1、第七章第七章 材料的介電性能材料的介電性能電路板中包括：電路板中包括：導線、電阻元件、電容元件、電感元件等導線、電阻元件、電容元件、電感元件等集成電路包括：集成電路包括：金屬布線金屬布線 半導體元件半導體元件 （二極管、三極管、（二極管、三極管、MOS管等）管等） 電阻元件電阻元件 電容元件電容元件 電感元件電感元件E金屬導線、金屬導線、 半導體元件、半導體元件、 電阻元件電阻元件帶電粒子在電場作用下以帶電粒子在電場作用下以傳導傳導的方式傳遞電的作用的方式傳遞電的作用帶電粒子進行的是帶電粒子進行的是長程遷移長程遷移 絕緣體絕緣體中沒有可以自由移動的電荷，電荷被束縛在平中沒有可以自由移動的電荷，

2、電荷被束縛在平 衡位置上，衡位置上，能夠承受較強的外電場能夠承受較強的外電場。E電容元件電容元件在在電場作用下能充放電。不能導電，是絕緣材料電場作用下能充放電。不能導電，是絕緣材料本章內容本章內容7.1 7.1 電介質的基本概念電介質的基本概念7.2 7.2 鐵電體鐵電體7.3 7.3 壓電體壓電體7.1 7.1 電介質的基本概念電介質的基本概念一、電介質一、電介質電介質：電介質：能承受較強的外電場，同時能承受較強的外電場，同時在外電場作用下在外電場作用下，束縛，束縛電荷出現短程運動與位移（原子尺度范圍內），結果促使電荷出現短程運動與位移（原子尺度范圍內），結果促使正正負電荷中心偏移負電荷中心

3、偏移，通過這種方式來傳遞、存儲或記錄外電場，通過這種方式來傳遞、存儲或記錄外電場的影響。的影響。理解電介質材料和導電材料的區別在電介質中起主要作用的是束縛著的電荷，在電介質中起主要作用的是束縛著的電荷，它們以它們以感應而感應而并非以傳導并非以傳導的方式傳遞電的作用和影響。的方式傳遞電的作用和影響。二二 介電系數及極化的基本概念介電系數及極化的基本概念兩平行金屬板兩平行金屬板中間為真空介質中間為真空介質極板面積：極板面積：S S板間距板間距:d:d外加電場外加電場:V ,:V , 平行板電容器平行板電容器1 1、介電系數、介電系數dVE V V單位電場下，極板表面產生的電荷量單位電場下，極板表面

4、產生的電荷量VQCooSQDoo真空電容：真空電容：極板上的電荷密度：極板上的電荷密度：結果：結果：極板表面產生極板表面產生Q Q0 0的電荷量的電荷量單位面積內，極板表面產生的電荷量單位面積內，極板表面產生的電荷量V VQ0-+真空介電系數：真空介電系數：SdCVdSQEDoooo0 =8.8510-12F/mV VQ0-+極板面積：極板面積：S S板間距板間距:d:d電場電場:V :V 電電介介質質V將極板間的真空介質換為電介質材料將極板間的真空介質換為電介質材料結果：結果：極板上產生極板上產生Q的電荷量的電荷量電介質表面會感應出電荷電介質表面會感應出電荷Q 正極板感應出正極板感應出負電荷

5、負電荷 負極板感應出負極板感應出正電荷正電荷電電介介質質+QQV-極化電荷不同于金屬中的極化電荷不同于金屬中的自由電子，不能用傳導方法自由電子，不能用傳導方法將其引走。將其引走。極化電荷極化電荷不能離開電介質不能離開電介質到極板上，也不能在電介質到極板上，也不能在電介質內部自由移動，內部自由移動， 極化電荷：極化電荷：電電介介質質+QQV-電介質的極化：電介質的極化：在外電場中，電介質表面出現在外電場中，電介質表面出現 極化電荷的現象。極化電荷的現象。QQQQQSQDo極板上的電荷密度：極板上的電荷密度：電介質的極化后：電介質的極化后：電電介介質質+QQV-介電系數：介電系數：SdCEDC C

6、：電介質電容：電介質電容的大小反映電介質在電場中的極化特性，的大小反映電介質在電場中的極化特性， 介電常數值越大，極化能力越強。介電常數值越大，極化能力越強。電電介介質質+QQV-ooorCCQQ相對介電系數：相對介電系數：放入電介質后，極板的電荷量和電容量相比真空介質增大放入電介質后，極板的電荷量和電容量相比真空介質增大 這是因為電介質的極化作用導致了增大。這是因為電介質的極化作用導致了增大。VQ0-+電電介介質質+QQV-QQQo真空真空空氣空氣乙醇乙醇水水石英石英玻璃玻璃石蠟石蠟1.000001.0005926.480.14.274.343.802.02.5氧化鋁氧化鋁NaCl鈦酸鈣鈦酸

7、鈣 金紅石（金紅石（TiO2）鈦酸鋇鈦酸鋇11.2813.276.12130150861701604500聚乙烯聚乙烯聚四氟乙烯聚四氟乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯環氧樹脂環氧樹脂天然橡膠天然橡膠酚醛樹脂酚醛樹脂2.262.114.553.64.12.62.95.18.6常見材料的相對介電常數常見材料的相對介電常數00SCdr相對介電系數：相對介電系數：極板（電極層的直徑極板（電極層的直徑）電解質電解質(電解質的直徑電解質的直徑1)24 .14Cdr圓形試樣：圓形試樣：0 0 =8.85=8.851010-12-12F/mF/md: 圓片的厚度圓片的厚度：電極層的直徑電極層的直徑電場作用下電解質和導體不

8、同電場作用下電解質和導體不同電介質電介質導體導體導電性導電性不導電不導電導電導電在靜電場中在靜電場中 束縛電荷在電場力作用下束縛電荷在電場力作用下在原子范圍內作微觀的相在原子范圍內作微觀的相對位移對位移 可以自由移動的帶電粒可以自由移動的帶電粒子在電場力作用下作宏子在電場力作用下作宏觀移動觀移動 靜電平衡時靜電平衡時內部場強內部場強E 0內部場強內部場強E=0l 介質極化的微觀質點是原子、分子、離子、電子等，介質極化的微觀質點是原子、分子、離子、電子等，l 無外電場時，質點正負中心重合，無外電場時，質點正負中心重合，不顯電性。不顯電性。l 有外電場時，正負重心不重合，正負電荷之間拉開一段距離。

9、有外電場時，正負重心不重合，正負電荷之間拉開一段距離。無外電場無外電場有外電場有外電場材料內部材料內部2 2 極化的微觀機制極化的微觀機制正負電荷重合正負電荷重合電偶極子：電偶極子：由大小相等、符號相反、彼此相距為l的兩點電荷(+q、-q)所組成的束縛系統，稱為偶極子，l+q-q電偶極矩：電偶極矩：表示微觀上質點在外電場的極化情況。q l極化率：極化率：表示單位電場作用下的電偶極矩。locEa =E Elocloc：作用在粒子上的有效電場，：作用在粒子上的有效電場，包括外加宏觀電場，周圍包括外加宏觀電場，周圍極化質點對其作用的微觀電場。極化質點對其作用的微觀電場。a:a: 表征材料的極化能力，

10、只與材料的性質有關表征材料的極化能力，只與材料的性質有關。極化強度：極化強度：單位體積內的電偶極矩矢量總和稱為 極化強度，用P表示。locolociaEnVaEVP= 極化強度表明電解質材料在電場作用下的極化程度極化強度表明電解質材料在電場作用下的極化程度 n n0 0：單位體積內的極化粒子數單位體積內的極化粒子數dQ i介電系數與極化參數的關系：介電系數與極化參數的關系：SQSdQdP000QQ1QQQrVPi=電電介介質質VQQQQQoooorQQCC其中其中：其中其中：()SQ1-=0rP電電介介質質VQQ()SVC1-=0rPVQC00()()EP0r0r1-=SdSV1-=其中：其中

11、：其中：其中：dSC0=0其中：其中：E為外加電場為外加電場 的電場強度的電場強度EEloc00rn1電電介介質質VQQEP0r1-其中：其中：locaEnP0= 提高電介質的介電常數：提高電介質的介電常數： 提高單位體積內的極化粒子數提高單位體積內的極化粒子數n0； 選取極化率選取極化率 大的粒子組成電介質；大的粒子組成電介質； 增強作用于極化粒子上的有效電場增強作用于極化粒子上的有效電場Eloc。 位移極化位移極化電子位移極化電子位移極化離子位移極化離子位移極化取向極化取向極化電疇轉向極化電疇轉向極化空間電荷極化空間電荷極化松弛極化松弛極化電子松弛極化電子松弛極化離子松弛極化離子松弛極化電

12、介質極化的類型：電介質極化的類型：1 1、 電子位移極化電子位移極化電子位移極化電子位移極化:當物質原子里的電子軌道受到外電場當物質原子里的電子軌道受到外電場E 的的作用時，其負電荷作用中心相對于原子核產生位移，形作用時，其負電荷作用中心相對于原子核產生位移，形成偶極子，稱電子的位移極化。成偶極子，稱電子的位移極化。未加外電場時，原子核未加外電場時，原子核周圍的電子云的負電荷周圍的電子云的負電荷平均中心與帶正電荷的平均中心與帶正電荷的原子核相重合，因而電原子核相重合，因而電偶極矩為零。偶極矩為零。外加電場作用下，電子云外加電場作用下，電子云的平均中心將相對于原子的平均中心將相對于原子核產生位移

13、，形成感應電核產生位移，形成感應電矩，介質被極化。矩，介質被極化。（一）位移極化（一）位移極化（1）電子位移極化建立的時間很短）電子位移極化建立的時間很短，約在，約在10-14 10-16 s范圍。如范圍。如果所加電場為交變電場，即使電場頻率高達光頻，電子位移極果所加電場為交變電場，即使電場頻率高達光頻，電子位移極化也來得及響應。化也來得及響應。電子位移極化的特點：電子位移極化的特點：交變電場：交變電場：tieEE0=：電場交變的角頻率：電場交變的角頻率f 2=f：電場交變頻率：電場交變頻率Et交變電場的頻率交變電場的頻率f 大，交變周期短大，交變周期短交變電場的頻率交變電場的頻率f 小，交變

14、周期長小，交變周期長交變電場的頻率交變電場的頻率f 小，交變周期長小，交變周期長當電介質兩端加交變電壓時，若頻率低，交變時間長，當電介質兩端加交變電壓時，若頻率低，交變時間長，電介質的極化電介質的極化跟得上跟得上外電場的交變頻率變化。外電場的交變頻率變化。即，交變電壓達最大時，極板電荷有足夠時間達最大；即，交變電壓達最大時，極板電荷有足夠時間達最大； 電壓降為零時，極板電荷為零；電壓降為零時，極板電荷為零； 電壓方向，極板電荷反向。電壓方向，極板電荷反向。電電介介質質EQEt 當兩端加交變電壓的頻率高，交變時間短，極化完成時間大于當兩端加交變電壓的頻率高，交變時間短，極化完成時間大于 交變周期

15、的交變周期的1/4，電介質的極化，電介質的極化跟不上跟不上外電場的交變頻率變化。外電場的交變頻率變化。 交變電壓達最大時，極化尚未完成，極板電荷也未最大；交變電壓達最大時，極化尚未完成，極板電荷也未最大； 電壓降為零時，極化尚未消除，極板電荷不能降為零；電壓降為零時，極化尚未消除，極板電荷不能降為零； 電壓方向，剩余極板電荷中和反向充電電荷。并以熱形式釋放。電壓方向，剩余極板電荷中和反向充電電荷。并以熱形式釋放。交變電場的頻率交變電場的頻率f 大，交變周期短大，交變周期短（2）電子位移極化率與溫度無關。）電子位移極化率與溫度無關。溫度的高低不足以改變溫度的高低不足以改變原子或離子的半徑。原子或

16、離子的半徑。（3）外電場消失，偶極子消失，整體恢復中性）外電場消失，偶極子消失，整體恢復中性.（4）電子位移極化存在于一切電介質中。）電子位移極化存在于一切電介質中。電子位移極化率：電子位移極化率：原子核受到有效電場作用力原子核受到有效電場作用力電子云與原子核之間的相互吸引力電子云與原子核之間的相互吸引力原子處于一種新的平衡狀態原子處于一種新的平衡狀態在這個新平衡狀態中，該原子具有一個有限大小的感應偶極矩，用表示感應偶極矩的大小，loceE = e e電子位移極化率電子位移極化率電子電子云云原子原子核核如下圖的電子位移模型，如下圖的電子位移模型，電子的電荷量為電子的電荷量為e，如原子序數為如原

17、子序數為Z，原子半徑為原子半徑為R，在電場作用下，原子核沿電場方向相對于電子在電場作用下，原子核沿電場方向相對于電子云中心偏移云中心偏移l 距離。距離。原子核收到的有效電場力：locZeEF =1電子云對原子核恢復力（庫侖吸引）：30224)(=RlZeF平衡時：21=FF則：locEZeRl)/4(=30原子感應偶極矩： locERlZe304=可得原子的電子位移極化率： 304=ReloceE =已知： 結論：3 Re隨著原子半徑增加，電子極化率變大。因為，半徑越大，原子對電子的束縛越小，電子越易極化形成偶極子。eeEn0=eP電子位移極化強度：電子位移極化強度：e0n304=ReRloc

18、eEn0=eP（n n0 0：單位體積內的極化粒子數）單位體積內的極化粒子數）R3ReeP實際：實際：3Re比較大的幾種離子比較大的幾種離子:Pb2+O2-Zr4+Ti4+B3+1.891.201.21 1.041.142 2 離子位移極化離子位移極化離子位移極化：離子位移極化：對于離子組成的分子，在電場作用下，正負離子都要產生有限范圍的位移，因而使介質產生感應偶極矩。這種感應偶極矩是正負離子之間出現相對位移的結果。離子位移極化的特點：離子位移極化的特點： （1）極化完成時間很短，約為）極化完成時間很短，約為l0-1310-12s，當外加交變電場的，當外加交變電場的頻率不太高時，低于紅外線光頻

19、率，可以認為頻率不太高時，低于紅外線光頻率，可以認為與頻率無關。與頻率無關。交變電場交變電場（2）屬彈性極化，外電場去掉后，依靠正、負電荷間外電場去掉后，依靠正、負電荷間 的吸引力，作用中心又馬上會重合，對外不顯電性。的吸引力，作用中心又馬上會重合，對外不顯電性。（3）離子位移極化與溫度存在著相反的兩種關系，）離子位移極化與溫度存在著相反的兩種關系，即離子間結合力隨溫度升高而降低，使極化程度增加；即離子間結合力隨溫度升高而降低，使極化程度增加；但離子的密度隨溫度升高而減小，則使極化程度降低。但離子的密度隨溫度升高而減小，則使極化程度降低。通常前一種因素影響較大通常前一種因素影響較大：離子位移極

20、化率：離子位移極化率i3+3+）（rr a ia 晶格常數晶格常數lociEn0=PT, l , , P T, n0, P 極化強度：極化強度：（二）（二）松弛極化松弛極化 完整晶體中，完整晶體中，離子都處于正常的節點，能量最低，最穩離子都處于正常的節點，能量最低，最穩定，是強聯系離子。在電場作用下，只能產生彈性位移定，是強聯系離子。在電場作用下，只能產生彈性位移極化（極化（極化質點仍處于原位置附近）。極化質點仍處于原位置附近）。1 離子離子松弛極化松弛極化 如果完整晶體中存在缺陷（如玻璃態物質、結構松散的離子晶體及晶如果完整晶體中存在缺陷（如玻璃態物質、結構松散的離子晶體及晶體的雜質缺陷區域

21、）。體的雜質缺陷區域）。缺陷處的離子能量較高，容易受熱激活，越過缺陷處的離子能量較高，容易受熱激活，越過勢壘，在不同的平衡位置之間躍遷，缺陷處的離子是弱聯系離子。勢壘，在不同的平衡位置之間躍遷，缺陷處的離子是弱聯系離子。弱聯系離子的形成弱聯系離子的形成當外加電場是當外加電場是0 0，弱束縛離子在各方向的運動幾率相等，弱束縛離子在各方向的運動幾率相等，所以相互抵消，無附加的偶極矩產生。所以相互抵消，無附加的偶極矩產生。UxABU 躍遷幾率相同躍遷幾率相同X0=E缺陷區缺陷區缺陷區缺陷區當外加電場不為當外加電場不為0，在電場作用下，弱聯系離子沿電場方向，在電場作用下，弱聯系離子沿電場方向遷移幾率增

22、加，從而在沿電場方向產生過剩躍遷的離子，使遷移幾率增加，從而在沿電場方向產生過剩躍遷的離子，使電介質電荷分布不均，從而產生電偶極矩。電介質電荷分布不均，從而產生電偶極矩。離子松弛極化就是弱聯系離子的遷移過程離子松弛極化就是弱聯系離子的遷移過程。沿電場方向遷移幾率增加沿電場方向遷移幾率增加離子松弛極化的特點：離子松弛極化的特點：（1）極化建立的時間約為）極化建立的時間約為10 -910-2。（2）弱離子極化時，離子在不同的平衡位置之間躍遷，）弱離子極化時，離子在不同的平衡位置之間躍遷，需要越過勢壘，即需要消耗一定的能量當外電場去掉后，需要越過勢壘，即需要消耗一定的能量當外電場去掉后，離子不能回到

23、原來的平衡位置，是非彈性極化。離子不能回到原來的平衡位置，是非彈性極化。（3）弱離子極化時，離子的遷移是不可逆的，遷移距離）弱離子極化時，離子的遷移是不可逆的，遷移距離可達晶格常數數量級，比離子位移極化時的彈性位移極可達晶格常數數量級，比離子位移極化時的彈性位移極化要大得多。化要大得多。（4）弱離子極化不同于離子電導，離子電導屬于長程運動。）弱離子極化不同于離子電導，離子電導屬于長程運動。弱離子極化時，離子的遷移距離有限，只能在結構松散或弱離子極化時，離子的遷移距離有限，只能在結構松散或缺陷區附近運動，越過勢壘到新的平衡位置）。缺陷區附近運動，越過勢壘到新的平衡位置）。l離子松弛極化率與溫度成

24、反比，離子松弛極化率與溫度成反比，隨溫度上升而下降。隨溫度上升而下降。因為溫度增加，熱運動對弱離子規則運動的阻礙增加因為溫度增加，熱運動對弱離子規則運動的阻礙增加（碰撞幾率增加）。（碰撞幾率增加）。 離子松弛極化率：離子松弛極化率： q 離子荷電量離子荷電量每躍遷一次的距離每躍遷一次的距離kTqt12=222 電子電子松弛極化松弛極化 晶格的熱振動、晶格缺陷、雜質引入、化學成分局晶格的熱振動、晶格缺陷、雜質引入、化學成分局部改變等因素，是電子能態發生改變，出現位于禁帶部改變等因素，是電子能態發生改變，出現位于禁帶中的局部能級，從而形成弱束縛電子。中的局部能級，從而形成弱束縛電子。弱束縛電子的形

25、成：弱束縛電子的形成： 在晶格的熱振動下，弱束縛電子可以吸收一定的能量晶格的熱振動下，弱束縛電子可以吸收一定的能量由較低的能級躍遷到較高的能級上。由較低的能級躍遷到較高的能級上。無外加電場時，無外加電場時，弱束縛電子弱束縛電子在各方向的運動幾率相等，在各方向的運動幾率相等，所以相互抵消，無附加的偶極矩產生。所以相互抵消，無附加的偶極矩產生。有外加電場時，有外加電場時，外加電場使弱束縛電子的運動具有方向外加電場使弱束縛電子的運動具有方向性形成極化，成為性形成極化，成為電子松弛極化電子松弛極化。電子松弛極化的特點：電子松弛極化的特點：（1）不可逆過程。）不可逆過程。（2）電子可做短距離運動，所以電

26、子松弛極化的介質往往）電子可做短距離運動，所以電子松弛極化的介質往往 具有電子的電導特性。具有電子的電導特性。（3）極化建立的時間約為）極化建立的時間約為10 -910-2。（1）松馳極化的帶電質點在熱運動時移動的距離可以有分子）松馳極化的帶電質點在熱運動時移動的距離可以有分子大小，甚至更大。大小，甚至更大。（2）松馳極化中質點需要克服一定的勢壘才能移動，因此這）松馳極化中質點需要克服一定的勢壘才能移動，因此這種極化建立的時間較長（可達種極化建立的時間較長（可達10-910-2秒）秒）,并且需要吸收并且需要吸收一定的能量，所以這種極化是一種不可逆的過程。一定的能量，所以這種極化是一種不可逆的過

27、程。（3 3）松馳極化多發生在晶體缺陷處或玻璃體內。）松馳極化多發生在晶體缺陷處或玻璃體內。（4 4）松馳極化比位移極化大一個數量級，因此電解質的介電松馳極化比位移極化大一個數量級，因此電解質的介電常數較大。常數較大。松馳極化的特點：松馳極化的特點：1 電疇轉向極化電疇轉向極化自發極化：自發極化：對于一些特殊的材料（如對于一些特殊的材料（如鈦酸鋇等鐵電材料），晶胞不僅鈦酸鋇等鐵電材料），晶胞不僅結構結構上沒有對稱中心上沒有對稱中心，而且在無外力作用，而且在無外力作用時晶胞本身的時晶胞本身的正、負電荷中心不重合正、負電荷中心不重合，即即晶胞具有極性晶胞具有極性，由于這種極化狀態，由于這種極化狀態

28、是在外場為零時自發地建立起來的，是在外場為零時自發地建立起來的，因此稱為自發極化。因此稱為自發極化。BaTiO3的結構的結構（三）（三） 取向極化取向極化 Ti4+O2-間距大，故氧八面體間隙大，間距大，故氧八面體間隙大，Ti4+離子能在氧八面離子能在氧八面體中振動。體中振動。BaTiO3自發極化產生的原因自發極化產生的原因BaTiO3的自發極化起因在于鈦離子的位移的自發極化起因在于鈦離子的位移T120，Ti4+處在各方幾率相同處在各方幾率相同（穩定地偏向某一個氧離子的幾率（穩定地偏向某一個氧離子的幾率為零），對稱性高，順電相。為零），對稱性高，順電相。T120，Ti4+由于熱漲落，偏離一由于

29、熱漲落，偏離一方，形成偶極矩。方，形成偶極矩。偶極子偶極子l電疇：電疇：由于晶體構造的周期性和重復性。晶胞的固有電矩由于晶體構造的周期性和重復性。晶胞的固有電矩便會沿著同一方向排列整齊便會沿著同一方向排列整齊，電偶極矩在一定的子區域內，電偶極矩在一定的子區域內取向相同，這些區域就稱為電疇或疇。取向相同，這些區域就稱為電疇或疇。l疇壁：疇壁：疇的間界。疇的間界。有外加電場有外加電場有外加電場有外加電場無外加電場時：無外加電場時：電疇在晶體中分布雜亂無章，使整個晶體電疇在晶體中分布雜亂無章，使整個晶體表現為電中性，宏觀上無極性。表現為電中性，宏觀上無極性。外電場作用時：外電場作用時：沿電場方向極化

30、疇長大，逆電場方向的疇消沿電場方向極化疇長大，逆電場方向的疇消失，其它方向分布的電疇轉到電場方向，極化強度隨外加電失，其它方向分布的電疇轉到電場方向，極化強度隨外加電場的增加而增加，一直到整個結晶體成為一個單一的極化疇場的增加而增加，一直到整個結晶體成為一個單一的極化疇為止。如再繼續增加電場只有電子與離子的極化效應，和一為止。如再繼續增加電場只有電子與離子的極化效應，和一般電介質一樣。般電介質一樣。無外加電場無外加電場有外加電場有外加電場電疇轉向極化電疇轉向極化特點特點（1）范圍）范圍：極性分子構成的電介質。極性分子構成的電介質。（2）能耗）能耗：分子轉向存在摩擦，有明顯能量損耗。分子轉向存在

31、摩擦，有明顯能量損耗。（3）與頻率關系）與頻率關系：極化完成時間約為極化完成時間約為l0-10-10-2s，甚至更長，甚至更長，有可能跟不上交變電場的變化，使極化率減小。有可能跟不上交變電場的變化，使極化率減小。（4）與場強關系）與場強關系：與外加電場有關，外電場越強，極性分子與外加電場有關，外電場越強，極性分子的轉向排列就越整齊，取向極化就越強。的轉向排列就越整齊，取向極化就越強。（5）電疇轉向極化比位移極化高兩個數量級）電疇轉向極化比位移極化高兩個數量級空間電荷極化常常發生在不均勻介質中。空間電荷極化常常發生在不均勻介質中。在電場作用下，不均在電場作用下，不均勻介質內部的勻介質內部的正負間

32、隙離子分別向負、正極移動正負間隙離子分別向負、正極移動，引起電介質，引起電介質內各點離子密度的變化，內各點離子密度的變化，出現了電偶極距出現了電偶極距。這種極化叫作空間。這種極化叫作空間電荷極化。在電極附近積聚的離子電荷就是空間電荷。電荷極化。在電極附近積聚的離子電荷就是空間電荷。2 空間電荷極化空間電荷極化實際上晶界，相界，晶格畸變，雜質等缺陷區都可成為實際上晶界，相界，晶格畸變，雜質等缺陷區都可成為自由電荷運動的障礙，在這些障礙處，自由電荷積聚，自由電荷運動的障礙，在這些障礙處，自由電荷積聚，也會形成空間電荷極化也會形成空間電荷極化 -+-+-+E（1）空間電荷極化隨溫度升高而下降。因為溫

33、度升高，）空間電荷極化隨溫度升高而下降。因為溫度升高，離子運動加劇，離子擴散容易，因而空間電荷減少。離子運動加劇，離子擴散容易，因而空間電荷減少。（2）空間電荷的建立需要較長時間，大約幾秒到數十）空間電荷的建立需要較長時間，大約幾秒到數十分鐘，甚至數十小時，因此空間電荷極化對低頻下的介分鐘，甚至數十小時，因此空間電荷極化對低頻下的介電性質有影響。電性質有影響。空間電荷極化的特點：空間電荷極化的特點：各種極化機制的頻率范圍各種極化機制的頻率范圍 當電場頻率較低時當電場頻率較低時，電子位移極化、離子位移極化、取向極，電子位移極化、離子位移極化、取向極化都跟得上電場的變化，因此極化程度高，介電系數大

34、化都跟得上電場的變化，因此極化程度高，介電系數大。 在高頻區（紫外），在高頻區（紫外），只有電子位移極化能跟上電場的變化，只有電子位移極化能跟上電場的變化，介電系數降低到只有電子位移極化所貢獻的值，介電常數介電系數降低到只有電子位移極化所貢獻的值，介電常數很小。很小。 -1000000100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000600650700750800850900950100010501100115012001250 X=0 X=0.01 X=0.02 X=0.04T33/0頻率/HZBaxSr1-xTiO3的介頻譜的介頻

35、譜 主要針對對于主要針對對于松弛極化和電疇轉向極化松弛極化和電疇轉向極化的材料的材料(1)松弛極化松弛極化極化強度：極化強度：loctoiEanVP= 可遷移的弱束縛離子數可遷移的弱束縛離子數n0 at kTqt12=22TP出現極值出現極值()EP0r1-=隨著隨著T，介電常數介電常數存在極值存在極值TTCn0為主為主at為主為主TC：居里溫度居里溫度(2) 電疇轉向極化電疇轉向極化如：如：BaTiO3材料材料 BaTiO3為鈣鈦礦結構，由為鈣鈦礦結構，由Ba2+離子與離子與O2-離子一起立離子一起立方堆積，方堆積，Ti4+處于氧八面處于氧八面體體心。體體心。 溫度不同溫度不同BaTiO3發

36、生相變發生相變三方三方T-80正交正交-80 T0四方四方0T120a=b=c, = =90bac三方晶系三方晶系正交晶系正交晶系baca b c, = = =90立方晶系立方晶系a=b=c, = = =90bc四方晶系四方晶系a=b c, = = =90bca當當T120，BaTiO3處在立方晶系，處在立方晶系， BaTiO3晶體保持高晶體保持高的對稱性，自發極化為零，不存在電疇轉向極化。的對稱性，自發極化為零，不存在電疇轉向極化。0T120， BaTiO3處在四方晶系，處在四方晶系， Ti離子平均熱振動離子平均熱振動 能降低，有可能向某一個氧離子靠近，在新平衡位置上固定能降低，有可能向某一

37、個氧離子靠近，在新平衡位置上固定下來，發生自發極化下來，發生自發極化(產生電偶極距產生電偶極距)，存在電疇轉向極化。，存在電疇轉向極化。依次，依次， BaTiO3處在三方相和正交相時，處在三方相和正交相時，都具有自發極化的，都具有自發極化的，因此存在電疇轉向極化。因此存在電疇轉向極化。立方立方四方四方正交正交三方三方BaTiO3的介電常數與溫度的關系的介電常數與溫度的關系介電系數與溫度成線性關系介電系數與溫度成線性關系如果如果T，造成，造成n0特別明顯，使得特別明顯，使得P，這樣，介電系數與溫度成線性關系。這樣，介電系數與溫度成線性關系。但是溫度過高時但是溫度過高時， 可遷移的可遷移的n0過多

38、，材料可能產生電導，所過多，材料可能產生電導，所以這種線性關系是有限度的。以這種線性關系是有限度的。對于松弛極化來說，對于松弛極化來說，電介質在電場作用下的往往會發生電能轉變為電介質在電場作用下的往往會發生電能轉變為其它形式的能（如熱能）的情況，即發生電能的損耗。其它形式的能（如熱能）的情況，即發生電能的損耗。將電將電介質在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介質損耗。介質在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介質損耗。這種能量的損耗和熱量的放出是電場對電介質作用的第二這種能量的損耗和熱量的放出是電場對電介質作用的第二個結果個結果(第一個結果是引起電介質的極化第一個結果是引起電介質的極化)1 電導損耗

39、電導損耗2 極化損耗極化損耗3 電介質結構損耗電介質結構損耗1 電導損耗電導損耗理想的電介質中不存在電導，也不存在電導損耗，但實理想的電介質中不存在電導，也不存在電導損耗，但實際工作中，際工作中，任何介質都不是理想的絕緣體任何介質都不是理想的絕緣體，由于電介質，由于電介質中存在弱聯系離子或空位，這些載流子在電場作用下可中存在弱聯系離子或空位，這些載流子在電場作用下可能產生電導，載流子運動過程中因克服電阻所消耗的電能產生電導，載流子運動過程中因克服電阻所消耗的電能，就是能，就是電導損耗或漏導損耗電導損耗或漏導損耗。 產生電導產生電導損耗的原因損耗的原因 制品表面污染制品表面污染 空氣濕度高空氣濕

40、度高 外界溫度過高，引起熱缺陷增多外界溫度過高，引起熱缺陷增多2 極化損耗極化損耗由各種極化機構在電場作用下發生的能量損耗稱為極化損耗。由各種極化機構在電場作用下發生的能量損耗稱為極化損耗。 極化損耗極化損耗 松弛極化損耗松弛極化損耗 電疇轉向極化損耗電疇轉向極化損耗 共振吸收損耗共振吸收損耗l 松弛極化損耗松弛極化損耗松弛極化的產生主要是由于極化所需要的時間較長松弛極化的產生主要是由于極化所需要的時間較長如果外加交變電場的頻率如果外加交變電場的頻率f 0，各種極化都能跟上電場的各種極化都能跟上電場的變化，即所有極化都能完全建立，介電常數達到最大，而不變化，即所有極化都能完全建立，介電常數達到最大，而不造成損耗。造成損耗。當外電場頻率逐漸升高時，當外電場頻率逐漸升高時，松弛極化從某一頻率開始跟不上松弛極化從某一頻率開始跟不上外電場變化，此時松弛極化對介電常數的貢獻減小，使外電場變化，此時松弛極化對介電常數的貢獻減小，使隨隨頻率升高而顯著下降，同時產生介電損耗，介電損耗反映了頻率升高而顯著下