最新介质的电极化Word文档下载推荐.docx
《最新介质的电极化Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新介质的电极化Word文档下载推荐.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
随频率的增加而下降，同时虚部出现如图1.1所示的峰值，这种变化规律称为弛豫型的。
频率再增加，实部
降至新恒定值，而虚部
则变为零；
这反映了分子固有电矩的转向极化已经完成不再作出响应。
当频率进入红外区，分子中正，负离子电矩的振动频率与外场发生共振时，实部
先突然增加，随即陡然下降；
同时又出现峰值。
过此以后，正，负离子的位移极化也不起作用了。
在可见光区，只有电子云的畸变对极化有贡献，这时实部
取更小的值，称为光频介电常数，记作
；
虚部
对应于光吸收。
实际上，光频介电常数随频率的增加而略有增加，称为正常色散。
在某些光频频率附近，实部
先突然增加随即陡然下降，下降部分成为反常色散；
与此同时，虚部出现很大峰值，这对应于电子跃迁的共振吸收，根据光的电磁波理论，介质对光的折射率n的平方等于相对介电常数。
在极高的光频电场下，只有电子过程才起作用，故
（1.2）
共振型吸收曲线的线宽也反映了一定的弛豫过程。
弛豫过程决定于微观粒子之间的相互作用。
当相互作用很强时，色散曲线和吸收曲线过渡到极端的弛豫型。
在频率更高时（如高于
），介质对这种激励没有反应，
取真空电容率。
除上述的三种主要极化结构外，在更低的频率范围还有
（1）空间电荷极化：
由外场注入或缺陷的作用等原因形成宏观极化或局域极化，由于它们难于运动，只有在频率很低时才对外场有响应。
（2）带有电矩的基团的极化：
如某些缺陷所形成的偶极矩连同周围受其感应的部分所形成的微小区域，以及铁电体中的畴壁等，因其质量大而运动缓慢。
（3）界面极化：
在非均匀介质系统中，当两种介质的介电常数和电导率不同时，在两种介质的界面上将有电荷积累，从而产生相应的极化。
界面极化对电场的响应等价于双层电介质模型，其行为类似于德拜弛豫。
研究介电极化和弛豫始终是波谱学和光谱学的重要内容，这种研究促进了分子物理学和固态物理学的发展。
在今后发展非晶态物理乃至液态物理的进程中，研究电极化和弛豫仍然是最基本的课题；
这时所面临的机制将更加复杂而深刻，所需要的手段也将更加精细有效。
由于所涉及的是电荷的分布，起伏和带电粒子间的相互作用，故在电介质物理的研究中，一方面要很好的实验手段，另一方面要求优良的理论武器。
电动力学，量子力学，热力学和统计物理学等始终是研究和探讨本学科的必不可少的理论基础和手段，而且随着科学技术的向前发展，这些理论基础和方法将会更加完善。
在电介质物理学的发展过程中，有效场或内（电）场问题始终是个繁难的理论问题，并曾引起很多学者的研究和讨论，但一直没有得到圆满的解决，问题是这样提出来的：
在外电场的作用下电介质发生电极化，整个介质出现宏观电场。
但作用在每个分子或原子上使之极化的有效场（内场）显然不包括该分子或原子自身极化所产生的电场，因而有效场不等于宏观场。
通常在考虑有效场时必须把所讨论的分子或原子的贡献排除在外，对于所讨论的分子或原子来说，近郊的与远离的其他粒子所发生的作用并不相同：
远离的只有长程作用，近郊的还有短程作用。
Lorentz在讨论这个问题时，设想以所考虑的分子或原子为中心，作一半径足够大的球。
球外可作为连续介质处理，对球内则必须具体考虑其结构。
当介质具有对称中心时，Lorentz得出结论，球内其他粒子对中心粒子的作用相互抵消；
球外则可归结为空球表面的极化中心所产生的场，在C.G.S制下等于
，其中P代表介质的极化强度。
因此，若外加电场为E，则作用于中心分子或原子上的有效场（内场）为
（CGS制）（1.3）
称
为Lorentz有效场或内场。
实验表明，对不具有固有电矩，但具有中心反演对称的介质，Lorentz内场是适用的。
但对由具有固有电矩的分子所组成的液体，虽然液体各向同性（故有对称中心），但用Lorentz内场计算得到的介电常数比实测的要大的多，这表明此时的Lorentz内场过大了。
在国际单位制（SI）下，式（1.3）的形式为
（1.4）
其中
为真空介电常数，等于
。
在本书中无特别声明，一律采用国际单位制。
昂萨格（L。
Onsager）在讨论和分析这个问题，他认为分子固有电矩引起周围的电极化，反过来作用于中心电矩的场，他称为反作用场，这个场是不能使中心电矩转向的。
Lorentz内场中包含了反作用场，因而显得过大了。
昂萨格还认为，在外电场作用下，引起中心电矩转向的是空球电场；
其来源是因为取走点电矩而用空球代替时，外加电场在空球内，外都发生了畸变。
由于空球电场不同点电矩平行，故能使之转向。
对于极性不很强的液体，昂萨格理论给出的结果同实验结果比较符合。
虽然昂萨格模型比Lorentz模型有所改进，但实际上它忽略了球内分子的结构，没有考虑分子间的短程作用，因而又在另一个极端上将问题过分地简化了。
对于形成分子集团的极性液体，例如水等，短程相互作用不能忽略，昂萨格理论不再适用。
对于形成分子集团的液体，特别是对于聚合物和高分子介质，则必须考虑短程作用。
Kirkwood首先采用了统计的方法来考虑介质极化过程中粒子间的相互作用。
其后，Frohlich更为系统地发展了统计理论，这对于研究和发展极性高分子聚合物电介质来说有重要意义。
对于结构紧密的固态介质，除接近熔点时的情况外，分子电矩的直接转向难以实现。
但固态介质中总是存在缺陷的，在外电场作用下，带电缺陷可以从一个平衡位置跳到另一个平衡位置，其效果就相当于电矩的转向。
一些具有强离子键的晶体，其静态介电常数总比折射率的平方大得多；
除离子位移极化的贡献外，差值就是带电缺陷在外电场作用下从一个平衡位置跳到另一个平衡位置引起的。
只有共价键的原子晶体，例如金刚石，锗，硅等，它们的静态介电常数才接近于折射率的平方。
对于
Ш-V族化合物，例如GaAs，InP等，虽然主要是共价键结构，但因附加了离子键，其静态介电常数也显著地比折射率的平方要大。
在外电场作用下，分子电矩在转向过程中因与周围分子发生碰撞而受阻，从而运动滞后于电场，出现强烈的极化弛豫。
极化弛豫，介质损耗或介质吸收这三者是从不同角度出发来描述同一个问题。
实验表明，复介电常数的实部
和虚部
不是互相独立而是互相联系的，Kramers和Kronig从十分普遍的数学原理得出了两者互相联系的K-K关系式。
用分子电矩的转向模型来解释时，K-K关系式的物理图象是十分清楚的。
复介电常数实部的增长是由于电矩转到与外场平行的方向；
但在转向过程中就要与周围粒子发生碰撞而损失能量，从而出现弛豫，这是由复介电常数的虚部来表示的。
德拜（P。
Debye）对弛豫过程作了深刻的研究。
他认为极化弛豫可分解为一些
类型的单元过程，由弛豫时间
来表示，弛豫有一定的分布函数
，符合归一化条件
（1.5）
复介电常数的实部和虚部可表为
（1.6）
（1.7）
为静态介电常数
对于单一的特征弛豫时间
，
成为
函数。
实际电介质的弛豫时间具有一定分布，Cole-Cole用经验公式把复介电常数表示为
（1.8）
在晶态电介质中，当缺陷存在着多个平衡位置时，每个平衡位置对应着一个特征弛豫时间，就会使晶体出现多个特征时间的弛豫过程。
此外还有
（1.9）
（1.10）
等以描述更复杂的过程。
电极化与电导有密不可分的关系，电导也是电介质物理学中的重要研究内容。
许多电介质在频率为
的电场中都可等效为电容和电阻的并联。
由交流电路原理可知，在此频率下，其复电导率
与介电常数的关系是
（1.11）
（1.12）
从这个意义上说，复电导的研究与极化的研究同样重要。
1.2固态电介质
固态电介质分布很广，而且往往具有许多可供利用的性质，例如电致伸缩，压电性等，从而引起了广泛的研究，但过去大多限于讨论它们的宏观性质以及可提供的技术应用。
实际上，这些性质是与晶体内在结构，其中的束缚原子（或离子）以及束缚电子的运动等都有密切的关系。
现在，固态电介质物理与固体物理，晶体光学有着许多交叠的领域。
特别是在激光出现以后，研究晶态电介质与激光的相互作用又构成固态激光光谱学，固态非线性光学。
离子晶体中点阵振动的光频支导致点阵的电极化。
这类光频波和离子的位移极化所引起的介电性质和对光的红外吸收，Raman散射，布里渊散射以及一些特殊的光学性质，长期以来就是固体物理的重要研究对象，但同时也是属于电介质物理和光学的研究范畴。
碱卤晶体中的F心以及与之相关的各种色心，从20世纪30年代起，人们就不断地进行研究，推动了固体物理的发展，对于固体发光和固体激光的发展也起着促进作用。
近年来，研究色心激光发展并发展可调谐的红外色心激光器也是很受重视的课题。
为了研究F心，当初所提出的关于离子晶体中电子自陷的极化子模型，即运动电子和带有离子键的半导体也包括III-V族，II-VI族半导体中电子过程的研究对象。
这些也是属于介质物理研究的范畴。
由于各晶胞的电矩之间相互作用的长程性，晶体中的电极化过程实际上是点阵的集体运动。
研究电极化的集体运动是固体元激发理论的一部分。
极化子就是一种元激发，声子和激子都是介电晶体中典型的元激发。
声子，激子与光子杂交耦合成为声子—光子—耦合场量子（phonon-polariton），激子—光子耦合场量子（exciton-polariton），这些是介电晶体中典型的复式（元激发）准粒子。
光纤中的导波光就是由声子—光子耦合场量子或激子—光子耦合场量子组成的，成为导波光场量子（guided-wavepolariton）。
按固体元激发理论，固体的介电常数不仅是频率的函数，而且也是极化波波矢量k的函数，后者称为空间色散。
研究介电常数
的规律与电极化元激发性质的关系，使固态电介质物理发展到了一个新阶段。
当前，固态电介质物理的研究重点还在于研究无机电介质晶体的机电，电光和光电和铁电等性质；
因为这些方面有着重要的技术应用。
电介质的电极化会引起内应力从而发生形变，内应力与外电场的平方成正比的二阶效应称为电致伸缩。
任何电介质都存在电致伸缩效应，但除钛酸钡，锆钛酸铅及一些弛豫铁电体之类的晶态材料外，一般的电致伸缩效应都是很小的，但在大功率脉冲的强激光作用下，激光的强电场通过电致伸缩效应在固体介质中构成甚强的超生行波场，从而引起受激布里渊散射，有可能制成连续可调的激光器。
没有中心反演对称的一些带有离子键的晶体，在外电场作用下会出现内应力与外电场强度成正比的一阶效应，这是压电效应的逆效应。
这种一阶效应所能引起的晶体的应变要比电致伸缩大得多。
非中心对称的晶体都是压电晶体，它们在外界压力的作用下通过内部的极化过程，使晶体表面出现面电荷，这种效应称为压电效应。
压电晶体的种类很多，最常见，而且用的最广的有水晶，罗系盐，KDP，ADP等。
一些具有闪锌矿结构的晶体（如GaAs,CuCl，InP，ZnS等），它们是压电半导体。
压电水晶广泛地用来制造无线电频率的谐振器。
因为水晶的化学和机械性能狠好，水晶振子的谐振频率非常稳定，在电信和电子技术上的效用很大。
罗息盐因其压电性能强而制作又较为简易，故是用来制造耳塞听筒或电唱头的材料。
ADP则是水声（声纳）听音器的重要材料。
近年来应用最广泛的压电材料要算钛酸钡和PZT系列压电陶瓷，它们可用于电声换能，压电点火和引爆等方面。
研究压电晶片的切型及其振荡模式是20世纪三四十年代以来固体电介质物理的重要课题，压电效应的研究。
向微观发展推动了晶格动力学和声子物理的发展，在可见区或红外区呈透明的压电晶体是具有一阶电光效应的电光晶体，其折射率可以通过外加电场而灵敏地改变，在激光调制上具有重要的用途。
KDP，CuCl，GnAs等是重要的电光晶体。
新型的电光晶体如铌酸锶钡（BSN），铌酸钡钠（BNN）等是具有钨青铜结构的铁电体，常被称为铁电电光晶体，其半波电压很低，效应很灵敏，有很好的发展前途.透明的铁电陶瓷（电光陶瓷）PLZT也是很有发展前途的电光材料。
例如水晶等普通的压电晶体，在自由状态下如果没有外电场，晶体的极化强度等于零。
但是有一类压电晶体业由于本身结构的原因而处于自发极化状态。
通常，自发极化电矩在晶体表面的正，负端面总吸附着异性电荷。
所吸附的异性电荷完全屏蔽了自发极化电矩的电场，使之不会显露出来。
但是由于自发极化电矩的大小与温度有关，当温度变化时所吸附的多余屏蔽电荷就被释放出来，这称为热释电效应或热电效应。
热释电晶体已成为红外探测的重要材料。
最早被发现的热释电晶体是电气石。
近代技术应用的热释电材料都是经过人工极化的铁电体，例如TGS，LiNbO3，LiTaO3晶体，PZT陶瓷等。
铁电晶体是电介质晶体中很重要的一类，例如BaTiO3，PbTiO3，LiNbO3等。
在各自的铁电居里温度以下，铁电晶体将出现自发极化，并且自发极化可随外场反向作用而转向，在交变电场作用下，铁电体的极化强度与场强关系显示出电滞回线。
对于钛酸钡，它在120°
C以上没有自发极化，晶体属立方结构。
当温度降到120°
C以下时，晶体出现自发极化，同时结构的对称性降低。
自发极化的出现伴随着晶体对称性的下降，这是一种相变过程。
钛酸钡在120°
C以上呈顺电相，由于此时的立方结构具有对称中心，故也不是压电晶体。
通过冷却自发转变形成的铁电晶体，由于其中出现电畴结构，不同的畴的自发极化方向可能不同，因而相互抵消，使得铁电相晶体大块体积的宏观极化强度可以等于零；
这时铁电体的压电性和热释电性能都不能暴露出来。
只有经过人工极化单畴化或至少使各个电畴沿某个取向占优势，铁电体才同时具有压电性和热释电性。
有的铁电体只有一个相变，例如PbTiO3在约490°
C以下一直保持为四方；
而有的则有两个或多个相变，例如BaTiO3在120°
C以下还有四方—正交，正交—三方相变。
近年的量子力学计算表明，这是由于PbTiO3中Ti的势阱比BaTiO3中的要深的缘故。
有些晶体，例如-125°
C以下的ADP，还会出现反铁电性。
研究铁电体和反铁电体的相变关系到自发极化发生的机理，这是电介质物理，同时也是固体物理的主要课题之一。
现在知道，晶体中自发极化的出现是与晶格振动的横光学支模的频率随着温度接近相变点而趋向于零有关。
这种频率随温度或其他条件变化而降低的振动模称为软模。
软模的概念是从铁电性的理论研究中提出来的，已经被推广应用到例如合金相变等其他领域。
今天，软模理论已成为研究固态相变极重要的理论。
通常，研究电极化问题时外加电场比较弱，此时极化强度与外场强度成正比，称为线性极化。
若外场增强，就会出现非线性极化。
但只在非中心对称的压电晶体和铁电晶体中才能观察到二阶的非线性极化，所以在电学上早就把压电，铁电材料称为非线性电介质，激光的电场很强。
首先在石英晶体中观察到非线性极化引起的激光倍频现象，其后用KDP和ADP
可以很容易实现光倍频和光混频（包括差频与和频）以及参量振荡，利用LiNbO3可以使激光的频率连续可调，以上这些以及其他一些非线性光学效应的出现，引起人们广泛的研究，从而发展成为非线性光学这一新的学科分支。
电介质物理学与非线性光学有着广泛的交叠领域，但两者研究角度不同。
电介质物理学研究激光作用下电介质中非线性电极化过程与介质结构的关系，把宏观的电光性能与物质的微观组态联系起来，进一步揭示物质的微观运动规律，从而有可能有的放矢地发展和制备出性能优异的非线性光学材料。
现在看来，铁电电光材料会比压电电光材料优越，只是目前对于一些领域的规律尚掌握得不够，同时由于技术条件的限制，实际和要求之间还存在很大差距，例如BSNB，BNN在性能上远没有达到理想的要求。
用激光作为工具，使得固态电介质Raman光谱的研究得到很大的发展。
在某种意义上来说，这种做法也就是研究晶格振动光学支格波与激光的相互作用。
铁电体在电光性能之所以比较优越，就是因为晶体中存在自发极化。
因而研究铁电相变前后由软模引起的激光Raman散射，不仅可以揭示铁电相变过程的规律，而且可以对铁电电光性能进行分析。
研究Rayleigh峰附近晶体的准弹性散射或中心峰随温度等条件的变化，可获得相变动态过程的信息，例如新相微区的形成及扩大等，有助于推动临界现象的研究。
此外，由于实验技术的不断改进，通过对电介质材料的布里渊散射光谱的分析研究，使得晶格振动声学分支格波与激光的相互作用规律有可能被揭示出来。
所以，电介质物理学与固态激光光谱学也有着宽广的交叠领域。
有些固态电介质材料，具有长期保存电荷并在其周围建立电场的能力，这类材料总称为驻铁体。
驻极体虽然已发现很久，但在早期的发展中似乎只有理论上的意义。
直到聚合物驻极体研制成功以后，驻极体的研究才受到人们的重视。
聚合物具有优良的贮存电荷的能力，聚合物驻极体可制成薄膜，从而出现能够任意弯曲的特异性质，这是一种新的功能材料，并得到广泛的应用。
驻极体能产生约30kV/cm的强外电场，使之能应用于很多目的。
用薄膜驻极体制成的话筒，已有商品出售。
驻极体的电荷贮存性能还被应用于静电摄像术。
这方面的技术由于光电导成像技术的研究而有了重要突破，导致静电复印技术的发展。
近年来，还利用驻极体制成气体过滤器，光显示系统和辐射计量仪等。
商品气体过滤器采用负电晕驻极纤维材料，由静电吸引力的作用捕捉灰尘和微小粒子。
许多生物物质都是具有某种介电性质和功能的电介质，例如骨骼具有压电性，神经的信号传输与其中的电矩扰动有关。
驻极体已用于外科接骨手术，它可以帮助断骨的愈合和生长。
关于生物电介质的研究，正在促进生命科学的发展。
传统上物质的导电现象不属于电介质物理的研究范畴。
但由于电介质物理的发展及与其他学科的渗透，也研究与介电性质有关的导电现象。
由于电导率很小的电介质被用来作为绝缘材料，电导问题关系到绝缘体的漏电和损耗，所以工程技术上把电导列为绝缘体的四大参数（介电，损耗，电导，击穿）之一。
绝缘材料科学与电介质物理学之间是有一定区别的。
后者只研究与介电行为直接有关的问题。
例如某些以BaTiO3为基的陶瓷铁电半导体陶瓷，在室温时的铁电相是一种导电的半导体，当温度升高到铁电居里点转变为顺电相时，其电阻突然升高五六个数量级而成为绝缘体。
这种具有正温度系数（PIC）的材料用来制成加热器可同时兼具恒温作用，成为复合功能器件而得到广泛的应用。
PTC的机理与铁电自发极化在相变时消失而在晶界上形成双肖特基势垒有直接关系。
电介质物理的重要课题之一就是获得宏观介电常数足够大的材料。
近代技术已能够将陶瓷的晶粒内部做成导电的，而晶粒边界为绝缘的，因为晶粒边界层很薄，因此宏观样品的等效相对介电常数可以达到
。
如何降低其介质损耗，提高耐压强度仍是一个值得研究的课题。
这实际是电介质物理与半导体科学的交叉学科。
导电现象与电介质直接有关的方面还有电击穿，经击穿的电介质将部分或全部失去其介电性能。
介电击穿是电介质极化所能容忍的场强极限。
绝缘电介质的击穿场强一般约为
至
V/m.当外加场强超过此值时，绝缘体的电导率突然增大，在外电场不变的情况下，介质中的电流迅速增大，接着在介质中形成破坏性的导电沟道。
介电击穿的过程很复杂，除与介质的结构缺陷，杂志等有关外，还与样品厚度，电极形状，环境温度，湿度和气压，所加电场波形等有关。
击穿通常可以分为本征击穿，热击穿，化学击穿等几种类型，实际击穿时可以是某种类型占主要，也可以是几种原因的叠加。
在击穿过程中还会出现不同类型的变化。
有关介电击穿的实验数据很不完整，目前的各种理论模型只能分别在一定范围内说明问题。
介电击穿涉及材料的能带结构，强场下载流子的输运过程，弛豫机制以及电子与声子，电子与电子间的相互作用等等。
在应用上，介电击穿关系到高电压的传输与变化，高能粒子加速器，光损伤，电介质的大容量贮能以及器件与设备的可靠性等。
1.3近年来电介质物理学的部分进展
电介质物理学是个较老的学科，同时也是一个不断发展的领域，要全面地概述其进展十分困难，这里仅概括其中的几个受到较多关注的课题。
1．材料性质的第一性原理计算是个有巨大潜力的领域。
第一性原理方法指从构成材料的原子核，电子或其他结构单元自身的性质及它们之间的相互作用出发，事先不需要实验参数，而得到材料性质的计算方法。
原子间的相互作用是各种宏观物质形成和变化的根源。
对这种作用认识i的程度标志着人类对宏观物质理解和把握的水平，第一性原理计算是取得这种认识的重要手段之一。
对凝聚态物质，多中心多体问题的极端复杂性使第一性原理计算非常困难。
但由于能带理论，量子化学计算方法特别是密度泛函理论的发展，近十年来，第一性原理的计算进展迅速。
不仅用于材料性质的计算，而且结合Monte-Calo或分子动力学理论等还被用于有限温度处理诸如铁电相变这种包含原子位移的问题以及机电耦合的复杂情况。
现在已能相当好地对0K温度时纯的有序化合物单晶的晶胞参数，力学性能，与机电耦合有关的参数（包括压电常数），相图以及声子频率进行计算，对这些性质随温度变化的计算结果也是不错的，对BaTiO3，PbTiO3，KNbO3的铁电相变，PbZrO3的反铁电相变以及SrTiO3的复杂相变行为也得到了与观察相符的结果。
对有实用价值的固溶体系统也有部分初步的工作，对不完整晶体例如氧缺位，畴界，表面电子态等的工作也都给出了新结果，但对于弛豫铁电体，由于体系的复杂性，单纯的量子力学计算是困难的，还须结合其他方法，这方面的工作对进一步理解弛豫铁电体的起因及优异的压电性能的来源将会很有帮助。
第一性原理计算有利于揭示组分-结构-性能之间的内在联系，揭示一些性质产生的根源，可以帮助理解不同成分带来性能差异的原因，如BaTiO3与PbTiO3性质与相变行为差异的原因。
此种计算的最终结果可导致性能和结构的预测以及材料设计。
2．弛豫铁电体在20世纪90年代发展迅速
弛豫铁电体是指顺电-铁电转变属弥散相变的铁电材料，一般为复合型化合物或固溶体。
典型的例子是铌镁酸铅（PMN）和铌锌酸铅（PZN）。
除
峰较宽外，主要特点是
峰的位置随频率而变化，
峰往往与
峰温度不一致，在典型的情况下（如PMN）降温时体系并不自发地形成长程序，在
峰的温度以上
不服从居里—外斯定律。
继发现它们具有高的介电常数，大的电致伸缩系数以及良好
升级会员 