【文章內(nèi)容簡介】 21111CCC ?? )( 210 ddAC e ?? ??221121 11 dddde ??????SSeyy 2211111?????2?d1 d2 1?53 復合電介質(zhì) 2111 dddyS ??2122 dddyS ??121 ?? SS yy對于 m種介質(zhì)并聯(lián) ???miiiPe y1??對于 m種介質(zhì)串聯(lián) iSmi iey???111??54 實際雙層電介質(zhì) 加上電壓 u )()( 2211 tEtE ?? ?穩(wěn)態(tài)時 )()( 2211 tEtEj ?? ??在達到穩(wěn)態(tài)之前，雙層介質(zhì)的電場隨時間發(fā)生變化，其傳導電流密度隨時間發(fā)生變化： )()( 111 tEtj ?? )()( 222 tEtj ?? )()( 21 tjtj ?55 復合電介質(zhì) 盡管傳導電流在界面上不連續(xù)，但全電流連續(xù) dtdEtEdtdEtEj 2202211011 )()( ?????? ????位移電流 直流電壓： 2211 dEdEu ??56 復合電介質(zhì) ?????????? tuedddduddtE??????? )()( 1221212212122121?????????? tuedddduddtE??????? )()( 1221112211122112)()()(1221212212121221122121???????????? ?dddduedduddjt???????57 復合電介質(zhì) 等效電導率 12212121 )(?????dddd?????????? tueddtjtjj???????1221122121 )()(雙層介質(zhì)界面上自由電荷面密度 udddttjtj211212210021)()]()([?????????????58 介電材料主要物理性質(zhì)的測量 59 測量儀器舉例 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Pyroelectric measurement 72 重要介電材料的結構 73 介質(zhì)的極化特性與其晶體結構的內(nèi)在聯(lián)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(fā)極化軸）的 10種點群 可出現(xiàn)自發(fā)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(chǎn)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(fā)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 。 74 + + + +未加應力 加應力正負電荷中心不分開，不產(chǎn)生極化 結構含有正負離子 含有對稱中心的結構 177。 75 極化 + + + + + + 未加應力 加應力產(chǎn)生極化， 正負電荷中心分開 不具有自發(fā)極化特性，但為不對稱中心結構，在外力的作用下，產(chǎn)生極化。 76 自發(fā)極化 鐵電體的位移性理論： 自發(fā)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(xiàn)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(wěn)定下來，同時晶體結構發(fā)生了畸變。 鈦酸鋇的結構： 鈣鈦礦型結構 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 176。 176。 77 等軸晶系（大于 120 oC） ： 晶胞常數(shù)： a= A 氧離子的半徑： A 鈦離子的半徑： A 鈦離子處于氧八面體中， 兩個氧離子間的空隙為： － 2 = 鈦離子的直徑： 2 = 78 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(fā)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(xiàn)強烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著這個方向延長，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。 79 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 176。 176。 鈦、氧離子的位移 固有偶極子 自發(fā)極化： 這種極化狀態(tài)并非由外電場引起，而是由晶體的內(nèi)部結構引起。在這類晶體中，每一個晶胞內(nèi)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(zhì)在外電場作用下引起，沒有外電場，這些介質(zhì)的極化強度為 0。 80 電介質(zhì)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(fā)極化（熱釋電） 自發(fā)極化能被電場轉(zhuǎn)向（鐵電） 81 82 83 84 85 86 87 1. 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)TiO3 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3， Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 88 ABO3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=√2 t （ RB+RO） 式中 t為容差因子，可以在 ~，這樣 A離子半徑約為~ A， B離子半徑約為 ~ A，氧離子半徑為 89 鐵電體的定義是指在某溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)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(nèi)自發(fā)極化一致的區(qū)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(fā)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(nèi)具有自發(fā)極化，在外電場作用下，自發(fā)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。 90 ? 電滯回線 Hysteresis loop ? 電疇結構 Domain structure ? 居里溫度 Curie temperature Tc ? 介電反常 Dielectric anomaly 鐵電體的主要特征 91 1. 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 92 Polarization Voltage +Vc Pr Ps F C D B A D F A C B Domain movement P = Pr P = 0 P = +Ps P = +Pr P = Ps Domain : the region which has the same polarity Vc (Coercive Voltage ) : the voltage where the polarization is zero Hysteresis vs. domain movement 93 ? 電滯回線表明，鐵電體的極化強度與外電場之間呈現(xiàn)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(zhuǎn)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(fā)極化方向一致的小區(qū)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(fā)極化具有相同的方向。 Ferroelectrics hysteresis loops 94 電疇 ferroelectric domain 鐵電體內(nèi)自發(fā)極化相同的小區(qū)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： 90176。疇壁 180176。疇 95 Ferroelectric domains 96 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(xiàn)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(zhuǎn)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。 97 某些材料在機械力作用下產(chǎn)生變形 ， 會引起表面帶電的現(xiàn)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(chǎn)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(tǒng)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 。 壓電效應 piezoelectric effect 力 → 形變 → 電壓 正壓電效應 電壓 → 形變 逆壓電效應 98 電致伸縮效應 electrostrictive effect 晶體在受到外電場 E激勵下產(chǎn)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∝E 2 這種效應稱為 電致伸縮效應 。 與壓電效應的區(qū)別 ： 壓電效應產(chǎn)生的應變與電場