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电介质物理 邓 宏 电子科技大学 微电子与固体电子学院 电介质的特征 一、电介质的性能 1.从电场特性来看 （a）导体中：内部电场为零（平衡状态），电场终止于导体表面并与表面垂直。 （b）在介质中：内部存在电场。 如平板电容器： 第一章 二、电场和电场强度 三、电位移（电感应强度） 五、电场的电位 六、泊松和拉普拉斯方程 七、电极矩和电偶极矩 多极矩（子）的概念 铁电材料的应用 电子技术 红外探测技术 超声（和微波声学）技术 固态记忆 反铁电体、压电体与热释电体 压电参数微区测量 习题： 一无限均匀的电介质，其介电常数为?，周围为均匀电场E，在此介质中挖出一半径为a的小球，其介电常数为?0，求球内、外的电场。 Onsager理论的优点： 介电常数?不会出现负数或?； 理论结果与实验测试结果较吻合； 考虑了极性液体分子间距小、相互作用强的特点。 缺点： 把每个极性分子的周围均视为连续的介质，实际上是只考虑分子间的远程相互作用，因此，Onsager理论只适用于极性分子远程力较大、而近程力较小的液体介质。如水、酒精等就不适用该理论。 高介离子晶体的有效电场 介电常数在10以上的离子晶体，具有电子位移极化和离子位移极化。 由于晶体的结构——Ei很大 如：TiO2，金红石，??=7.3，?=173 SnO，金红石结构， ??=4.7，?=24 PbO2，金红石结构， ??=6.75，?=26 x y z E Ti4+ O2- 金红石晶体结构点阵图 一、内电场的计算（斯卡娜维法） 有洛仑兹假设： Ei=E+P/3?0+E′′ r1 r2 r ?‘ x y z O ? 二、介电常数高的原因 计算值：170；实测值：173 高介电常数的原因 铁电体与自发极化 自发极化（Spontaneous electric polarization): 在没有外电场的作用时，晶体内部某些区域的正、负电荷中心不重合而呈现电偶极矩，这种现象称为自发极化。 铁电体：具有自发极化的电介质称为铁电体。 铁电体的特征： 具有高的介电常数，几百~几万； 介电常数与电场强度大小有关； P~E的关系为电滞回线（Hysteresis curve) o E P 矫顽电场Ec 自发极化Ps 常见的铁电体有： 酒石酸钾钠 （NaKC4H4O6·4H2O） 磷酸二氢钾（KH2PO4） 钛酸钡（BaTiO3） 一、铁电体 的电畴结构和特性 具有宏观偶极矩的区域称为“电畴”。 在初始状态，就铁电体整体而言，对外界将不呈现电荷和极化状态（相当与回线的O点）。 o A M d FE=QE FE FR R F 3.介质球模型 如图，把原子看成是一介电常数为?的介质球。 R 电子位移极化结论 同族元素：?e由上到下增大，因：外层电子数增加，原子半径R增大； 同周期元素：不定，因：外层电子数虽然增加，但轨道半径可能减小； 离子的电子位移极化率的变化规律与原子大致相同。 离子半径大，极化率大； 实测电子位移极化率与理论结果仍有差别，但研究发现，?e/4??0R3值大，对极化贡献大，如：Pb2+、O2-；表 电子位移极化率与温度无关，因为，R与T无关； 极化率为快极化：10-15 –10-16s，在第二章解释该极化无损耗。在光频下，只有电子极化，介质的光折射率为： ?为光频下的介电常数 1.89 1.32 4.80 Pb 1.41 1.12 2.21 Hg 1.28 1.13 2.05 Ag 1.81 1.00 2.01 Cu 1.21 0.87 0.89 Zr 1.12 1.74 6.55 S 1.20 1.32 3.069 O 1.50 0.20 0.013 C 1.14 0.26 0.022 B ?e/4??0a3 原子半径a ?10-10m 实测电子极化率?e?10-40F?m2 原子或离子 水分子的偶极矩 O2- H+ H+ 104o H+ R 解答 O2- H+ H+ 2? H+ R E E2 E1 水分子的偶极矩等于：6.1?10-30库?米，为强极性分子。同样分子结构的CO2则为非极性分子（因它的键角为180o）。 离子位移极化和极化率 离子晶体的介电常数值比n2值大的多，如 8.43 1.99 CaF2 110-114 7.3 TiO2 4.68 2.13 KCl ? n2 因此，必然存在电子极化外的其他极化机制。 离子位移极化：离子晶体中正、负离子发生相对位移而形成的极化，称为离子（位移）极化(Ionic polarization)。极化率用?i表示。 -q +q E K=? K值的求解 １.根据正、负离子对的固有谐振频率用实验方法求解Ｋ值。 式中?可由吸收光谱测得，其它参数为已知常数。 Ｕ（ｒ）