Transcript 7、第七章电介质材料
第七章
电介质材料
7.1 概述
在电场的作用下具有极化能力并能在其中长期存在电场的一
种物质
7.2 电介质在静电场中的极化
1 电介质的极化现象
电介质的极化:电介质在
电场作用下产生感应电荷
的现象。
D r 0 E
D 0E P
P 0 E
r 1
7.2 电介质在静电场中的极化
1 电介质的极化现象
极化的本质:
介质内质点(原子、分子、离子)正负电重心分离而变成偶极子。
一般分子偶极矩μ的大小取决于有效电场的大小
Ei
分子总的极化率是各种极化机制所决定的极化率的总和:
e a d s
电子位移
极化率
离子位移
极化率
转向极
化率
空间电荷极
化率
7.2 电介质在静电场中的极化
1 电介质的极化现象
P
i
N
V
P 0 ( 1) E N Ei
N Ei
1
0 E
通常希望具有大的介电常数值
一是要提高N值,即提高电介质的密度或选用密度较大的
电介质材料;
二是要选取由分子极化率大的质粒所组成的电介质;
三是要选取介质内部具有大的有效电场的介质材料。
金红石(TiO2)和钙钛矿型离子晶体具有高的介电常数:
Ti4+和O2-具有高的极化率。同时其内电场Ei较大。
7.2 电介质在静电场中的极化
2 电介质极化机制
电子位移极化 在外电场作用下,原子外围的电子云
相对于原子核发生位移形成的极化
1)球状原子模型
1 Ze Ze d 3
ZeEe
4 0 d 2 r 3
Zed 4 0r 3 Ee e Ee
e 4 0r 3
7.2 电介质在静电场中的极化
电子位移极化
2)圆周轨道模型
q2
qd E
K
qE Kd
q2
e
K
q2
d
F F0 sin
2
2
2
4 0 (r d ) (r d 2 )1/2
q2
4 0 r
d
3
K
q2
4 0 r 3
e 4 0r 3
7.2 电介质在静电场中的极化
电子位移极化
考察同类原子的一个集合体
cos 2
各原子的感应偶极矩相对电场
方向取向角余弦平方的平均值
电场强度比较低,原子的电子轨道在空间是连续分布的
cos 1/ 3
2
1
e 4 0r 3
3
电场强度足够高,所有原子的电子轨道平面都垂直于电场方向
cos 2 1
e 4 0r 3
7.2 电介质在静电场中的极化
2 电介质极化机制
离子位移极化
在离子晶体中,除存
在电子位移极化之外,
在电场作用下,还会
发生正、负离子沿相
反方向位移形成离子
位移极化。
7.2 电介质在静电场中的极化
离子位移极化
qEi K r
a qr a Ei
q2
a
K
1)用谐振子模型求K值
0 2 f0 K / m
1
1
1
m m1 m2
2 2
4
C M 1M 2
m
m
2 2
1 2
2
K 4 f 0
m1 m2 ( M1 M 2 ) N 0
q 2 N 0 q 2 2 ( M 1 M 2 )
a
K
4 2C 2 M1M 2
7.2 电介质在静电场中的极化
离子位移极化
2)根据离子对相互作用能求K值
q 2
b
n 1 2
a
q
u (r )
n
b
4 0 r 4 0 r
n
u(r )
q 2
q 2 a n 1
0
u (r )
r r a
4 0 r 4 0 nr n
(n 1)q 2
2u (r r )
K
3
2
4
a
(r )
0
r 0
q 2 4 0a3
a
K
n 1
7.2 电介质在静电场中的极化
离子位移极化
对于NaCl晶体,其离子位移极化率
a3
a 4 0
0.58(n 1)
电子位移极化完成的时间非常短,在10-14~10-15s之间。
离子位移极化建立所需的时间与离子晶格振动的周期具有相
同的数量级,为10-12~10-13s,比电子位移极化的速度慢2~3个
数量级,但同电子位移极化一样,极化速度很快,在极化过
程中没有能量的损耗。
7.2 电介质在静电场中的极化
2 电介质极化机制
偶极子转向极化
E=0时,极性分子随机取向,就介质整体来看,偶极矩等于零
E≠0时,偶极子发生转向,趋于和外加电场方向一致
热运动抵抗这种趋势,所以体系最后建立一个新的统计平衡
在这种状态下,沿外场方向取向的偶极子比和它反向的偶极子
的数目多,所以介质整体出现宏观偶极矩。
7.2 电介质在静电场中的极化
偶极子转向极化
a
02
3kT
转向极化率与温度有关,且与绝对
温度T成反比。
偶极子的转向极化由于受到电场力的作用,分子热运动会阻
碍分子间的相互作用,因而这种极化建立所需的时间比较长,
约为10-6~10-2s或更长,属于慢极化形式,极化过程中伴随
着有能量的损耗。
7.2 电介质在静电场中的极化
2 电介质极化机制
离子松弛极化
极化与电场有关,还与质点的热运动有关。
当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等时
热运动--质点分布混乱
电场--质点按电场规律分布
在一定的温度下发生极化
因而这种极化建立的时间较长(可达10-9~10-2s),并且需要
吸收一定的能量,这种极化是一种不可逆的过程。
并且,当外加电场频率较高时,极化方向的改变往往滞后于
外电场的变化
7.2 电介质在静电场中的极化
离子松弛极化
当电介质中含有杂
质或存在缺陷时,
这些杂质原子或处
于缺陷位置附近的
离子相应的能量状
态比较高,就变得
不够稳定,容易被
激活。
图7.7 有缺陷存在时的离子体系势垒图
7.2 电介质在静电场中的极化
离子松弛极化
在某一时刻,位置A上的离子
数减少ΔN,则位置B上的离子
数增加ΔN
N eU / kT eU / kT
t /
N
1
e
6 eU / kT eU / kT
单位体积中电矩
图7.8 缺陷势垒分布,
(a)当外电场为零时
(b)当外电场不为零时
Nq eU / kT eU / kT
t /
P Nq
1
e
6 eU / kT eU / kT
7.2 电介质在静电场中的极化
离子松弛极化
N U
Nq
t /
t /
1
e
E
1
e
当外电场较弱时 N
12kT
6kT
Nq 2 2
P Nq
E 1 et /
12kT
1 U / kT
e
2
Nq
当时间趋于无穷大时,极化才达到稳定
N
E
12kT
Nq
P
E
12kT
2
2
Nq 2 2
d
12kT
7.2 电介质在静电场中的极化
2 电介质极化机制
空间电荷极化
介质中的自由载流子(正、负离子或电子)可以在缺陷及不同
介质的界面上积累,使电介质中的电荷分布不均匀,产生宏观
电矩。这种极化叫作空间电荷极化。
用双层电介质为例
1E1 2 E2
E1
V1 E1d1 , V2 E2 d 2
2V
1V
, E2
1d 2 2 d1
1d 2 2 d1
7.2 电介质在静电场中的极化
空间电荷极化
当达到稳定态时,第一层和第二层的传导电流密度符合欧姆定律
j1 1E1 ,
j2 2 E2
当达到平衡时,有j1=j2
2V
1V
E1
, E2
1d 2 2 d1
1d 2 2d1
dE1
dE2
J 1 E1 01
2 E2 0 2
dt
dt
1 2 21 t /
Ve
当未达到平衡时 j1 j2
1 2 21
1 2 21
0V
双层电介质界面处积聚的电荷密度为 0 j1 j2 dt
1 2 21
7.2 电介质在静电场中的极化
2 电介质极化机制
几种物质的介电常数
极化形式
n2
光频下
低频下
金刚石
5.66
5.68
电子极化
NaCl
2.25
5.9
电子、离子极化
H 2O
1.77
80.4
电子、离子极化、偶极子转向极化
7.2 电介质在静电场中的极化
2 电介质极化机制
各种极化形式的频率范围
7.3 电介质的动态极化
1 电介质的极化过程
电介质极化的建立和消失都有一个响应过程,需要一定的时间。
在变化电场作用下的极化响应大致有三种情况:
如果电场的变化很慢,相对于极化建立的时间,像在静电场
中的那样,则极化完全来得及响应,则不需要考虑响应过程,
可以按照与在静电场中的情形进行分析;
如果电场的变化很快,以至于极化完全跟不上,就没有极化
的发生;
如果电场的变化与极化建立的时间可以比拟,则极化对电场
的响应受极化建立过程的影响很大,因而会产生比较复杂的
介电现象。
7.3 电介质的动态极化
1 电介质的极化过程
电子位移极化、离子位移极化建立的时间极短,通常被称
为瞬时极化或快极化;
而对于偶极矩取向极化及离子松弛极化等,因其建立的时
间较长,故称之为慢极化或弛豫极化。
P(t ) P (t ) Pr (t )
瞬间极化
强度,与
时间无关。
松弛极化强度,
与时间的关系
比较复杂
Pr (t ) Prm (t ) 1 e t /
7.3 电介质的动态极化
1 电介质的极化过程
极化强度与电场强度的关系
P (t ) 0 1 E
Pr (t ) 0 S E
S 为静态介电常数,
为光频介电常数。
P(t ) 0 S 1 E
介电常数随电场频率的改变而变化,且介电常数的温度关系与
在恒定电场下的情形也不一样;
在极化过程中,存在能量的损耗,损耗掉的那部分能量转化为
热能,使电介质的温度升高,这种损耗称为极化损耗,极化损
耗的大小与电场的频率有密切的关系。
7.3 电介质的动态极化
2 复数介电常数
考虑一个平板电容器,加一个交变电场,其电场强度为
E E0 exp it
D D0 exp it
当极化跟不上电场变化时,D和E之间便会有一定的相位差
D D0 exp i t
引入一个表征在交变电场下复电场E与复电位移D间关系的参
数,复数介电常数
D
D
D
D
r*
0 exp i r' i r'' r' 0 cos r'' 0 sin
0 E 0 E0
0 E0
0 E0
7.3 电介质的动态极化
2 复数介电常数
电流密度
dE
j
i 0 r'' E i 0 r' E 0 r'' E jc jr
dt
''
0 r
纯位移电流密度或无功电流密
度,与复数介电常数的实部成
r' 与介质的静态相对
正比 ,
介电常数的物理意义相同
有功电流密度,与
虚部成正比, r'' 表
示介质中的能量损
耗的大小
在实际应用中,介质中的能量损耗称为介电损耗
r''
tan '
r
称为介质损耗角正切,常用来定量描述电介质的损耗
7.3 电介质的动态极化
3 介电损耗
电介质在外电场的作用下,将一部分电能转变成热能的物理
过程,称为电介质的损耗,其结果是电介质发热,温度上升。
电导损耗
分传导电流中的能量以热的形式消耗掉,称之为电导损耗
P E2
I I C I R iC 1/ R V
PR I RV IV sin IV cos
tan I R / I C 1/ CV
7.3 电介质的动态极化
3 介电损耗
松弛极化损耗
热离子松弛极化、偶极子转向极化等所需建立的时间比较长,
为10-2~10-8s,甚至更长。
当外电场频率比较高,如高频或超高频,偶极子转向极化等跟
不上电场周期的变化,产生松弛现象,致使电介质的极化强度P
滞后于外加电场强度E,并且电介质的介电系数ε也随之下降;
当外电场频率足够高,偶极子转向极化将完全跟不上电场周期
性变化时,介电系数下降至零,这时电介质的介电系数只由位
移极化提供,而趋于光频介电系数,这一过程也消耗部分能量,
而且在高频和超高频中,这类损耗将起主要作用,甚至比电导
损耗还大。这种损耗就称为松弛极化损耗。
7.3 电介质的动态极化
3 介电损耗
谐振损耗(色散与吸收)
谐振损耗来源于原子、离子、电子在振动或转动时所产生的共
振效应。这种效应发生在红外到紫外的光频范围。
图7.12 介电常数及介电损耗随频率的变化
7.3 电介质的动态极化
4 极化弛豫与德拜方程
极化弛豫现象
实际介质电容器和
理想介质电容器不
同,缓慢极化形成
了滞后于电压并随
时间衰减的吸收电
流,这就是介质的
弛豫现象。
图7.13 极化弛豫现象
7.3 电介质的动态极化
4 极化弛豫与德拜方程
德拜方程
j i 0 E
E
ja
a 1 / i 0 a
a 2 02 a2
0 a
E
E
2
2
1 a 0 a
1 a 0 a
图7.14 缓慢极化电容
器的等效电路图
2 2
E
E
2 2
2 2
1
1
2 2
j
E i 0
E
2 2
2 2
1
1
7.3 电介质的动态极化
德拜方程
0
1 2 2
'
0 r
2
0 r''
1 2 2
0 s
s
1 2 2
'
r
s
2 2
''
r
1
s
''
r
1 2 2
以上三式称为德拜方程,
或是德拜弛豫方程
7.3 电介质的动态极化
5 复数介电常数与频率和温度的关系
与频率的关系
d r''
m 1/
0
d
r' s
德
2
s
拜
''
r
方
2
程 tan s
m
s
在这一频率区域,介电常数发生
剧烈变化,同时出现极化的能量
耗散,这种现象称为弥散现象,
这一频率区域称为弥散区域。
'
''
图7.15 r 、r 、tanδ的频率特性曲线
7.3 电介质的动态极化
与频率的关系
d tan
0
d
m ' m
m
'
1 s
tanδ在频率较高时才达到极值
2
r' s
德
s
拜 '' s
方 r s
s
程
s
tan max
2 s
'
''
图7.15 r 、r 、tanδ的频率特性曲线
7.3 电介质的动态极化
5 复数介电常数与频率和温度的关系
与温度的关系
、
1) s 、 与温度T的关系
n0
主要是单位体积内的极化粒子数n0
1 e i
0
Pr
0
0E
a
' n0 1
a
0 T
T
随温度的变化引起的,也即是因为
介质的密度发生变化而引起的。
7.3 电介质的动态极化
与温度的关系
2)τ与温度T的关系
弛豫时间与温度呈指数关系,可简化表示成
B exp( A / T )
7.3 电介质的动态极化
与温度的关系
3) 复介电常数 r 与温度T的关系
''
m 1/ m
s
'
m
1
图7.17 r 、 r与温度的关系
'
''
7.3 电介质的动态极化
与温度的关系的解释
在一定频率下,当温度很低时,极化粒子热运动能量很小,几乎处于
“冻结”的状态,因此取向极化缓慢,时间很长,来不及随外加电场
r'
发生变化,弛豫极化难以建立,这时只有瞬时极化,所以介电常数
,介质损耗
r"
趋于光频介电常数
和tanδ很小;当温度升高时,极
化粒子的热运动能量加大,弛豫时间减少小,可以与外加电场的周期
r' 相应增加。随着温度继续升高,
相比拟,弛豫极化逐渐得以建立,
r' 急剧增加,几乎趋近于
弛豫时间很快降低,弛豫极化进一步建立,
'
s
静态介电常数
。在 r 剧烈变化的同时,伴随着能量损耗,并出现
损耗极值;若温度再继续升高.则弛豫时间继续减少。弛豫极化完全
s
r' 趋于
r" 和
来得及建立,趋近于静电场的情况,这时
。介质损耗
tanδ又恢复很小。
7.3 电介质的动态极化
与温度的关系的解释
同样将要指出.若频率发生变化,则 和tanδ要随频率的增加向
r
高温方向移动;反之则向低温方向移动。
这可解释如下:当频率发生改变时,若频率增高,则电场变化
周期缩短,与之相比拟的弛豫时间τ也相加减少,因此出现了弛
的温区也随之向高温方向移动,
r' 增至
豫极化的温区,即 由
s
"
r
出现 和tanδ峰值的温度也相应升高。
"
7.3 电介质的动态极化
6 电介质的电导和击穿
弱联系的带电质点在电场作用下作定向漂移从而构成传导电
流的过程,称为电介质的电导。
电导类型
1)离子电导
其载流子是正、负离子(或离子空位),
这是固体电介质中最主要的导电形式。
2)电子电导
其载流子是电子(或电子空穴),由于电介质内
电子数极少,所以这种形式的电导表现得比较
微弱,只有在一定的条件下才明显。
3)电泳电导
其载流子是带电的分子团,电流流经液体电介
质时,就有电泳现象发生 。
7.3 电介质的动态极化
6 电介质的电导和击穿
固体介质电导
1)固体介质中的离子电导
(1)本征离子电导
晶体中位于晶格点阵上的离子,被牢固地束缚在结点上作不停的热运
动,并不参与导电。但在受到热激励后,就有少数离子会离开原位成
为填隙离子,并同时产生空位,从而构成离子电导和用于空位电导。
(2)弱联系离子电导
与晶格点阵联系较弱的离子活化而形成导电载流子,主要是杂质离子
和晶体位错与宏观缺陷处的离子引起的电导。它往往决定了晶体的低
温电导。晶体电介质中离子电导具有离子跃迁的特征,而且参与导电
的也只是晶体中部分活化了的离子(或离子空位)。
7.3 电介质的动态极化
固体介质电导
2)固体介质中的电子电导
在实际晶体电介质中,由于杂质的存在,以及晶体中的缺陷、位错等,
在禁带中将引入中间能级——杂质能级,接近于导带。它们在热激发
的作用下,容易产生导电的载流子。另外,当电子的能量低于阻碍它
运动的势垒高度不很大,而势垒厚度又比较薄(约几十nm)时,在强电
场作用下,电子就可能由隧道效应而穿过势垒后到达导带,构成隧道
电流。电介质中可能存在的几种隧道效应。在金属半导体接触中,金
属电极中具有的大量电子,也可能向电介质中发射(或注入),如热电
子发射,也可以为电介质提供导电载流子。
7.3 电介质的动态极化
6 电介质的电导和击穿
固体介质的击穿
热击穿 处于电场中的介质,由于其中的介质损耗而受热,当外加电
电击穿 在强电场作用下,电介质中除了离子电导以外,还有电子电
压足够高时,可能从散热与发热的热平衡状态转入不平衡状
态,若发出的热量比散去的多,介质温度将愈来愈高,直至
出现永久性损坏,这就是热击穿。
导,结果电介质中的传导电流剧增,使电介质丧失了原有的
绝缘性能。这种在电场直接作用下发生的电介质被破坏的现
象称为电介质的电击穿。
电化学击穿 电介质在长期的使用过程中受电、光、热以及周围介
质的影响,使电介质产生化学变化,电性能发生不可
逆的破坏,最后被击穿。属于这一类的击穿在工程上
被称为老化,也称为电化学击穿。
7.4 晶体的压电性质
1 晶体的压电性
正压电效应:在没有对称中心的晶体上施加机械作用时,发
生与机械应力成比例的介质极化,同时在晶体的两端面出现
正负电荷。
逆压电效应:当在晶体上施加电场时,则产生与电场强度成
比例的变形或机械应力。
正、逆压电效应统称为压电效应。
晶体的这种性质称为晶体的压电性。
压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶瓷。
7.4 晶体的压电性质
1 晶体的压电性
压电效应的解释
7.4 晶体的压电性质
2 晶体的介电性质和弹性
晶体的介电性质
晶体的介电性质可用电场强度E和电位移D来描述
压电晶体和压电陶瓷都是各向异性的。
D1 11 12 13 E1
D
2 21 22 23 E2
D
E
3 31 32 33 3
12 21
23 32
31 13
独立介电常数的分量只有6个
7.4 晶体的压电性质
2 晶体的介电性质和弹性
晶体的弹性
1)应力张量
应力T是二阶对称张量,其分量
Tij=Tji,因而在9个分量中只有6
个是独立的。6个独立分量分为
两类,一类是法向分量,如T11、
T22、T33;一类为切向分量,如
T12、T23、T31等。应力表示单位
面积上受力的大小。
2)应变张量
图7.20 均匀受力物体中单位立方体上的力与受力面
7.4 晶体的压电性质
2 晶体的介电性质和弹性
晶体的弹性
3)弹性
应力和应变的关系 Sij sijklTkl
Tij cijkl S kl
s为弹性柔顺系数,c为弹性刚度系数。它们都是四阶张量,各
有81个分量。但由于应力和应变都是对称张量,i和j,k和l可互
换位置;另外,弹性柔顺系数和弹性刚度系数也是对称的,ij和
kl的位置可互换。因此,s和c都只有21个独立分量。
7.4 晶体的压电性质
3 晶体的机电耦合效应
压电方程
1)以应力Tμ和电场强度Ej作为自变量 3)以应力Tμ和电位移Dj作为自变量
Di ijT E j diT
Ei ijT D j giT
E
S d j E j s
T
D
S g j Dj s
T
2)以应变Sμ和电场Ej作为自变量
4)以应变Sμ和电位移Dj作为自变量
Di ijs E j di S
Ei ijs E j hi S
T e j E j c S
D
T hj Dj c
S
E
7.4 晶体的压电性质
3 晶体的机电耦合效应
电致伸缩效应
对于没有对称中心的晶体,起主要作用的是压电效应;对于具有
对称中心的晶体,由于不存在压电效应,就要考虑电致伸缩效应。
电致伸缩效应是一种高阶机电耦合效应,因此要比线性压
电效应要弱。各种类型的固体电介质都有电致伸缩效应,
应变和极化强度联系:
xij Qijkl Pk Pl
应变与外加电场强度 :
xij M ijkl Ek El
Q为电致伸缩常数,是一个四阶张量,共
有81个分量,独立分量有21个。对于立
方晶系和各向同性的陶瓷电介质,独立
分量数只有3个
M为电致伸缩常数
7.4 晶体的压电性质
3 晶体的机电耦合效应
电致伸缩效应
压电效应和电致伸缩效应都是
机电耦合效应,但它们对外加
电场的响应特性却很不相同。
由图7.21可见,压电效应是线
性耦合效应,当外加电场反向
时,材料产生的法向应变也同
时反向。电致伸缩所产生的应
变则与所加的电场方向无关,
并呈现抛物线平方关系。
图7.21 压电效应与电致伸缩效应
7.4 晶体的压电性质
3 晶体的机电耦合效应
机电耦合系数
机电转换获得的能量
k
输入的总能量
2
机电耦合系数是一个小于1的因子。
应当注意的是,不要把机电耦合系数看成是能量转换效率。这
是因为在压电体中,没有被转换的那部分能量是以电能或是弹
性能的形式可逆的存储在压电体中。k2只是表示能量转换的有
效程度。
例如,一个k2=0.5的压电振子,在谐振时期能量转换效率可高
达90%以上。
7.5 晶体的铁电性质
1 自发极化与热释电效应
如果晶胞本身的正、负电荷中心不重合,也就是说,晶胞具有
一定的固有电偶极矩。那么由于晶体结构的周期性和重复性,
晶胞的固有电矩便会沿同一方向整齐排列,使晶体处于高度的
极化状态之下,由于这种极化状态是在外电场为零时自发建立
起来的,因此称为自发极化。
在21种不存在对称中心的点群中,有10种含有单一对称轴的点
群可能会产生自发极化。这10个点群是1,m,mm2,2,3,3m,
4,4mm,6,6mm。属于这10个点群的极性晶体,结构上的单
一对称轴便成为极轴。但是否具有自发极化,还要看其组成单
元本身(晶胞)是否带有极性。
7.5 晶体的铁电性质
1 自发极化与热释电效应
热释电效应
自发极化所建立的表面束缚电荷被外来的表面自由电荷所屏蔽,
束缚电荷建立的电场被抵消。但当温度发生改变时,由于离子
键的键长和键角发生变化,自发极化强度P也将发生变化。这是
被自发极化束缚在表面的自由电荷层就要发生相应的调整,如
将电荷释放出来,使得晶体显示出带点状态或在闭合电路中产
生电流。这一现象就是热释电效应。
显而易见,应力也会改变晶体内的极化强度,因而热释电晶体
总是具有压电效应。
7.5 晶体的铁电性质
1 自发极化与热释电效应
热释电效应
P pT
p为热释电系数
三种热释电效应
初级热释电效应——受夹状态(不发生形变)
次级热释电效应——自由状态(发生形变)
第三热释电效应——有温度梯度
实际测量中,多数为自由状态下的热释电效应,其值为
初级和次级两项热释电效应之和。
而第三热释电效应通常很小,往往可以忽略。
7.5 晶体的铁电性质
2 铁电体与电畴
这类晶体由于正负电荷的分离,在没有外加电场时,在某一
温度范围内可自发极化,且极化强度随外电场的反向而反向,
这类晶体称为铁电体。
少数的热释电体,其自发极化强度矢量却能在外电场的作用
下,沿某几个特定的晶向重新定向。这种热释电体就是铁电
体。铁电体是热释电体的一个亚类,自发极化能被外电场定
向是其最重要的特性。
铁电体具有压电性和热释电性。
7.5 晶体的铁电性质
2 铁电体与电畴
电畴
铁电体在晶体内部退极化电场的作用下,会分裂出一系列自发
极化方向不同的小区域,使其各自所建立的退极化电场互相补
偿,直至整个晶体对内、对外均不显示出电场为止。这些由自
发极化方向相同的晶胞所构成的小区域成为电畴,相邻电畴的
界面称为畴壁。
电畴壁的取向确定:
1)晶体形变的连续性:
2)自发极化分量的连续性:
7.5 晶体的铁电性质
2 铁电体与电畴
电畴
90°畴壁
180°畴壁
单畴晶体的形成
通常铁电晶体是多电畴体,需要在强电场下转变成单畴晶
体。
多畴转单畴的过程——极化
7.5 晶体的铁电性质
3 电滞回线
Ps:无电场时单畴的自发
极化强度;
Pr:剩余极化强度;
EC :矫顽场强。
图7.24 铁电体的电滞回线
7.6 电介质的光学性质
1 折射率与双折射
折射率
n c/v
n / 0 r
物质的折射率主要取决于介质中原子的极化率及其堆积密度。
许多电介质晶体的折射率都很高。
由于大部分的电介质的禁带宽度在5eV以上,因而在可见光频段,
即波长为400-800nm的范围内是透明的。
7.6 电介质的光学性质
1 折射率与双折射
色散现象
晶体的折射率与光的频率(或波长)有关,这被称为色散现象。
n0 e2
02 2
n 1
2 0 m 02 2 2 2
实际电介质材料的色散现象很复杂,这主要是材料中引起色
散现象的外层电子有很多种,其固有振动频率各不相同。
n0 e2
当外场频率远小于固有频率时 n 1
2 0 m
当外场频率接近固有振动频率时
n
1 15 / Eg
7.6 电介质的光学性质
1 折射率与双折射
双折射
图7.25 晶体的光率体
晶体的折射率n是各向异性的,
并可用光率体来形象表示。
由麦克斯韦理论可知,对应于
同一波前法向方向,有2个面偏
振的波在晶体中传播,这两个
波的传播速度不同,把这两个
波的c/v比值也不相同,这一现
象被称为双折射。
双折射可用这两个波的折射率
之差来表示。
7.6 电介质的光学性质
2 电光效应
一般情况下,电场E0对晶体折射率的影响
n n0 aE0 bE02
由电场的一次线性项aE0 造成的折射率变化称为一次电光效应,
或是普克尔(Pockels)效应。
由二次项 bE02 所造成的折射率变化称为二次电光效应,或是克
尔(Kerr)效应。
一次电光效应类似于压电效应,只能出现在没有对称中心的晶
体中。而二次电光效应则存在于所有的电介质中。
7.6 电介质的光学性质
3 弹光效应
弹性应变使得许多铁电体和非铁电体的折射率发生变化,这
种现象称为弹光效应。
如果晶体的弹性应变是由晶体内部通过压电效应产生的,或
是从外部施加的声波造成的,则这一现象称为声光效应。
n n0 a ' X b ' X 2
对于具有对称中心的晶体,电场反向时,晶体内部离子间的相
对位置没有什么变化,晶体的折射率不发生变化,但应力反向,
即由张应力变成压应力时,晶体内部离子的相对位置不同,从
而晶体的折射率发生改变。
因此,这些晶体尽管没有一次电光效应,却会产生一次弹光效
应。
7.6 电介质的光学性质
4 声光效应
光在各向异性介质中传播,满足折射率椭球方程
1
1
2 2 xi x j 1
n ij
n ij
1
2 Pijkl ukl Pijkl是个对称的四阶张量,
在线性近似条件下
称为应变弹光系数
n ij
声光介质对入射光波的相位调制
k0 nl
7.6 电介质的光学性质
5 热光效应
当介质中温度发生变化时,其光学参数折射率n和双折射Δn均
发生很大的变化,这就是热光效应。
图7.26 铌酸锂的折射率温度曲线
7.7 钛酸钡的结构与性质
1 铁电材料的分类
按照结晶化学分类
按照铁电体极化轴的多少分类
按照晶体在顺电相有无对称中心来分类
按照顺电-铁电相转变的微观机制分类
7.7 钛酸钡的结构与性质
1 铁电材料的分类
铁电晶体材料之所以发展很快,是由铁电晶体本身的一些特
点决定的:
一、铁电晶体必然是热释电晶体、压电晶体和电介质晶体。
具有铁电性的晶体在许多方面的应用,远比利用铁电现象本
身广泛得多。
二、对于铁电现象本身的研究,很有理论价值和实用前景。
特别是对于铁电晶体的相变和临界现象的研究,已从传统的热
力学唯象理论发展到晶格动力学理论(即软模理论)。电性在信
息存贮、固体显示等方面都显示出巨大的应用前景。
7.7 钛酸钡的结构与性质
2 钛酸钡的晶体结构
图7.27 BaTiO3的单位晶胞结构
图7.28 在不同温度条件下,钛酸钡晶体结构的变化
7.7 钛酸钡的结构与性质
2 钛酸钡的晶体结构
图7.29 钛酸钡晶体中,立方晶
系-四方晶系形变时的离子位移
图7.30 钛酸钡晶体晶轴长度的变化
7.7 钛酸钡的结构与性质
3 钛酸钡的铁电性质
晶体结构对极化的影响
>130℃时,具有立方对称性,
无铁电性。
130℃时,四方晶系 ,沿c轴自发极化,
呈现出明显的铁电性质。
0℃附近,正交晶系,晶体对称性下降 ,沿[011]方向极化。
-80℃附近,三方晶系,对称性继续下降 ,沿[111]方向极
化。
7.7 钛酸钡的结构与性质
3 钛酸钡的铁电性质
晶体结构对极化的影响
图7.31 介电常数与温度的关系
图7.32 饱和极化强度与温度的关系
7.7 钛酸钡的结构与性质
3 钛酸钡的铁电性质
铁电性质
图7.33 钛酸钡晶体的自发极化与畴壁形成
7.7 钛酸钡的结构与性质
3 钛酸钡的铁电性质
铁电性质
图7.34 钛酸钡陶瓷的畴壁结构
7.7 钛酸钡的结构与性质
3 钛酸钡的铁电性质
铁电性质
图7.35 钛酸钡单晶及陶瓷的电滞回线
7.8 电介质材料的典型应用
1 压电器件
利用二端振子组成的滤波器
图7.36 二段振子构成的各种滤波器
7.8 电介质材料的典型应用
1 压电器件
机电耦合型滤波器
能陷滤波器
表面波滤波器
图7.37 L型滤波器及等效电路
7.8 电介质材料的典型应用
2 热释电红外探测器
图7.39 热释电探测器的结构
热释电电流
dQ
dPs dT
dT
i
A
Ap
dt
dT dt
dt
7.8 电介质材料的典型应用
2 热释电红外探测器
电压响应率Rv
噪声等效功率NEP
Rv V0 / P '
比探测度
D* T , f , f Rv Af / N
探测度优值
p
FOM m
CV r tan
电压效应优值
FOM m
p
C V r
7.8 电介质材料的典型应用
2 热释电红外探测器
红外报警器:安全领域
火警报警器:双色比较;不仅检测的CO2的高温辐射谱线
(4.1-4.7um),而且检测较远的波长谱线(如3.8um
等),以抑制背景干扰,提高可靠性
热成像:
无需制冷,室温工作
不需要对景物扫描,类似模拟相机
价格低
但像素简单,只能显示温度分布,精确度低
7.8 电介质材料的典型应用
3 声光器件
所有的声光器件都是基于声光调制或声光偏转的原理。
通过改变声波的功率使衍射光线强度改变,这是声光调制。
如果在一定的声功率条件下改变声波的频率使衍射光线的方
向发生改变,这就是声光偏转。
声光调制器
图7.40 喇曼-内斯型声光调制器原理图
7.8 电介质材料的典型应用
3 声光器件
声光偏转器
2 B / s f
/ d
N 2B / d / s f f
图7.41 声光布拉格型偏转器
7.8 电介质材料的典型应用
3 声光器件
光波导声光调制器
由于光波导与瑞利表面声波只
是在几个微米的深度内相互作
用,因而这种光偏转器的效率
要比体器件的高很多。如果换
能器改用周期性结构,多个不
同周期的斜阵列结构或相列结
构,还可将带宽提高许多。
图7.42 光波导声光偏转器结构示意图