电介质物理讲稿固体中的介电弛豫.ppt

感谢电介质物理专委会让我有机会仔细地重温这本书，大约在87-88年曾经浏览过。 很不容易在一个小时之内讲完成这二章的内容，只能是粗略地讨论交流，谈谈我自己的理解与体会。假设各位都已经具备电介质物理的基础知识。 该书的描述方式与我们通常的电介质物理的体系不相同，与我们的理解习惯也不一样，但自成体系，很有特点，很有价值。 Fischer，费舍尔，菲舍尔，（前德国外长，奥地利总统，诺贝尔化学奖得主，影星，音乐家，国际象棋棋手等多人；一种测厚仪品牌） 第4章 理想物理模型的动态响应 与通常的习惯不同，作者是以简谐振子模型为基础，从中导出各种物理状况下的极化模型，如偶极子极化模型（原始的德拜模型），离子跃迁极化模型等。 很有特点的是，作者讨论了与介电过程相关的半导体现象，如肖特基势垒（这通常是仅作为电导与击穿模型讨论的），如p-n结，如产生－复合过程，这些通常是不与极化结合讨论的。 这样的扩散模型仅仅用单粒子模型是不够的，因而已经涉及到了多粒子协作系统。 4.2 谐振子 质量为m，电荷量为-e的质点，恢复力弹性系数?，阻尼系数ms，外加电场Eexp(i?t)，则运动方程为： 解这个方程，在振子之间无相互作用的情况下，极化强度 P=-eNy，P=?0?E，复极化率 可以写为： ?p即等离子振荡频率，即自由电子气的固有频率。 （光频，金属的介电常数问题） 而?为无阻尼情况下的谐振子固有频率。 纵坐标较为特殊； 上升段，惯性不起主要作用，此时是弛豫而不是谐振； 下降段，反常色散，谐振极化； 负值，表示反相位移，振子的惯性作用，等效于负质量； 表示可以有负的?r； 不同的k值，表示不同的阻尼系数，大阻尼时就不存在反常色散。 当驱动场不是简谐力，而是冲激函数激励时，就不能得到稳态解，而是时间解。 这也就是介质响应函数。 频域－时域响应的关系，傳里叶变换，实部与虚部构成希尔伯特对。 随时间t的初始上升体现为质量效应，而后，体现为恢复力和阻尼的作用。 KCl在 7K时的THz范围的复介电系数 THz，红外与微波重叠的波段，离子位移极化的例子； 用迈克尔逊干涉仪测量； LO模，（纵向光学模，质点运动沿平衡位置的连线） TO模，（横向光学模，质点运动垂直于平衡位置连线） 阻尼谐振子的极化率复平面 类似于Cole-Cole图的意义与作用， k=0.1时，谐振 k=1, 10时，类似于理想的Debye行为，具有很大的阻尼，与前面的讨论相同。 4.3 有恢复力的无惯性系统 标题中”Intertialess”疑为”Inertialess”，但是有的论文中也能够见到”Intertialess”。 无惯性，即质量为零；此时阻尼，阻力，粘滞占支配地位，也等效于Debye的“漂浮”偶极子。 但是不能简单地在谐振子方程中令 m=0 可以得出复极化率 实部与虚部分别为： 与德拜的偶极子弛豫形式相同 同样能够得出类似于Cole-Cole图的半圆 在?p=1/?时介质损耗最大 在忽略质量的粘性体系中，复极化率的实部是单调下降的，不同于有惯性情况下的反常色散 4.4 有碰撞的自由电荷载流子 有惯性，有阻尼，无恢复力的谐振子 对应于未定义平衡位置的自由电荷载流子 冲激响应解为 等离子振荡频率，与前面定义的相同 但是，这个解是不可接受的，因为 当t很大时，f(t)趋于一个定值。这意味着?函数激励产生了永久极化，这是不可能的。 对于冲激激励，合理的趋势应该是响应函数在长时间后消失为零。 因此，人为地将响应函数“纠正”为： 与无惯性的表达式相比，明显地多了负号 这样，能够得出极化率的实部为负值 相应的复介电系数的实部为 在 时，介电系数为0， 在此以下的频率，介电系数为负值，折射率n为纯虚数，电磁波不能够传播 类似于导体的行为，等效的交流电导率上升 可以理解为金属在较低的频率下的介电系数为负值。 4.5 在粘性流体中的偶极子漂浮 与Debye原创的弛豫讨论相同 无惯性，无质量，有阻尼；因而，无谐振，无反常色散 损耗峰值： 损耗峰值与频率： 4.6 双势阱电荷跃迁 即热离子松弛极化，为时间响应比较慢的位移极化 在玻璃类的物质中比较常见 与Debye弛豫形式很相似 4.7 半导体中的介电现象 本节为该书的独特之处 电子与离子型的半导体在THz以下不显示为介电行为，这是所讨论的极限 在较低频率下，电导损耗（?0/?）占支配地位 例如，硅，约200GHz时，?’=?”；高阻硅，也不低于MHz 介电行为适合于自由载流子，红外范围，高碰撞率 界面特性比体特性更为重要 绝缘的肖特基势垒，p-n结占重要地位，在此区域内，载流子耗尽，剩下的晶格表现为介电特性 将耗尽区考虑为由其晶格决定纯实数的介电材料， 慢响