动、厚度切变振动。纵向效应：纵向效应：弹性波传播方向与极化轴平行。弹性波传播方向与极化轴平行。横向效应：横向效应：弹性波传播方向与极化轴垂直。弹性波传播方向与极化轴垂直。弯曲振动：弯曲振动：具有两种以上激励电极的振子，在极化方具有两种以上激励电极的振子，在极化方向与电场方向平行而施加的方式不同时，产生的振动。向与电场方向平行而施加的方式不同时，产生的振动。

57、包括厚度弯曲和横向弯曲。包括厚度弯曲和横向弯曲。84各种振动模式可达到的频率范围各种振动模式可达到的频率范围振动模式振动模式 频频 率率 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G弯曲振动弯曲振动长度振动长度振动轮廓振动轮廓振动径向振动径向振动厚度振动厚度振动能阱振动能阱振动声表面波声表面波854 . 压电材料及其应用压电材料及其应用钛酸钡钛酸钡钛酸铅钛酸铅锆酸铅锆酸铅钛锆酸铅钛锆酸铅非钙钛矿型：非钙钛矿型： 焦绿石、硫化镉、氧化锌、氮化铝（1）材料）材料钙钛钙钛矿型矿型86（2） 应用应用电声器：扬声器、送话筒、电声器：扬声器、送话筒、水下通讯和探测：水声换能器、鱼群探测器水下通讯

58、和探测：水声换能器、鱼群探测器雷达中的陶瓷表面波器件雷达中的陶瓷表面波器件通讯设备：陶瓷滤波器通讯设备：陶瓷滤波器精密测量：压力计精密测量：压力计红外技术：红外热电探测器红外技术：红外热电探测器高压电源：变压器高压电源：变压器87高压引线高压引线压电陶瓷点火器压电陶瓷点火器垫块垫块外外壳壳冲击块冲击块V V88V2V2输入输入输出输出伸缩振动伸缩振动压电陶瓷变压器压电陶瓷变压器89弯曲振动弯曲振动剪切振动剪切振动90全波模谐振全波模谐振应力分布应力分布位移分布位移分布应力分布应力分布位移分布位移分布半波模谐振半波模谐振91+ + + + + +单片陶瓷压电膜单片陶瓷压电膜压电换能器压电换能器9

59、2+ + + 串联型串联型双双膜片压电振子膜片压电振子+ + + + +_ _ _ _ _+ + + + +_ _ _ _ _ V等效电路等效电路93并联型并联型+ + + + + +双双膜片压电振子膜片压电振子+ + + + +_ _ _ _ _+ + + + +_ _ _ _ _ 94压电陶瓷滤波器压电陶瓷滤波器mVfr2 fa2 fr1 fa1 fmV1221f损耗损耗在频率附近的信号衰在频率附近的信号衰减最小减最小fa2（2的反谐的反谐振）振） = fr1（1的谐振）的谐振）95典型压电材料及应用典型压电材料及应用压电材料分类压电材料分类u压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料压

60、电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料u从晶体结构分，钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型及铋层从晶体结构分，钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型及铋层结构等结构等u从化合物成分角度分：一元系统、二元系统，三元系统从化合物成分角度分：一元系统、二元系统，三元系统一元系统一元系统BaTiO3和和PbTiO3 PbTiO3 TC =490 PbTiO3工工艺性能差，性能差，Pb蒸蒸发，出，出现“粉化粉化”现象，象，Li2O、NiO、MnO2引入引入形成形成缓冲晶界冲晶界96热释电晶体材料（Pgro- electric crystals） 1.热释电效应 某些晶体当温度变化时，产生电极化现象，并且电极化强度随温

61、度变化而发生变化。一般地，电极化强度随着温度升高，出现某方向极化的增强，随着温度下降，沿此方向的极化的减弱。这种现象称作热释电效应。具有这种效应的晶体称作热释电晶体。 热释电晶体的自发极化强度PS与温度变化T成线性关系， PS= PS TPS或用表示，称作热释电晶体的热释电常数。 我们已经知道，压电晶体的结构特征是无对称中心，热释电晶体首先是压电晶体，故它们也没有对称中心，另另外外，还还必必须有一个极轴须有一个极轴。97热释电效应与晶体结构热释电效应与晶体结构u具有自发式极化是前提条件具有自发式极化是前提条件u32种晶体对称型中，有种晶体对称型中，有21种不具有对称中心，种不具有对称中心，10

62、种具有极化轴种具有极化轴u只有存在极化轴的晶体才有热释电效应只有存在极化轴的晶体才有热释电效应热释电晶体类型热释电晶体类型u具有不为外电场作用转向的自发式极化的晶具有不为外电场作用转向的自发式极化的晶体体u具有为外电场作用转向的自发式极化的晶体具有为外电场作用转向的自发式极化的晶体（铁电体）（铁电体） 98热释电材料及其应用热释电材料及其应用 热释电单晶热释电单晶 LiNbO3、LiTiO3、 （Ba，Sr)Nb2O6热释电材料热释电材料 热释电陶瓷，热释电陶瓷，PZT，PLZT992.热释电晶体应用热释电晶体应用 热热释释电电晶晶体体有有许许多多方方面面的的应应用用，其其中中在在高高新新技技

63、术术领领域域的的应应用用主主要要是是作作为为热热释释电电探测仪和热释电摄像仪。其原理如图所示。探测仪和热释电摄像仪。其原理如图所示。 如如图图所所示示，用用热热释释电电晶晶片片制制作作光光源源接接收收器器，并并将将热热释释电电晶晶片片与与电电极极连连接接。热热释释电电晶晶体体受受光光源源照照射射，可可以以转转换换为为电电流流。采采用用信信号号转转换换器器，将将此此电电流流转转换换为为图图像像，就就是是热热释释电电成成像像的的器器件件。如如果果热热释释电电晶晶体体所所能能进进行行电电光光转转换换的的光光源源波波长长处处在在红红外外光光范范围围，则则可可以以制制作作为为红红外外探探测测仪仪或或红红

64、外外成成像像仪仪。这这些些技技术术已已应应用用在在医医疗疗检检测测和和军军事事、民用等领域。民用等领域。接电极入射光源热释电晶片热释电探测器原理100铁电性铁电性电滞回线，电滞回线，罗息盐罗息盐（酒石酸钾钠（酒石酸钾钠NaKC4H4O64H2O）的）的极化强度随外加电场极化强度随外加电场的变化如右图所示。的变化如右图所示。铁电体，铁电体，具有电滞回具有电滞回线性质的晶体线性质的晶体。（晶。（晶体中并不含有铁）体中并不含有铁）101由于电滞回线与铁磁体的磁滞回线相似，因此，把具由于电滞回线与铁磁体的磁滞回线相似，因此，把具有这种晶体称为铁电体。有这种晶体称为铁电体。研究发现，当把罗息盐加热到研究

65、发现，当把罗息盐加热到2424，电滞回线消失，电滞回线消失- -铁电体具有自发极化现象，即电偶极矩在外电场作铁电体具有自发极化现象，即电偶极矩在外电场作用下可以转向，甚至反向。在同一电场强度下，极化用下可以转向，甚至反向。在同一电场强度下，极化强度可以有双值。强度可以有双值。 存在电畴存在电畴102电畴，电畴，铁电体自发极化时能量升高，状态不稳定，铁电体自发极化时能量升高，状态不稳定，晶体趋向于分成许多小区域，每个小区域电偶极子晶体趋向于分成许多小区域，每个小区域电偶极子沿同一方向，不同小区域的电偶极子方向不同，每沿同一方向，不同小区域的电偶极子方向不同，每个小区域为电畴。个小区域为电畴。畴壁

66、，畴壁，畴之间的边界地区，决定畴壁厚度的因素是畴之间的边界地区，决定畴壁厚度的因素是各种能量平衡的结果。各种能量平衡的结果。铁电体在外电场作用下，趋向于与外电场方向一致，铁电体在外电场作用下，趋向于与外电场方向一致，称为称为畴转向。畴转向。通过新畴的出现，发展和畴壁移动来通过新畴的出现，发展和畴壁移动来实现的；外加电铲去除后，小部分电畴偏离极化方实现的；外加电铲去除后，小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，大部分停留在新转向的极化方向上，向，恢复原位，大部分停留在新转向的极化方向上，为剩余极化。为剩余极化。103BaTiO3晶体电畴结构示意图晶体电畴结构示意图电矩反平行方向电矩反平行方向1800畴

67、壁畴壁900畴壁畴壁斜方晶系里有斜方晶系里有600和和1200畴，菱形晶系里有畴，菱形晶系里有710和和1090畴畴104电滞回线是铁电体的铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述电滞回线是铁电体的铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述电畴运动是通过新畴的出现、发展和畴壁移动实现的。电畴运动是通过新畴的出现、发展和畴壁移动实现的。在外电场作用下，铁电畴总是趋向于与外电场方向一致在外电场作用下，铁电畴总是趋向于与外电场方向一致畴转向；畴转向；1800畴主要是通过尖劈型新畴发展来的，畴主要是通过尖劈型新畴发展来的，900畴主要是畴壁侧畴主要是畴壁侧向移动实现的。向移动实现的。105没有外电场时，晶体总电没有

68、外电场时，晶体总电矩为零。矩为零。加上外加电场时，沿电场加上外加电场时，沿电场方向的畴扩展变大，与电场方方向的畴扩展变大，与电场方向的畴变小，因此，总的极化向的畴变小，因此，总的极化强度随外电场增加而增加，表强度随外电场增加而增加，表现为图中的现为图中的OA段。段。随着电场强度的继续增大，随着电场强度的继续增大，晶体电畴都趋向于电场方向，晶体电畴都趋向于电场方向，类似于形成一个单畴，表现为类似于形成一个单畴，表现为图中的图中的OB段。段。继续增加电场强度，极化继续增加电场强度，极化强度与电场强度呈线性关系，强度与电场强度呈线性关系，表现为表现为BC段。段。106若电场强度自若电场强度自C处下处下降，晶体极化强度也随降，晶体极化强度也随之减小，之减小，E=0时的极化强时的极化强度度Pr称之为剩余极化强度。称之为剩余极化强度。反向电场强度为反向电场强度为-Ec时，剩余极化强度消失。时，剩余极化强度消失。反向电场继续增大，反向电场继续增大，极化强度开始反向，直极化强度开始反向，直至反向极化达到饱和，至反向极化达到饱和，表现为图中的表现为图中的G点。点。Ec为矫顽电场强度。为矫顽电场强度。107108一般电介质、压电体、热释电体、铁电体间的关系一般电介质、压电体、热释电体、铁电体间的关系109