介電特性Oct.22,2010包定華中山大學理工學院E-mail:stsbdh@1介電常數、介電損耗介電頻譜、溫譜介電材料的主要物理性質及測量介電材料的應用簡介主要內容2介電常數、介電損耗3表征材料導電性的大小

電學性質1.電導率4電學性質歐姆定律歐姆定律微分形式決定電導率的基本參數

載流子(n,個/m3)：電子、空穴、正離子、負離子載流子遷移率(載流子在單位電場中的遷移速度)

μ=ν/E

m2/(v.s)電流密度（單位時間通過單位截面積的電荷量）

J＝nqv電導率

σ=J/E=nqv／E=nqμ5理解材料的電導現象，必須明確幾個問題：1）參與遷移的是哪種載流子—有關載流子的類別2）載流子的數量有多大---有關載流子濃度、載流子的產生過程3）載流子遷移速度的大小---有關載流子輸運過程電導機制：1）離子電導：一些電介質、絕緣材料2）電子電導：半導體、導電、超導電學性質6電介質電容、介電常數真空電容Co=Qo/V＝

os/d電介質電容C＝Q/V=r

os/d相對介電常數

εr=C/C0

電學性質介電常數是表征電介質的最基本的參量。是衡量電介質在電場下的極化行為或儲存電荷能力的參數。2.介電常數7在實際應用中，通常用損耗角正切表示電介質在交變電場下的損耗電學性質3.介電損耗

電介質在電場作用下,電導和部分極化過程會將一部分電能轉變為其它形式的能（如熱能），即發生電能的損耗。常將電介質在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介質損耗。

(由電導和極化過程引起)

單位體積的介質損耗功率：84.電介質的擊穿-絕緣強度電介質的擊穿一般外電場不太強時，電介質只被極化，不影響其絕緣性能。當其處在很強的外電場中時，電介質分子的正負電荷中心被拉開，甚至脫離約束而成為自由電荷，電介質變為導電材料。當施加在電介質上的電壓增大到一定值時，使電介質失去絕緣性的現象稱為擊穿(breakdown)。外加電場強度超過某一臨界值時，介質由介電狀態變為導電狀態的現象。電學性質9介電強度：相應的臨界電場強度熱擊穿熱擊穿的本質：處于電場中的介質，由于介質損耗而受熱；當外加電壓足夠高時，散熱和發熱從平衡狀態轉入非平衡狀態，介質的溫度將越來越高，直至出現永久性破壞。擊穿電場強度

E=V/h

V—擊穿電壓；h—材料厚度擊穿電壓——電介質（或電容器）擊穿時兩極板的電壓10電擊穿固體介質電擊穿的碰撞電離理論：在強電場作用下，固體導帶中可能因冷或熱發射存在一些電子，這些電子被加速，獲得動能；高速電子與晶格振動相互作用，把能量傳遞給晶格；上述兩個過程在一定溫度和場強下平衡時，固體介質有穩定的電導；當電子從電場中獲得能量大于傳遞給晶格振動能量時，電子動能越來越大；大到一定值，電子與晶格振動的相互作用導致電離產生新電子，使電子數目迅速增加，電導進入不穩定狀態，發生擊穿。載流子數目迅速增加。11電介質：在電場作用下，能建立極化的物質。通常是指電阻率大于1010·cm的一類在電場中以感應而并非傳導的方式呈現其電學性能的物質。電介質的主要性能：

介電常數

介電損耗

介電強度122極化

polarization

在電場作用下，電介質中束縛著的電荷發生位移或者極性隨電場方向改變的現象，稱為電介質的極化。3自發極化spontaneouspolarization

在沒有外電場作用時，晶體中存在著由于電偶極子的有序排列而產生的極化，稱為自發極化。1介電常數dielectricconstant表征材料極化并儲存電荷能力的物理量稱為介電常數，用ε表示，無量綱。13電介質在電場作用下的極化程度用極化強度矢量P表示，極化強度P是電介質單位體積內的感生偶極矩，可表示為：極化強度的單位為庫侖/米2(C/m2)V宏觀上無限小微觀上無限大的體積元pi每個分子的電偶極矩P=limpiV電偶極矩14電偶極矩：=ql（單位：庫侖·米）電偶極矩的方向：負電荷指向正電荷。電偶極矩的方向與外電場的方向一致。介質的極化強度P：P=/V單位介質體積內的電偶極矩總和。或束縛電荷的面密度。

±-q+qlE偶極子15電介質的極化材料可按其對外電場的響應方式區分為兩類：導電材料：以電荷長程遷移即傳導的方式對外電場作出響應導體中的自由電荷在電場作用下定向運動，形成傳導電流。電介質：以感應的方式對外電場作出響應，即沿著電場方向產生電偶極矩或電偶極矩的改變，這類材料稱為電介質，這種現象稱為電介質的極化。在電介質中，原子、分子或離子中的正負電荷以共價鍵或離子鍵的形式被相互強烈地束縛著，通常稱為束縛電荷。在電場作用下，正、負束縛電荷只能在微觀尺度上作相對位移，不能作定向運動。正負束縛電荷間的相對偏移，產生感應偶極矩。在外電場作用下,電介質內部感生偶極矩的現象，稱為電介質的極化。16電介質分為非極性電介質和極性電介質兩大類。

非極性電介質由非極性分子組成，在無外電場時分子的正負電荷重心互相重合，不具有電偶極矩。只是在外電場作用下正負電荷出現相對位移，才出現電偶極矩。極性電介質由極性分子組成，即使在無外場時每個分子的正負電荷重心也不互相重合，具有固有電矩，它與鐵電性有密切關系。17基本概念真空平行板電容器介電材料電場電位移極化強度金屬板表面的(正的與負的)自由電荷介電材料表面的束縛電荷真空介電常數(8.85×10-12As/Vm)相對介電常數電容18電位移矢量真空電位移材料極化強度極化率相對介電常數非極化極化介電性質適用于：電機械熱極化極化響應19極化類型電子極化電子云與原子核的相對位移誘導電偶極子離子極化陰、陽離子的相對位移誘導電偶極子轉向極化固有電偶極子的指向在外場中轉向空間電荷極化在絕緣體界面移動載流子形成的極化電介質的極化20電子極化電子極化由電子云構成的負電荷中心(-Ze0)在外電場中相對于帶正電的原子荷(+Ze0)的位移引起的電位移誘導偶極子微觀極化率電極化率：原子/分子密度21離子極化是由離子晶體中陽離子(＋Q)與陰離子(-Q)的位移引起的電位移誘導偶極子微觀極化率電極化率：原子/分子密度離子電荷Ki描述了晶格的反作用力，Ki取決于晶格參數(離子間距，晶體結構，束縛能….)離子極化22取向極化電偶極矩pi分子電偶極矩pi電極化強度P平均微觀極化率aor線性近似電極化率cor2324介電損耗的形式電介質在電場作用下，內部通過的電流包括：1）電容電流：由樣品的幾何電容充電引起電流（位移電流）；2）介質極化的建立引起電流：與極化弛豫有關；3）介質的電導（漏導）造成的電流：與自由電荷有關。能量損耗：極化弛豫損耗、電導損耗、振動損耗介電損耗25損耗因子在真空中的平行平板式電容器兩極板上加交變電壓V=Voeit，電容上的電流與外電壓相差90o的位相。由Q=CoVV=Q/Co=Idt/CoI=CodV/dt電容上的電流：Io=iCoV兩極板間充入非極性完全絕緣的材料，電容上的電流：I=iCV=irCoV=rIo

26如果介質有微弱的導電，則其中有一個與外加電壓相位相同的小電流（I=iCV+GV）通過ViCV設電導G僅由自由電荷產生，則:G=S/d,由于電容:C=lS/d則電流密度:j=(il+)E=*E=il*E復電導率*的定義：*=il+復介電常數的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項/電容項=/l

得：=ltg（

ltg

僅與介質有關）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據）復電導率*的定義：*=il+復介電常數的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項/電容項=/l

得：=ltg（

ltg

僅與介質有關）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據）復電導率*的定義：*=il+復介電常數的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項/電容項=/l

得：=ltg（

ltg

僅與介質有關）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據）復電導率*的定義：*=il+復介電常數的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項/電容項=/l

得：=ltg（

ltg

僅與介質有關）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據）27時間介電弛豫理想電介質實際電介質VQIVQI電荷累積與電流特性28極化強度隨時間變化的速率與其最終數值和某時刻實際值之差有以下關系：d(Pt－Po)/dt=[(P－Po)－(Pt－Po)]/Pt－Po=(P－Po)(1－e-t/

)時間P理想實際PoP29考慮自由電荷與束縛電荷的弛豫對介電常數的影響，復介電常數普通表達式：l*=l′-il′′

則：tg=l′′/l′有：=ltg=l′tg=l′′

（=l′′介質的等效電導率）30空間電荷極化轉向極化離子極化電子極化色散損耗等效電路微波紅外紫外馳豫空間電荷極化轉向極化共振離子極化電子極化相對介電常數的頻率相關性31電子極化轉向極化共振與馳豫32介電頻譜、溫譜3334德拜公式：

r()=+[(0)-]

/(1+i)r′=+[(0)-]

/(1+22)（r()實部）r′′=[(0)-]

/(1+22)（r()虛部）

tg=r′′/r′

其中：(0)-----低或靜態的相對介電常數

------時的相對介電常數德拜研究了電介質的介電常數r′、反映介電損耗的r′′、所加電場的角頻率及松弛時間間的關系。35

=1，r′′最大，大于或小于1時，r′′都小，即：松弛時間和所加電場的頻率相比，較大時，偶極子來不及轉向，r′′就小；松弛時間比所加電場的頻率還要迅速，r′′也小。36373839損耗的原因：由于共振使電流與電壓同位相。401復介電常數與頻率的關系41424344452復介電常數與溫度的關系由于τ隨溫度變化劇烈，因而復介電常數與溫度密切相關。并且嚴格地講，εs和ε∞也與溫度有關。光頻介電常數ε∞是彈性位移極化貢獻的介電常數，可表示為：設Ee≈E，則上式近似可表示為：因為αe和αi與溫度無關，因此ε∞隨溫度變化主要是由于單位體積中極化離子數n0隨溫度變化引起的，即由電介質密度變化引起的。由于材料密度在一定范圍內與溫度成線性關系，且變化不大，因此ε∞隨溫度升高略微線性下降。靜態介電常數εs可表示為：464748介電溫譜49復合電介質A2A1理想復合電介質，電導率并聯：

50復合電介質令為復合電介質等效介電常數51復合電介質串聯：

d1d252復合電介質對于m種介質并聯對于m種介質串聯

53實際雙層電介質加上電壓u

穩態時在達到穩態之前，雙層介質的電場隨時間發生變化，其傳導電流密度隨時間發生變化：54復合電介質盡管傳導電流在界面上不連續，但全電流連續位移電流

直流電壓：55復合電介質56復合電介質等效電導率

雙層介質界面上自由電荷面密度

57介電材料主要物理性質的測量58測量儀器舉例596061626364656667686970Pyroelectricmeasurement71重要介電材料的結構72介質的極化特性與其晶體結構的內在聯系

按照晶體對稱性，其可分為7大晶系，32種點群。其中有20種點群不具有中心對稱，它們的電偶極矩可因彈性形變而改變，因而具有壓電性并稱為壓電體。在壓電體中具有唯一極軸（又稱為自發極化軸）的10種點群可出現自發極化，即在無外電場存在的情況下也存在電極化。它們因受熱產生電荷，故稱為熱釋電體。在這些極性晶體中，因外加電場作用而改變自發極化方向的晶體便是鐵電體。因此，凡是鐵電體必然是熱釋電體，而熱釋電體也必然是壓電體。73++----++未加應力加應力正負電荷中心不分開，不產生極化結構含有正負離子含有對稱中心的結構-±74極化+++------++++-未加應力加應力產生極化，正負電荷中心分開不具有自發極化特性，但為不對稱中心結構，在外力的作用下，產生極化。75自發極化鐵電體的位移性理論：自發極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置，使單位晶胞中出現了偶極矩，偶極矩之間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新的位置上穩定下來，同時晶體結構發生了畸變。鈦酸鋇的結構：鈣鈦礦型結構????????°°76等軸晶系（大于120oC）：

晶胞常數：a=4.01A

氧離子的半徑：1.32A

鈦離子的半徑：0.64A鈦離子處于氧八面體中，兩個氧離子間的空隙為：4.01－2×1.32=1.37鈦離子的直徑：2×0.64=1.2877結果：氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。較高溫度時，熱振動能比較大，鈦離子難于在偏離中心的某一個位置上固定下來，接近六個氧離子的幾率相等，晶體保持高的對稱性，自發極化為零。溫度降低，鈦離子平均熱振動能降低，因熱漲落，熱振動能特別低的離子占很大比例，其能量不足以克服氧離子電場作用，有可能向某一個氧離子靠近，在新平衡位置上固定下來，并使這一氧離子出現強烈極化，發生自發極化，使晶體順著這個方向延長，晶胞發生輕微畸變，由立方變為四方晶體。78????????°°鈦、氧離子的位移固有偶極子自發極化：這種極化狀態并非由外電場引起，而是由晶體的內部結構引起。在這類晶體中，每一個晶胞內存在有固有電矩，通常將這類晶體稱為極性晶體。一般介電極化，是介質在外電場作用下引起，沒有外電場，這些介質的極化強度為0。79電介質材料壓電材料熱釋電材料鐵電材料32種點群-20個點群具有壓電性10個含單一對稱軸，具有自發極化（熱釋電）自發極化能被電場轉向（鐵電）808182838485861.鐵電材料的鈣鈦礦結構ABO3型鈣鈦礦結構鈣鈦礦結構以BaTiO3的結構為代表，許多鐵電、介電、壓電、光電以及高溫超導材料都具有鈣鈦礦結構，如：

BaTiO3,PbZrO3(Na1/2Bi1/2)TiO3，(K1/2Bi1/2)TiO3Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O387ABO3型鈣鈦礦晶胞結構離子A、B、O的半徑RA、RB、RO滿足下列關系才能組成ABO3結構：RA+RO=√2t（RB+RO）

式中t為容差因子，可以在0.9~1.1范圍內，這樣A離子半徑約為1.00~1.40A，B離子半徑約為0.45~0.75A，氧離子半徑為1.32A88鐵電體的定義是指在某溫度范圍內具有自發極化且極化強度可以因外電場而反向的晶體。鐵電體的兩個主要特點是：一是具有電滯回線，另一個是具有許多電疇。鐵電晶體內自發極化一致的區域稱為電疇。鐵電體中一般包含著多個電疇。兩個相鄰電疇自發極化間的夾角可以為180?或90?，分別稱為180?疇和90?疇。鐵電性：在一定溫度范圍內具有自發極化，在外電場作用下，自發極化能重新取向，電位移矢量與電場強度間的關系呈電滯回線特征。89電滯回線Hysteresisloop電疇結構Domainstructure居里溫度CurietemperatureTc介電反常Dielectricanomaly鐵電體的主要特征901.鐵電體的電滯回線

電滯回線是鐵電體的一個特征。它是鐵電體的極化強度P隨外加電場強度E的變化軌跡。

Ps飽和極化Pr剩余極化Ec

矯頑電場91PolarizationVoltage+VcPrPsFCDBADFACBDomainmovementP=-PrP=0P=+PsP=+PrP=-Ps

Domain:theregionwhichhasthesamepolarity

Vc(CoerciveVoltage):thevoltagewherethenetpolarizationiszeroHysteresisvs.domainmovement92電滯回線表明，鐵電體的極化強度與外電場之間呈現非線性關系，而且極化強度隨外電場反向而反向。極化強度反向是電疇反轉的結果，所以電滯回線表明鐵電體中存在電疇。所謂電疇就是鐵電體中自發極化方向一致的小區域，電疇與電疇之間的邊界稱為疇壁。鐵電晶體通常多電疇體，每個電疇中的自發極化具有相同的方向。

Ferroelectrics

hysteresisloops932、電疇ferroelectric

domain鐵電體內自發極化相同的小區域稱為電疇，電疇與電疇之間的交界稱為疇壁兩種重要的疇結構：90°疇壁180°疇94Ferroelectric

domains95無外加電場時，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。外電場作用時，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。96某些材料在機械力作用下產生變形，會引起表面帶電的現象，而且其表面電荷密度與應力成正比，這稱為正壓電效應。反之，在某些材料上施加電場，會產生機械形變，而且其應變與電場強度成正比，這稱為逆壓電效應。正壓電效應和逆壓電效應統稱為壓電效應。如果施加的是交變電場，材料將隨著交變電場的頻率作伸縮振動。施加的電場強度越強，振動的幅度越大。3、壓電效應piezoelectriceffect

力→形變→電壓正壓電效應電壓→形變逆壓電效應97電致伸縮效應electrostrictive

effect

晶體在受到外電場E激勵下產生形變S，但二者呈非線性關系，形變S與電場的平方E2呈線性關系，即：

S∝E2這種效應稱為電致伸縮效應。與壓電效應的區別：

壓電效應產生的應變與電場成正比，當電場反向時，應變改變符號，即正向電場使材料伸長，反向電場使材料縮短。

電致伸縮效應產生的應變與電場的平方成正比，當電場反向時，應變不改變符號，即無論正向電場或反向電場均使試樣伸長（縮短）。984、熱釋電效應pyroelectriceffect

由于溫度的變化，晶體出現結構上的電荷中心相對位移，使自發極化強度發生變化，從而在兩端產生異號的束縛電荷，這種現象稱為熱釋電效應。99當晶體從高溫降溫經過Tc時，要經過一個從非鐵電相（有時稱順電相）到鐵電相的結構相變。溫度高于Tc時，晶體不具有鐵電性，溫度低于Tc時，晶體呈現出鐵電性。通常認為晶體的鐵電結構是由其順電結構經過微小畸變而成，所以鐵電相的晶格對稱性總是低于順電相的對稱性。如果晶體存在兩個或多個鐵電相時，只有順電-鐵電相變溫度才稱為居里點；晶體從一個鐵電相到另一個鐵電相的轉變溫度稱為相變溫度或過渡溫度。

5、居里溫度Tc

Curietemperature

晶體順電相-鐵電相的臨界轉變溫度Tc稱為居里溫度100鐵電體的介電性質、彈性性質、光學性質和熱學性質等在居里點附近都要出現反常現象，其中研究的最充分的是“介電反常”。大多數鐵電體的介電常數在居里點附近具有很大的數值，其數量級可達，104-105，此即鐵電體在臨界溫度的“介電反常”。

介電反常：臨界特征居里-外斯定律Curie-Weisslaw當溫度高于居里點時，鐵電體的介電常數與溫度的關系服從居里-外斯定律：式中：C為居里-外斯常數；T為絕對溫度；T0為順電居里溫度，或稱居里-外斯溫度。

101

BaTiO3陶瓷材料的鐵電性能在1942年被人們發現，由于其性能優良，工藝簡便，很快被應用于介電、壓電元器件。1954年人工法成功制備出BaTiO3單晶，至今，BaTiO3陶瓷仍是應用的最廣泛和研究得比較透徹的一種鐵電材料。BaTiO3陶瓷材料102＞120℃，立方晶胞0℃～120℃，四方晶胞-80℃～0℃，正交晶胞＜-80℃，三角晶胞

BaTiO3

晶體結構有立方相、四方相、斜方相和三方相等晶相，均屬于鈣鈦礦型結構的變體，四方相、斜方相和三方相為鐵電相，立方相為順電相。BaTiO3的晶體結構103鈦酸鋇晶體的自發畸變與溫度的關系

104SpontaneouspolarizationofBaTiO3105介電常數隨溫度的變化顯示明顯的非線性，室溫介電常數一般為3000～5000，在居里溫度處（120℃）發生突變，可達10000以上。BaTiO3的介電-溫度特性106改變居里溫度使介電常數峰值處于可利用的溫度范圍。摻雜Sr2+取代Ba2+可降低居里溫度。摻雜Pb2+取代Ba2+則升高居里溫度。

BaTiO3的晶粒尺寸一般為3～10μm，采用高價陽離子取代會抑制晶體成長。如：摻雜La3+取代Ba2+或Nb5+取代Ti4+減小晶粒尺寸。晶粒尺寸對BT介電常數的影響107在居里溫度以上，BaTiO3的介電常數隨溫度的變化遵從居里-外斯定律：其中：AT為居里—外斯常數；Tc為居里溫度（120℃）上式化為：108表征介電常數溫度穩定性的容溫變化率如下式所示：其中：C20為陶瓷樣品在20℃時的電容（1KHz）；

CT為陶瓷樣品在溫度T時的電容（1KHz）Z5V型電容器瓷料，10℃～85℃，-56%≤△C/C≤+22%Y5U型電容器瓷料，-25℃～85℃，-80%≤△C/C≤+30%X7R型電容器瓷料，-55℃～125℃，-15%≤△C/C≤+15%109TypeofferroelectricstructuresSrBiTaO(SBT)SrBiTaO292Octahedral2groupOctahedral3groupOctahedral4groupOctahedral1group

ABO3ASiteOxygenBSiteex)Pb(TixZr1-x)O3(PZT)Bi-layerstructurePerovskitestructurePP110Pb(Zr,Ti)O3PbZr,TiOPerovskite,subsymmetryofcube(tetragonal,rhombohedral)polar,ferroelectricHighdielectricconstant(600..1300),Rel.highdielectriclossangle(film:2..4%)Rel.goodinsulator(Eg=3.5eV)Softer,notasgoodrfacousticmaterial(lossesduetodomainrelaxationsat>100MHz)ImportantFerroelectricMaterialsRhombohedralTetragonalPbZrO3PbTiO3MPB350oCPsacaPsaaaaCubicPerovskiteSrOTiPbOZr,Ti111弛豫鐵電陶瓷，是鐵電材料大家族中的一重要分支，其獨特的弛豫特性將傳統理論認為互無聯系的弛豫現象和鐵電現象聯系到一起。介電常數高（10000～40000）相對低的燒結溫度（＜1200℃）電致伸縮效應大（L/L達10-3）剩余極化小電致應變滯后小容溫變化率低（＜±10%）主要是含鉛的Pb(B1B2)O3系列復合鈣鈦礦結構材料，其中：B1為典型的低價陽離子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+，Sc3+等；B2為典型的高價陽離子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+等。弛豫鐵電陶瓷112最早發現的鉛系弛豫鐵電陶瓷是Pb(Mg1/3Nb2/3)O3（簡稱PMN），該材料于50年代由前蘇聯科學家G.A.Smolensky等人最先制備出來，此后又發展出多種復合鈣鈦礦型弛豫鐵電陶瓷材料，代表性的有：

Pb(Zn1/3Nb2/3)O3、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3、Pb(Fe1/2Nb1/2)O3、Pb(Sc1/2Ta1/2)O3（簡稱PZN、PNN、PFN、PST)等。傳統理論認為弛豫現象和鐵電現象是互不相關的兩種現象，普通鐵電體和極性介質弛豫體是完全不同、互無聯系的兩大類材料。但是復合鈣鈦礦結構化合物既有明顯的鐵電性質，又呈現強烈的弛豫特點。也就是說，這一類材料將正常鐵電體和極性介質弛豫體聯系起來。

113普通鐵電體BaTiO3和弛豫鐵電體Pb(Mg1/3Nb2/3)O3的介溫性能曲線弛豫鐵電體與正常鐵電體相比，主要特征有：⑴彌散相變，即順電－鐵電相變是逐漸的變化而非突變，表現為介電常數與溫度的關系曲線中介電峰的寬化，高于居里溫度附近仍存在自發極化和電滯回線；⑵頻率色散，即在Tm附近低溫側介電峰和損耗峰隨測試頻率的提高，而略向高溫方向移動，而介電峰值和損耗峰分別隨頻率增加而略有降低和增加。114鐵電弛豫體ferroelectricrelaxor相變不是發生于一個溫度點，而是發生于一個溫度區間，因而電容率特性不顯示尖銳的峰，而呈現出相當寬的平緩的峰電容率呈現極大值的溫度隨測量頻率的升高而升高電容率虛部呈現峰值的溫度低于實部呈現峰值的溫度，而且測量頻率越高，峰值差別越大Kighelman,DamjanovandNSetter,

JApplPhys90(2001)4684115電容率于溫度的關系不符合居里-外斯定律，而可表示為類居里-外斯定律即使順電相具有對稱中心，在以上相當高的溫度仍可觀測到壓電性和二次諧波發生等效應；有場致相變，在一定的電場強度下會出現鐵電相；有很大的電致伸縮系數，而且無明顯滯后效應。鐵電弛豫體ferroelectricrelaxor116典型材料：鈮鎂酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，鈮鋅酸鉛Pb(Zn1/3Nb2/3)O3

，B-位復合鈣鈦礦結構（complexperovskite）鈦酸鉍鈉(Na1/2Bi1/2)TiO3，A-位復合鈣鈦礦結構其它材料：鎢青銅結構(tungstenbronze)鐵電弛豫體ferroelectricrelaxor117介電

壓電鐵電

熱釋電

電光

非線性光學介電材料的應用舉例118HighPermittivity:MLCCCapacitors.Piezoelectricity:SensorsandActuators.Pyroelectricity:IRdetectors.Ferroelectricity:Non-volatileMemories.Electro-opticEffects:OpticalWaveguides,

Lightmodulators,FrequencyDoublers.Applicationsofferroelectricmaterials高介電常數的電容器（鉛基鐵電陶瓷）陶瓷圖像儲存-顯示器（PLZT陶瓷）精密位移器和應力計（PMN基陶瓷）119StandardMultilayerChipCapacitorsUpto12mFUpto500VDCDielectricApplications120121獨石電容器結構圖陶瓷介質中間Ni電極底層Ag電極

PbAg內電極片式結構外層純Sn電極122IRSensorsandferroelectricmaterialsRemotecontrolGarageopenerNightvisionThermalsensor123壓電材料的應用

氣體點火器GasIgnitors

超聲換能器UltrasonicTransducers

聲頻換能器AudioTransducers

揚聲器Speakers

醫用超聲MedicalUltrasound

測量器件MeasurementDevices

濾波器和諧振器FiltersandResonators

高壓器件/變壓器HighVoltageDevices

傳感器和壓電馬達SensorsandActuators124壓電陶瓷材料125PiezoelectricGasIgnitors壓電陶瓷廣泛用于日常生活中。用兩個直徑３毫米、高５毫米的壓電陶瓷柱取代普通的火石制成的氣體電子打火機,可連續打火幾萬次。利用同一原理制成的電子點火槍是點燃煤氣爐極好的用具。打火元件十年前日本攏斷世界生產，而今中國產量最大。126在潛入深海的潛艇上,都裝有人稱水下偵察兵的聲納系統。它是水下導航、通訊、偵察敵艦、清掃敵布水雷的不可缺少的設備,也是開發海洋資源的有力工具,它可以探測魚群、勘查海底地形地貌等。在這種聲納系統中,有一雙明亮的“眼睛”,壓電陶瓷水聲換能器。當水聲換能器發射出的聲信號碰到一個目標后就會產生反射信號,這個反射信號被另一個接收型水聲換能器所接收,于是,就發現了目標。目前,壓電陶瓷是制作水聲換能器的最佳材料之一。還有一種用壓電陶瓷元件制作的兒童玩具,比如在玩具小狗的腳中安裝壓電陶瓷制作的蜂鳴器,玩具就會發出逼真有趣的聲音。127與普通電磁馬達相比，壓電馬達具有結構簡單、啟動快、體積小、功耗低等特點。另外，由于它是從電能直接轉換為機械能而不通過磁電轉換，因此，不產生磁干擾也不怕磁干擾。它還可以低速運行而不用減速機構。這種微型電機在航空、航天、精密機械、儀器儀表、自動控制、機器人、掃描電鏡微動臺、照相機自動聚焦、磁頭移動、機動車輛刮水器和電動開關車窗等許多技術領域有廣闊的應用前景。壓電馬達128掃描隧道顯微鏡129思考題1）從介電溫譜的測量結果可以得到哪些物理信息？2）介電極化有哪幾種類型？130Thankyouverymuch!END131電介質材料的介電常數及損耗的頻率特性

---實驗測量測量幾種介質材料的介電常數和介質損耗角正切（tan）與頻率的關系，從而了解它們的、tan

的頻率特性。132原理介電常數，又稱電容率，是電位移D與電場強度E之比=D/E，其單位為F/m，而相對介電常數為同一尺寸的電容器中充入電介質時的電容和不充入電介質時真空下的電容之比。介電常數小的電介質，其分子為非極性或弱極性結構，介電常數大的電介質，其分子為極性或強極性結構。在交變電場作用下，電介質的介電常數為復數，復介電常數的實部與上述介電常數的意義是一致的，而虛部表示損耗。介質的介電損耗是指由于導電或交變電場中極化弛豫過程在電介質中引起的功率損耗。這一功率損耗是通過熱耗散把電場的電能消耗掉的結果。133電介質的介電損耗一般用損耗角正切tan

表示，并定義為：。在直流電場下，電介質內只有泄漏電流所產生的電導損耗；但在交變電場中，除電導損耗外還存在著各種形式的極化所產生的損耗，即松弛極化損耗。此時，復介電常數的虛部與實部的比值，即為介電損耗值，即，又稱介質損耗因數。δ是電介質的電位移D由于極化弛豫而落后電