ZnO基材料的压电、铁电、介电与多铁性质研究进展
作者：门保全， 郑海务， 张大蔚， 马兴平， 顾玉宗， MEN Bao-quan， ZHENG Hai-wu，
ZHANG Da-wei， MA Xing-ping， GU Yu-zong
作者单位：门保全,MEN Bao-quan(河南大学物理系,微系统物理研究所,光伏材料省重点实验室,开封,475004;河南农业职业学院,郑州,451450)， 郑海务,张大蔚,马兴平,顾玉宗,ZHENG Hai-
wu,ZHANG Da-wei,MA Xing-ping,GU Yu-zong(河南大学物理系,微系统物理研究所,光伏材料
省重点实验室,开封,475004)
刊名：
硅酸盐通报
英文刊名：BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY
年，卷(期)：2009，28(4)
被引用次数：1次
参考文献(32条)
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相似文献(10条)
1.学位论文杜朝玲Sr<,m-3>Bi<,4>Ti<,m>O<,3m+3>铁电氧化物和ZnO基稀磁半导体的拉曼光谱研究2007
拉曼光谱学是研究物质元激发、结构和其它等物理性质的重要手段之一。它越来越受到人们的关注，并将其用于他们的工作中。本文利用拉曼光谱学的专业知识，对Bi系层状钙钛矿铁电氧化物Srm-3Bi4TimO3m+3(m=3，4，5)进行了系统研究，揭示了其结构与性质变化之间的关系，并重点分析讨论了非谐性互作用在光谱中的反映。本文还对当前另一研究热点ZnO基稀磁半导体(DMS)的拉曼光谱进行了研究，该方面的工作可以提供关于其结构等方面的基本信息，并可填补稀磁半导体领域的某些空白。以这两类物质体系为对象，完成了如下的工作：
1．通过改变Srm-3Bi4TimO3m+3中m的数值或者对Bi4Ti3O12(BTO)进行掺杂调制的多晶陶瓷SrBi4Ti4O15(SBTi4)、Sr2Bi4Ti5O18(SBTi5)、Bi4Ti3-xZrxO12(BTZx，x=0.2，0.5，1.0，1.5)和Bi3.25La0.75Ti3-xZrxO12(BLTZx，x=0，0.2，0.5，0.75，1.00，1.50)，其拉曼光谱表现出共同的光谱分区特征，且其光谱的不同主要体现在非谐性声子模式的不同上。SBTi5陶瓷的变温拉曼光谱研究表明，其结构、非谐性互作用和取向弛豫都分别随测量温度的改变而改变。而且，通过对BTZx和BIXZx陶瓷拉曼光谱的研究，揭示了其结构畸变与剩余极化变化间的关系。
2．对Srm-3Bi4TimO3m+3/(001)—LaAlO3(LAO)(m=3，4，5)薄膜的拉曼光谱进行了研究，发现其拉曼光谱与相应陶瓷的光谱显著不同。而且，对不同的m值，其结构的不同导致了不同强度的非谐性互作用，并在相应的拉曼光谱上得到了展示。通过对SBTi4/LAO薄膜变温拉曼光谱的研究，首次从实验上得到了该材料内部的声子频隙，并指出了频隙与能隙的异同。对该薄膜高频声子模式频移和半高宽随温度的变化进行了讨论，给出了其内部主要振动能级的分布，并揭示了其内部互作用的非谐性。
3．对ZnO基DMS薄膜的拉曼光谱进行了研究，发现ZnMnCoO/c—Sapphire薄膜的变温、变波长的拉曼光谱呈现一定的规律性。文中还对该薄膜在空气中后退火后的拉曼光谱进行了测量，并给出了各声子模式的指认。首次报道了磁性离子共掺杂ZnO薄膜的共振拉曼光谱，对其机制进行了讨论；并发现其电—声耦合与畸变能随薄膜在空气中后退火温度的不同而不同。Sapphire和Si衬底上ZnMnCoO薄膜共振拉曼光谱的比较，说明其共振拉曼光谱可用于验证其晶粒的ε轴取向度。
拉曼光谱亦不同于ZnO的拉曼光谱，体现了磁性离子掺杂在光谱上的反映。说明拉曼光谱学分析不仅可用于表征物质的结构和光谱性质，还可以提供相关物质材料的基本物理信息，如非谐性互作用和电—声耦合等。
2.学位论文张志华纳米材料的表征和铁电畴极化反转的原位透射电镜研究2007
本论文分两部分。
第一部分，综合运用透射电子显微学和相关技术分别研究了II-VI族半导体纳米材料的结构、性质和生长机制。主要包括以下内容：
1.对一种特殊形貌的ZnO纳米孪晶结构进行了表征。该结构由三个部分A，B，C组成，A与B之间、B与C之间分别呈现孪晶关系。选区电子衍射和高分辨成像实验表明它们的孪晶面分别为(0111)和(0113)面，孪晶面两边原子面的夹角分别为122°和65°。会聚束电子衍射实验结合布拉格条件下的电子能量损失谱研究表明：两种类型的孪晶都采用尾对尾(氧极性对氧极性)的连接方式。
2.运用价电子能量损失谱技术和第一性原理计算方法对ZnO纳米线的电子结构和光学性质进行研究，将价电子能量损失谱中出现的能量损失峰和理论计算得到的分波投影态密度联系起来，指出其对应的跃迁。发展了一种处理价电子能量损失谱的方法，并利用该方法给出ZnO纳米线的多个光学参数。由于实验分辨率的限制，在处理的过程中没有考虑Cerenkov损失效应，使光学参数的数值具有一定的误差。
3.运用选区电子衍射和高分辨成像方法研究了ZnSe纳米线赝周期孪晶结构的形成机理。通过研究催化剂粒子和纳米线之间的取向关系及界面失配位错，发现孪晶周期与纳米线中的剩余应变能有关，计算结果与实验结果符合较好。
第二部分，利用原位透射电子显微学方法研究了在外加电场作用下BaTiO3单晶中铁电畴的极化反转过程。主要包括以下内容：
1.发展了会聚束电子衍射结合铁电畴极化反转的原位观察测定铁电畴极化矢量的方法。在BaTiO3单晶的铁电畴中，非中性离子偏离中心产生微小位移，使[010]会聚束电子衍射中的(001)和(001)盘的衬度不同。利用外加电场使样品单畴化，其极化方向沿着电场方向，确定了衍射花样和极化矢量之间的关系，从而成功利用会聚束电子衍射测定了铁电畴的极化矢量。
2.对BaTiO3单晶中铁电畴极化反转的过程进行了系统的研究，结果表明外电场的方向和铁电畴极化矢量的关系决定了铁电畴在外电场下的变化。基体的极化方向和外加电场的方向反平行，90°a-a畴极化反转过程可分成两步：第一步，当施加电场以后，基体逐渐收缩，90°畴不断扩张。当扩张到一定程度，基体中出现许多新90°畴的形核，极化矢量转动90°；第二步，在很短的时间内，样品发生剧烈变化，90°畴全部消失，所观察的整个区域变成了单畴，极化方向与外电场方向相同。
3.学位论文王栩生ZnO薄膜的研究2002
该论文对ZnO薄膜在LiNbO<,3>衬底上的外延生长,掺铝ZnO薄膜作为PZT的过渡层用于调整PZT的取向和疲劳特性,掺锂ZnO陶瓷和薄膜的铁电和介电性质等进行了较系统的研究,并取得了若干新的结果,主要内容如下:(1)ZnO薄膜在LiNbO<,3>初底上的外延生长.我们首次用紫外脉冲激光方法在（001）取向的LiNbO<,3>初底上外延生长了（001）取向性的ZnO薄膜.（2）ZnO缓冲层对PZT取向和疲劳特性的调控.用Pt为上电极制备了铁电薄膜电容器.该铁电电容器的优异的抗疲劳性能和保持性能表明使用ZnO过渡层是提高PZT疲劳寿命的有效途径.（3）掺锂ZnO的铁电和介电性质.制备了具有完全（001）取向的掺锂ZnO薄膜,并以Pt为上电极制备了薄膜电容器.在不同掺杂量的ZnO薄膜中,由掺锂12.5﹪的靶材制备的薄膜（Zn<,0.875>Li<,0.125>O<,y>)中测定了电滞回线.
4.学位论文刘天柱压电薄膜制备与特性研究2003
多年来对压电铁电薄膜的研究一直很受人们重视。无机压电铁电材料具有压电效应、热释电效应、线性或二次电光效应等多种效应。无机压电铁电薄膜有其独特的优点，如易于制作极薄的微波超声换能器，与半导体材料集成，制作压电铁电/半导体集成器件等。压电微泵、微加速度计、微红外阵列探测器、微扬声器、微开关以及薄膜微马达等是压电与微电子，铁电与半导体集成的典型应用，发展潜力巨大。如果按照材料特征来分可以把无机压电铁电薄膜分为非铁电性压电薄膜(ZnO和A1N等)和铁电性压电薄膜(PbTiO3等)。
与其它薄膜制备不同的是，制备压电薄膜必须选用可以产生压电效应的材料。考虑到压电薄膜的制备和运用，还必须选用易于制备压电薄膜并且使得制备的压电薄膜具有压电性能强、化学性能稳定、电阻率大、介电常数适中的材料。只有单晶薄膜和择优取向的多晶薄膜才具有压电性能，所以在制备压电薄膜的时候必须采用能制备这种薄膜的技术和工艺条件，并且保证制备的薄膜具有优异压电性能和介电性能。磁控溅射沉积技术是近年来广泛运用的技术，它易于制备择优取向的非铁电性压电薄膜。
通过对磁控溅射沉积ZnO多晶薄膜工艺条件的研究，获得了利用ZnO粉靶分别在优质光学玻璃表面和硅基片(100)切割表面溅射生长高度C轴取向ZnO多晶薄膜的最佳条件。通过X衍射分析、扫描电镜、原子力显微镜、台阶仪的测量和分析比较，表明制备的ZnO多晶薄膜具有高度C轴取向，并且表面形态完全满足叉指制作工艺的要求。又通过对ZnO多晶薄膜的特性分析研究和电学参数的测量表明制备的ZnO多晶薄膜的晶体结构和电学性质优良。
在低气压下研究了氮化铝多晶压电薄膜的制备。通过实验观察到氮化铝多晶薄膜的取向性在低气压条件下同气压关系非常密切，并得出了在硅片(100)面上制备C轴取向AlN压电多晶薄膜的最佳条件。我们又对C轴取向AlN压电多晶薄膜的电学性质和表面形态进行了分析，结果令人满意。我们也进行了利用磁控溅射技术制备弛豫铁电体薄膜PZT、PMN的工艺研究。弛豫铁电体具有很高的介电常数、大的电致伸缩系数和几乎无滞后的特点，使得这类材料成为目前研究的热点。PMN和PT等钙钛矿结构压电薄膜较难用磁控溅射沉积的方法制备。通过初步研究已经可以在MgO基片用磁控溅射沉积，并且经过后期退火的方法，获得具有较好A轴长相的PMN薄膜。
我们又进行了对厚膜制备工艺条件研究的工作。因为随着薄膜厚度的增加，薄膜的内应力会比较大，在薄膜的制备过程中会造成薄膜的开裂，脱落，或者把基片拉伸变形。这对厚度较大的薄膜制备带来了困难。通过对厚膜制备工艺条件的研究，解决了厚膜的制备中存在的困难，成功制备了一些厚度大于15μm到20μm的薄膜。对于硬度比较大的薄膜，例如PZT薄膜，厚度可以达到10μm以上。然后通过激光激发声表面波用光差分检测技术检测声表面波的方法对制备的厚膜材料的特性和参量进行定征。这种由激光激发声表面波引起的光偏转差分检测技术，具有非接触、无损等优点，同时由于采用了光差分技术，提高了检测光路的抗干扰能力，使其信噪比得到提高，拓宽了该检测技术的使用范围。与此同时，为了满足光声实验中需要一层高反射度薄膜的需要，在不破坏样品的低温条件下利用溅射技术成功制备了高反光度的Al薄膜，解决了磁控溅射制备的Al薄膜常常表面反光性差的问题，并运用于光声实验中。
利用掌握的薄膜制备技术，我们制作了一个由玻璃棱镜/金薄膜/ZnO薄膜组成的光学传感器，并对液体中的声信号进行了检测。这种方法通过光传感器来检测液体中的声波从而分析液体的特性。实验分析证明这种复合薄膜光学传感器工作在导波模式时对液体中的声信号极其敏感，从而利用了光导波来检测激光在液体中产生的声信号。我们还制作了IDT/ZnO/Si(100)结构的声波器件，并进行理论计算和实验来研究声波在ZnO/Si(100)系统中的传播特性。实验结果表明理论值和实验测量值符合的很好。从而表明制备的ZnO压电多晶薄膜已经完全可以用来制备声波器件。
5.期刊论文黄新友.牛宾.江晓霞.侍克虎.HUANG Xin-you.Niu Bin.JIANG Xiao-xia.SHI Ke-hu高介、低损耗
Ba（Ti，Zr）O3基电容器陶瓷的研究-江苏理工大学学报(自然科学版)2001,22(1)
采用正交设计实验法研究了配方对Ba（Ti，Zr）O3（BTZ）基电容器陶瓷介电性能的影响，得到了影响BTZ基陶瓷介电性能的主次因素，各因素水平影响其性能的趋势.对介电常数而言，主次影响因素的顺序为Nb2O5、BaZrO3/BaTiO3、ZnO、CeO2；对介质损耗而言，主次影响因素的顺序为Nb2O5、ZnO、CeO2、BaZrO3/BaTiO3.同时得到了介电常数最大的配方和介质损耗最小的配方.通过正交设计实验得到了综合性能最佳的BTZ基陶瓷，它具有高介（ε）≥13 200低损耗（tanδ）<60×10-4和高耐压（大于5 MV/m）.探讨了各组分对BTZ基陶瓷介电性能影响机理，为研制高介、低损耗、高耐压电容器陶瓷提供依据.
6.学位论文陈祝溶胶—凝胶改进工艺制备锆钛酸铅（PbZr<,x>Ti<,1-x>O<,3>）铁电薄膜的结构与性能研究2006 近几年，随着铁电薄膜和微电子技术相结合而发展起来的集成铁电学的出现，铁电薄膜的制备、结构、性能及其应用已成为国际上新材料研究十分活跃的领域，其中钙钛矿结构的锆钛酸铅(PbZrxTi1-xO3，PZT)铁电薄膜由于具有优越的铁电、介电、压电、热释电、电光、声光效应以及能够与半导体技术兼容等特点，使之成为目前应用最广、研究最深入的铁电薄膜材料之一，是制备NVFRAM(非挥发性随机存储器)的优选材料。铁电薄膜存储器具有非易失性、高速度、高容量、抗辐射与抗干扰性强、操作电压低和可与IC工艺兼容等特点。制备高质量的PZT铁电薄膜是制备高性能铁电存储器的前提与关键，而溶胶—凝胶(Sol-Gel)薄膜制备技术具有工艺与设备简单、成本低、组分可精确控制、薄膜均匀性好、成膜温度低、可大面积和规模化生产等特点。但其薄膜的致密性相对较差，在Sol-Gel工艺中从前驱体有机溶液到无机陶瓷薄膜这一转变过程的控制是获得致密、无针孔和无裂纹薄膜的关键，因此，制备清澈、透明和稳定的PZT前驱体溶胶液及薄膜热处理工艺的控制至关重要。本论文正是针对上述问题和铁电薄膜应用中所涉及的剩余极化的提高、
面：
(1)研究了两种Sol-Gel改进工艺，一是独立前驱单体溶胶—凝胶薄膜制备方法(专利申请号：200410022548.2)；二是反提拉涂膜法(专利申请号
：200410022550.X)。研制的独立前驱单体Pb2+、Zr4+和Ti4+有机溶液稳定(存放期长达2年以上)，可以按任意Pb/Zr/Ti比例随时、精确地配制PZT前驱体和调节各种掺杂金属离子的种类及掺杂量。反提拉涂膜技术则采用液体重力和气体压力控制方式替代了浸渍提拉涂膜所采用的复杂、昂贵的机械传动装置，此技术成本低，控制方便，一次性涂膜元件数量和形状不受限制，提高了原料的利用率，为大面积与批量化PZT铁电薄膜制备提供了简单可行的方法。
(2)分析了不同前驱体浓度、提拉速度和提拉角度与沉积薄膜质量和厚度的关系。膜厚实验分析表明，剩余极化强度Pr与膜厚d成线性关系。
(3)研究了PZT前驱体中不同过量Pb含量对薄膜微结构、取向、组成和电性能的影响。当Pb过量20mol﹪时，薄膜呈现(111)取向生长；当Pb过量
10mol﹪，易形成多晶随机取向钙钛矿结构，其(110)峰取向稍强；当Pb过量5mol﹪，易产生焦绿相结构和(100)取向生长。XPS分析发现当Pb过量
10mol﹪时，其薄膜组成的Pb/Zr/Ti/O原子摩尔比最接近设计的1:0.52:0.48:3。
(4)通过不同过渡层制备了PT/PZT/PT、PZT/TiO2和PZT/ZrO2多层膜，发现PTseeding-layer能促进钙钛矿结构转化、降低退火温度和提高薄膜铁电性能。在PT晶种层上生成的PZT薄膜呈多晶随机取向；而TiO2晶种层则促进薄膜(111)生长；ZrO2晶种层沉积薄膜呈现(100)生长，对其形成机理进行了探索性的分析。
(5)研究了不同金属离子掺杂对PZT薄膜结构与性能的影响，实验发现同时掺杂La3+和Ca2+离子比单独掺杂La3+离子时薄膜的剩余极化强度Pr大，且漏电流明显减小，并从离子掺杂机理上解释了高、低价离子混合掺杂可减小薄膜半导体化趋势的原理。不同La3+掺杂量实验发现，当La3+掺杂量为
3mol﹪时，薄膜的剩余极化强度Pr最大，漏电流最小。并通过不同热分解和退火工艺(退火速率、退火温度及退火气氛等)的研究来进一步改善薄膜的结构与性能。
(6)针对半导体/铁电体/金属异质结构长期存在的界面及疲劳等问题，首次探索性地采用退火温度低和易于形成高度c轴择优取向生长的ZnO导电氧化物电极来改善铁电薄膜的结构与电性能。为了获得高质量ZnO过渡层，还研究了ZnO陶瓷靶制备及RF溅射ZnO薄膜的最佳工艺。实验发现ZnO晶粒在
PZT/ZnO多层膜退火过程中可作为晶核，促进晶粒生长、降低退火温度和减少PbO挥发；采用ZnO-Al0.03电极避免了金属电极与PZT薄膜直接接触，从而可避免氧空位在反复极化翻转过程中，在Pt电极附近富集而形成对电畴的钉扎，同时避免了Pt电极在高温退火中尖峰凸起，故可提高PZT薄膜的铁电性能和抗疲劳性。
7.学位论文侯建梅静电纺丝法制备多元氧化物纤维2010
静电纺丝技术是人们目前竞相研究的热门课题，自2002年以来，关于静电纺丝方法制备无机氧化物纤维的报道及成果也日益增多，然而关于静电纺丝法制备多元氧化物纤维的研究却相对较少。本文通过溶胶-凝胶方法和静电纺丝法制备了PZT铁电纤维、TiO2/ZnO半导体复合纤维和YIG磁光纤维，探讨静电纺丝方法在多元氧化物纤维制备中的应用。
首先，本文系统研究了制备复合氧化物半导体微纳米纤维时，静电纺丝技术中各种影响因素如有机物浓度、流体流动速度、电压和极点与极板间距离等因素对纤维直径和形貌的影响。研究发现，电压、流动速率的增大，都会导致直径变粗，极点和极板间的距离的增大则导致直径变细；同时，PVP的浓度的变化也会对纤维形貌产生影响。
本文以高聚物(PVP)和无机盐为原料，利用溶胶凝胶结合静电纺丝法制备了高聚物/无机盐复合纤维，将此纤维进行热处理获得了PZT纤维、TiO2-ZnO复合纤维和YIG纤维。采用差热分析，扫描电镜，X射线衍射，电滞回线等分析手段对纤维进行了表征。
探讨了热处理温度的变化以及制备过程中Zr/Ti比例的变化对纤维性能的影响。实验结果表明，与热处理前相比较，热处理后纤维直径变小，长度变短，表面出现空洞而粗糙；随热处理温度的升高，纤维直径变小，纤维变短；700℃时，结晶完成，形成典型的钙钛矿结构；对PZT(52/48)纤维而言，热处理温度为600℃时，纤维铁电性能最好；对不同成分(Zr/Ti比例)的PZT纤维而言，准同型晶界附近的PZT(52/48)纤维的铁电性能最好。
探讨了Ti/Zn比例的变化对纤维性能的影响。实验结果表明，与热处理前相比较，热处理后，纤维直径变小，长度变短，表面出现空洞而粗糙；对
TiO2纤维而言，主要是锐钛矿，并存在少量金红石相，ZnO为典型的六方纤锌矿结构，当TiO2：ZnO为1：1或3：1时，形成部分Zn2TiO3。
探讨了热处理温度的变化对纤维性能的影响。与热处理前相比较，热处理后纤维直径变小，长度变短，表面出现空洞而粗糙；随热处理温度的升高，纤维直径变小，纤维变短：800℃，结晶完成，形成典型的石榴石结构，并存在少量的YIP和Fe2O3。
实验结果表明，静电纺丝法为多元氧化物纤维的制备提供了一条崭新的途径。
8.会议论文任天令.张林涛.刘理天.李志坚铁电—硅集成微麦克风、扬声器设计2000
本文在现有PZT铁电薄膜的制备工艺基础上,提出了集成在同一芯片上的基于PZT铁电薄膜的压电型微麦克风、扬声器的结构,并对其灵敏度和声输出进行了理论计算.比较了基于PZT和ZnO两种材料的微麦克风和扬声器的性能差异.
9.学位论文张景基界面对PZT铁电薄膜性能的影响2006
ABO3系钙钛矿结构铁电薄膜是一类强介电材料，其介电常数可高达102～106，由于具有优良的铁电、压电、热释电、电光、声光及非线性光学特性，具有其它材料不可比拟的优越性能，使得它在红外探测器、非挥发存储器、电光器件、机电耦合器件等众多方面具有广泛的应用前景。自20世纪90年代以来，一直是新型功能材料领域的研究前沿和热门，其中PZT由于剩余极化大而尤其受到人们的青睐。
对于薄膜，在较低的温度甚至室温下就可能发生显著的反应或互扩散。然而，在铁电薄膜/衬底间的互扩散和界面的结晶膜不好导致铁电体性能下降的问题一直未能得到很好的解决。PZT薄膜器件的基本结构是铁电薄膜夹在作为上下电极的导电膜中构成的“三明治”结构，在铁电薄膜/上下电极间会形成一层界面，会影响铁电薄膜的性能。
本文的目的是利用射频磁控溅射工艺在硅基(三种Si衬底：p型低阻Si(111)[简称p-Si]，n型低阻Si(111)[简称n-Si]，多孔Si(111)[简称PS-Si])上制备PZT铁电薄膜，分析界面对PZT铁电薄膜性能的影响。主要的工作内容包括以下几个方面：
(1)LNO底电极的制备以p-Si为衬底，在不同的衬底温度下沉积LNO底电极薄膜，经不同的退火温度处理工艺。经XRD分析，在室温下沉积LNO薄膜，经500℃、550℃温度退火30mins，均出现Ni3Si(111)峰，同时获得LNO薄膜的钙钛矿相的(100)、(110)、(111)和(200)多结晶取向：随衬底温度的升高
，Ni3Si(111)峰减弱了，LNO钙钛矿相(200)峰增强了，表现为择优取向(100)。
(2)PZT铁电薄膜的制备在LNO/p-Si衬底上溅射沉积PZT铁电薄膜，结果表明，在衬底温度260℃下沉积的PZT薄膜出现微弱的钙钛矿相结构的(111)衍射峰；但经650℃后退火15mins处理，除原有的PZT钙钛矿相(111)峰之外，还出现了(110)和(200)峰，最强的是(110)峰；PZT薄膜经后退火处理，表面起伏有所增大，铁电性能有了较大的提高，漏电流降低了3个数量级。
(3)PZT/Si界面对PZT铁电薄膜性能的影响在p-Si和PS-Si基上分别直接制备PZT铁电薄膜，分析表明，在p-Si上生长的PZT铁电薄膜是(111)择优取向生长的，有对称的电滞回线，而在PS-Si上生长的PZT铁电薄膜是(110)择优取向生长的，其电滞回线存在严重的不对称性。
(4)LN0底电极/Si基底界面对PZT铁电薄膜性能的影响在n-Si，p-Si和PS-Si上先后制备LNO底电极和PZT铁电薄膜，分析表明，都出现PZT钙钛矿相的多结晶取向，但是LNO/PS-Si上生长的PZT薄膜有较强的衍射峰；在LNO/p-Si衬底比在LNO/n-Si衬底上生长的PZT铁电薄膜铁电性能更好，但是在LNO/PS-Si上生长的PZT铁电薄膜的铁电性能又有较大的提高。
(5)PZT/底电极界面对PZT铁电薄膜性能的影响在ZnO/A12O3和Pt(111)/Ti/SiO2/Si上分别先后制备LNO底电极和PZT铁电薄膜，分析表明
，PZT/LNO/ZnO样品呈现PZT(110)、(111)和(200)多结晶取向，而PZT/LNO/Pt样品呈现单一的PZT(110)取向。
(6)项电极/PZT界面对PZT铁电薄膜性能的影响在PZT/LNO/Si上分别制备Ag、Cu和LNO顶电极，分析表明，在钙钛矿相多结晶取向(100)、(111)和(200)的LNO薄膜上制备的PZT铁电薄膜呈现钙钛矿相(100)择优取向；在PZT/LNO/Si样品上制备不同的顶电极，虽然PZT薄膜的结构相同，但性能出现差异，用LNO作顶电极的样品比用金属(Ag和Cu)作顶电极的样品具有更大的饱和极化、剩余极化和较小的矫顽场，在1V测试电压下，LNO/PZT/LNO/Si样品的剩余极化达Pr=12μC/cm2，而用金属Ag、Cu作顶电极的样品的剩余极化只有2～4μC/cm2。
10.学位论文孙志辉多铁性材料及ZnO异质结的制备和特性研究2007
多铁性材料是指的同一材料内部同时具有(反)铁电、(反)铁磁和铁弹有序中两种或两种以上有序的材料，通过不同有序度之间的交互耦合作用可以使材料具有新奇的物理特性，如磁电、磁介电特性等。多铁性材料优异的性能，以及蕴含的丰富的物理本质，使得其成为目前功能材料研究领域的一大热点。然而，目前已知的多铁性材料较少，制备同时具有铁电性和铁磁性并且在室温具有大的磁电耦合效应的材料是多铁性材料研究领域的研究目标
，已有的研究报道表明，通过掺杂和制备成薄膜等手段可以提高材料的磁电耦合特性。本论文选取了目前研究较多的Bi系化合物材料以及GaFeO3材料为
研究对象，研究掺杂和制备成薄膜等手段对材料性能的影响。而ZnO被誉为第三代半导体材料，其高的激子自由能(～60 meV)和宽的禁带宽度(～3.37 eV)，引起了各国科研工作者的研究兴趣，在本论文中，基于ZnO开展了LSMO/ZnO异质结光电性能的研究。主要研究成果如下：
1、用固相反应法制备了铈掺杂的BiMn2O5体材料，研究了Ce掺杂对材料BiMn2O5的晶体结构、介电性能、磁性能等的影响。研究结果表明，Ce掺杂使BiMn2O5由原来的反铁磁性转变为铁磁性；介电常数显著提高，并在磁性能消失的温度附近出现了新的介电弛豫现象，预示了材料内部自旋-晶格相互作用的存在；介电性能和磁性能的转变的根本原因在于Ce4+取代Bi3+后，使得Mn3+:Mn4+的比例发生变化，本文通过XPS对Ce掺杂的离子价态和Mn3+:Mn4+的比值的改变进行了证实。在已有RMn2O5系列材料的有关报道中，未曾有采用掺杂方法改变材料的磁性能和介电性能的报道。
2、用固相反应法制备了多铁性的GaFeO3材料，研究了其晶体结构、介电性能和磁性能，研究结果表明：GaFeO3具有正交结构，是一种亚铁磁性材料
，磁转变温度为225K；介电常数.温度曲线在磁转变温度处出现突变，这反映了材料本身的磁介电耦合特性，并且通过T
3、用脉冲激光沉积方法在STON(111)、MgO(001)、Al2O3(0001)和石英基片上制备了GaFeO3薄膜，对薄膜的生长机制、磁、介电和铁电性能进行了分析和研究。GaFeO3的铁电性能首次在薄膜中得到证实，而且薄膜的磁转变温度确定为257K，接近于室温。因此，GaFeO3薄膜是一种有望在室温具有磁电耦合性能的材料。
4、用脉冲激光沉积方法在Al2O3(0001)衬底上首次制备了ZnO/LSMO异质结，研究了其在紫外(308nm)、可见(532nm)和红外(1064nm)的光生伏特性能，结果显示ZnO/LSMO异质结在紫外到红外宽波段范围内具有光电响应。
引证文献(1条)
1.李宝珠宽禁带半导体材料技术[期刊论文]-电子工业专用设备 2010(8)
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7.4 热电、压电和铁电材料 根据固体材料对外电场作用的响应方式不同，我们可以把它们分成两类。一类是导电材料，即超导体、导体、半导体和绝缘体，它们是以传导方式传递外界电场的作用和影响（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）。另一类固体材料则是以感应方式来传递外界电场的作用和影响，这类材料叫做介电材料或电介质材料。 电介质材料置于外电场作用下，电介质内部就会出现电极化，原来不带电的电介质，其内部和表面将受感应而产生一定的电荷。电极化可以用极化强度P 表示（单位体积内感应的偶极矩），这种电极化可以分为电子极化、离子极化和取向极化。有一类电介质即使无外电场的作用其内部也会出现极化，这种极化称为自发极化，它可用矢量来描述。由于这种自发极化的出现，在晶体中形成了一个特殊的方向，具有这种特殊结构的电介质，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移，形成电偶极矩，使整个晶体在该方向上呈现了极性，一端为正，一端为负，这个特殊方向称为特殊极性方向，在晶体学中通常称为极轴。而具有特殊极性方向的电介质称为极性电介质。 晶体的许多性质，诸如介电、压电、热电和铁电性，以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质等，都是与其电极化性质相关的。晶体在外电场作用下，引起电介质产生电极化的现象，称为晶体的介电性。 7.4.1热电材料 1. 热电效应 (1) 塞贝克(Seebeck)效应 当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。如果两种不同金属形成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该两接头的接触电位不同，电路中会存在一个电动势，因而有电流通过。电流与热流之间有交互作用存在，其温度梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为塞贝克效应，其所形成的电动势，称为塞贝克电动势。塞贝克电动势的大小既与材料有关，也是温度差的函数。在温度差?T较小时，塞贝克电动势E AB与温度差呈线性关系，即E AB=S AB?T，式中S AB为材料A和B的相对塞贝克系数。通常规定，在热端的电
1、我们常用的PCB介质是FR4材料的，相对空气的介电常数是4.2-4.7。这个介电常数是会随温度变化的，在0-7 0度的温度范围内，其最大变化范围可以达到20%。介电常数的变化会导致线路延时10%的变化，温度越高，延时越大。介电常数还会随信号频率变化，频率越高介电常数越小。100M以下可以用4.5计算板间电容以及延时。 2、一般的FR4材料的PCB板中内层信号的传输速度为180ps/inch(1inch=1000mil=2.54cm)。表层一般要视情况而定，一般介于140与170之间。 3、实际的电容可以简单等效为L、R、C串联，电容有一个谐振点，在高频时(超过这个谐振点)会呈现感性，电容的容值和工艺不同则这个谐振点不同，而且不同厂家生产的也会有很大差异。这个谐振点主要取决于等效串联电感。现在的比如一个100nF的贴片电容等效串联电感大概在0.5nH左右，ESR(等效串联电阻)值为0.1欧，那么在24M 左右时滤波效果最好，对交流阻抗为0.1欧。而一个1nF的贴片电容等效电感也为0.5nH(不同容值差异不太大)，E SR为0.01欧，会在200M左右有最好的滤波效果。为达好较好的滤波效果，我们使用不同容值的电容搭配组合。但是，由于等效串联电感与电容的作用，会在24M与200M之间有一个谐振点，在这个谐振点上有最大阻抗，比单个电容的阻抗还要大。这是我们不希望得到的结果。（在24M到200M这一段，小电容呈容性，大电容已经呈感性。两个电容并联已经相当于LC并联。两个电容的ESR值之和为这个LC回路的串阻。LC并联的话如果串阻为0，那么在谐振点上会有一个无穷大的阻抗，在这个点上有最差的滤波效果。这个串阻反倒会抑制这种并联谐振现象，从而降低LC谐振器在谐振点的阻抗）。为减轻这个影响，可以酌情使用ESR大些的电容。ESR相当于谐振网络里的串阻，可以降低Q值，从而使频率特性平坦一些。增大ESR会使整体阻抗趋于一致。低于24M的频段和高于200M的频段上，阻抗会增加，而在24M与200M频段内，阻抗会降低。所以也要综合考虑板子开关噪声的频带。国外的一些设计有的板子在大小电容并联的时候在小电容(680pF)上串几欧的电阻，很可能是出于这种考虑。(从上面的参数看，1nF的电容Q值是100nF电容Q值的10倍。由于手头没有来自厂商的具体等效串感和ESR的值，所以上面例子的参数是根据以往看到的资料推测的。但是偏差应该不会太大。以往多处看到的资料都是1nF和100nF的瓷片电容的谐振频率分别为100M和10M，考虑贴片电容的L要小得多，而又没有找到可靠的值，为讲着方便就按0.5nH计算。如果大家有具体可靠的值的话，还希望能发上来^_^) 介电常数（Dk, ε，Er）决定了电信号在该介质中传播的速度。电信号传播的速度与介电常数平方根成反比。介电常数越低，信号传送速度越快。我们作个形象的比喻，就好想你在海滩上跑步，水深淹没了你的脚踝，水的粘度就是介电常数，水越粘，代表介电常数越高，你跑的也越慢。 介电常数并不是非常容易测量或定义，它不仅与介质的本身特性有关，还与测试方法，测试频率，测试前以及测试中的材料状态有关。介电常数也会随温度的变化而变化,有些特别的材料在开发中就考虑到温度的因素.湿度也是影响介电常数的一个重要因素,因为水的介电常数是70,很少的水分,会引起显著的变化. 以下是一些典型材料的介电常数(在1Mhz下)：
材料科学实验讲义 (一级实验指导书) 东华大学材料科学与工程中心实验室汇编 2009年7月
一、实验目的 按照导电性能区分，不同种类的材料都可以分为导体、半导体和绝缘体三大类。区分标准一般以106Ω?cm和1012Ω?cm为基准，电阻率低于106Ω?cm称为导体，高于1012Ω?cm称为绝缘体，介于两者之间的称为半导体。然而，在实际中材料导电性的区分又往往随应用领域的不同而不同，材料导电性能的界定是十分模糊的。就高分子材料而言，通常是以电阻率1012Ω?cm为界限，在此界限以上的通常称为绝缘体的高分子材料，电阻率小于106Ω?cm称为导电高分子材料，电阻率为106 ～1012Ω?cm常称为抗静电高分子。通常高分子材料都是优良的绝缘材料。 通过本实验应达到以下目的： 1、了解高分子材料的导电原理，掌握实验操作技能。 2、测定高分子材料的电阻并计算电阻率。 3、分析工艺条件与测试条件对电阻的影响。 二、实验原理 1、电阻与电阻率 材料的电阻可分为体积电阻(R v)与表面电阻(R s)，相应的存在体积电阻率与表面电阻率。 体积电阻：在试样的相对两表面上放置的两电极间所加直流电压与流过两个电极之间的稳态电流之商；该电流不包括沿材料表面的电流。在两电极间可能形成的极化忽略不计。 体积电阻率：在绝缘材料里面的直流电场强度与稳态电流密度之商，即单位体积内的体积电阻。 表面电阻：在试样的某一表面上两电极间所加电压与经过一定时间后流过两电极间的电流之商；该电流主要为流过试样表层的电流，也包括一部分流过试样体积的电流成分。在两电极间可能形成的极化忽略不计。 表面电阻率：在绝缘材料的表面层的直流电场强度与线电流密度之商，即单位面积内的表面电阻。 体积电阻和表面电阻的试验都受下列因素影响：施加电压的大小和时间；电极的性质和尺寸；在试样处理和测试过程中周围大气条件和试样的温度、湿度。高阻测量一般可以利用欧姆定律来实现，即R=V/I。如果一直稳定通过电阻的电流，那么测出电阻两端的电压，就可以算出R的值。同样，给被测电阻施加一个已知电压，测出流过电阻的电流，也可以算出R的值。问题是R值很大时，用恒流测压法，被测电压V=RI将很大。若I=1μA，R=1012Ω，要测的电压V=106V。用加压测流法，V是已知的，要测的电流I=V/R将很小。因为处理弱电流难度相对小些，我们采用加压测流法，主要误差来源是微弱电流的测量。 2、导电高分子材料的分类
无机材料的介电常数及磁导率的测定 一、实验目的 1. 掌握无机材料介电常数及磁导率的测试原理及测试方法。 2. 学会使用Agilent4991A 射频阻抗分析仪的各种功能及操作方法。 3. 分析影响介电常数和磁导率的的因素。 二、实验原理 1.介电性能 介电材料（又称电介质）是一类具有电极化能力的功能材料，它是以正负电荷重心不重合的电极化方式来传递和储存电的作用。极化指在外加电场作用下，构成电介质材料的内部微观粒子，如原子，离子和分子这些微观粒子的正负电荷中心发生分离，并沿着外部电场的方向在一定的范围内做短距离移动，从而形成偶极子的过程。极化现象和频率密切相关，在特定的的频率范围主要有四种极化机制：电子极化 (electronic polarization ，1015Hz)，离子极化 (ionic polarization ，1012～1013Hz)，转向极化 (orientation polarization ，1011～1012Hz)和空间电荷极化 (space charge polarization ，103Hz)。这些极化的基本形式又分为位移极化和松弛极化，位移极化是弹性的，不需要消耗时间，也无能量消耗，如电子位移极化和离子位移极化。而松弛极化与质点的热运动密切相关，极化的建立需要消耗一定的时间，也通常伴随有能量的消耗，如电子松弛极化和离子松弛极化。 相对介电常数（ε），简称为介电常数，是表征电介质材料介电性能的最重要的基本参数，它反映了电介质材料在电场作用下的极化程度。ε的数值等于以该材料为介质所作的电容器的电容量与以真空为介质所作的同样形状的电容器的电容量之比值。表达式如下： A Cd C C ?==001εε （1） 式中C 为含有电介质材料的电容器的电容量；C 0为相同情况下真空电容器的电容量；A 为电极极板面积；d 为电极间距离；ε0为真空介电常数，等于8.85×10-12 F/m 。 另外一个表征材料的介电性能的重要参数是介电损耗，一般用损耗角的正切（tanδ）表示。它是指材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应
弛豫性铁电压电单晶体 压电网万学华整理waxeh@https://www.doczj.com/doc/af3550127.html, 近年来，在新型压电晶体的研究中，弛豫性铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅[（1-x） Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-x PbTiO3,简记为（PMNT）]和铌锌酸铅钛酸铅[（1-x）PB(Zn1/3Nb2/3)O3-x PbTiO3,简记为PZNT]以其优良的压电性能而令世人注目，1997年Park和Shrout报道，利用熔盐法成功制备了高质量的PZNT单晶，并报道了各种切型的PZNT单晶晶片介电，压电和铁电性能。如组分为0.92PZN-0.08PT的晶体，沿（001）方向的压电常数d33高达2500pC/N,为PZT材料的3～6倍；压电耦合系数K33为0.94，是现有压电材料中最高的。世界著名杂志Science评论说，这类材料将是新一代高效能超声换能器和高性能微位移器和微驱动器的理想材料，可以预期，在21世纪初叶，对弛豫性铁电单晶的理论和应用研究将会取得更大的进展。 1．弛豫铁电体 含铅弛豫钙钛矿型铁电体是ABO3型钙钛矿型化合物的一个重要分支，其化学通式为 Pb(B1,B2)O3，其中B1为低电价，大半径阳离子，如Zn2+,Ni2+,Mg2+,Fe3+,Sc3+等，B2为高电价，小半径阳离子，如Ta5+,Nb5+,W6+等，通过B位不同离子的复合，可得到一系列具有重要应用的复合钙钛矿型结构固溶体。前苏联学者Smolensky等人于20世纪50年代末首次合成的复合钙钛矿结构铌镁酸铅[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PZN),Pb(Sc1/2Nb1/2)O3(PSN),Pb(Ni1/3Nb2/3)O3(PMN)等系列的固溶体，均具有与PMN类似的介电特性，后来，人们将PMN类材料称为弛豫铁电体（relaxor ferroelectrics,简称RFE），而将BaTiO3等铁电体称为普通铁电体或正常铁电体。迄今为止，研究最多和应用较广的弛豫铁电体主要是各类铅系复合钙钛矿结构的Pb(B1B2)O3系列材料，最具有代表性的有 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN),铌锌酸铅Pb(Zn1/3Nb2/3)O3(PZN)和钽钪酸铅Pb(Sc1/2Ta1/2)O3(PST)等。 与普通铁电体相比，弛豫铁电体有两个最基本的介电特性：1.弥散相变（diffuse phase transition, 简称DPT）：即从铁电到顺电的相变是一个渐变过程，没有一个确定的居里温度T c，通常将其介电常数最大值所对应的温度T m作为一个特征温度，在转变温度T m以上仍然存在较大的自发极化强度；2.频率色散：即在T m温度以下，随着频率增加，介电常数下降，损耗增加，介电峰和损耗峰向高温方向移动。 普通铁电体与弛豫铁电体介电特性的主要区别在介电温度特性，介电频率特性，自发极化强度三个方面，见表1。 由于弛豫性铁电体具有很高的介电常数，相对低的烧结温度和由“弥散相变”得出的较抵容温变化率，大的电致伸缩系数和几乎无滞后的特点，使其在多层陶瓷电容器急新型电致伸缩器
Sir-20说明书普通材料的介电值和术语集 1
常见物质的相对介电常数值和电磁波传播速度(RIS-K2说明书)
------------------《探地雷达方法与应用》（李大心）
2007第二期勘察科学与技术
电磁波在部分常见介质中的传播参数 （The propagation parameters of the electromagnetic wave in the medium） 地球表面大部分无水的物质(如干燥的土壤和岩石等)的介电常数，实部一般介于1.7-6之间，水的介电常数一般为81，虚部很小，一般可以忽略不计。岩石和土壤的介电常数与其含水量几乎呈线形关系增长，且与水的介电常数特性相同。所以天然材料的电学特性的变化，一般都是由于含水量的变化所致。对于岩石和土壤含水量和介电常数的关系国内外进行了详细研究(P.Hoekstra, 1974; J.E.Hipp,1 974;J .L.Davis,1 976;G A.Poe,1 971;J .R.Wang,1 977;E .G.巧okue tal ,1 977)。在实验室内大量测量了不同粒度的土壤一水混合物介电常数，考虑到束缚水和游离水，提出了经验土壤介电常数混合模型(J.R.Wang, 1985)。实验室内用开路探头技术和自由空间天线技术测量干燥岩石的介电常数(F.TUlaby, 1990)。国内肖金凯等人(1984, 1988)测量了大量的岩石和土壤的介电常数，王湘云、郭华东(1999)研究了三大岩类中所含的矿物对其介电常数的影响。研究表明，土壤中
含水量的变化影响介电常数的实部，水溶液中含盐量的变化影响土壤的导电性，即介电常数的虚部。水与某些铁锰化合物具有高的介电常数，绝大多数矿物的介电常数较低，约为4--12个相对单位，由于主要造岩矿物与水的相对介电常数存在较大差异，所以，具有较大孔隙度岩石的介电常数主要取决于它的含水量，泥岩由于含有大量的弱束缚水，所以其相对介电常数可高达50--60,岩石含泥质较多时，它们的介电常数与泥质含量有明显的关系，很多火成岩的孔隙度只有千分之几，其相对介电常数主要取决于造岩矿物，一般变化范围为6--12，水的介电常数与其矿化度的关系较弱，与此相应，岩石孔隙中所含水的矿化度同样对其介电常数不应有大的影响，水的矿化度的增大只导致岩石介电常数的少许增加。 表1 常见介质的电性参数值 媒质电导率 / （S/m） 介电常 数（相对 值） 电磁波速度/ （m/ns） 空气0 1 0.3 水10-4～3х10-281 0.033 花岗岩（干）10-8 5 0.15 灰岩（干）10-97 0.11 灰岩（湿） 2.5х10-28～10 0.11～0.095 粘土（湿）10-1～1 8～12 0.11～0.087 混凝土10-9～10-86～15 0.12～0.077 钢筋∞∞
1、实验目的 装订线 1. 通过实验了解热电材料的Seebeck系数和电阻率的测定方法； 2. 测量在特定温度范围内热电材料电学电学性能随温度的变化 关系； 3. 结合实验结果分析并热电材料电功率因子与温度的关系。2、实验原理 1. 塞贝克系数 塞贝克效应是材料的一个物理性能，是一种由电流引起的可逆热效应或者说是温度差引起的电效应，其示意图如下: 对于两种不同的导体串联组成的回路，在导体b的开路位置y和z之间，将会有一个电位差，称为热电动势，数值是：，当T不是很大时，为常数，定义为两种导体的相对Seebeck系 数，即 （1） Seebeck系数常用的单是uV/K, Seebeck系数的测量原理如下图所示，1、3和2、4分别是NiCr和NiSi热电偶臂。测量时两段温差保持10℃，S两端存在 温差时会产生热电势差Vs，相对于热电偶的其中一个电偶臂 1、3的Seebeck系数为
2. 电阻率 从原理上讲，对电阻为R，长度为L，截面积为A的样品，电导率=R(A/L)。然而，由于半导体热电材料通常电阻率较小，接触电阻相对较大，容易引入实验误差。实验中电阻率的测定采用下图所示的两探针原理以避免接触电阻的影响。电阻率测量在试样两端等温进行，当△T足够小时，才对样本施加测试电流，这是电阻 R=V R/I const， V R为样品两端电压探针的电压降，I const为恒流源电流，取一特定值。为消除附加的Seebeck电压影响，试验通过改变电流方向进行两次电压测量，取其平均值。得R值后，有公式=R(A/L)算出其电阻率。
3、实验设备与装备 测量装置温度由AI-708P智能控制器控制。样品两端电压利用Agilent970A数据采集仪输入微机。 所用电源为恒流源。测量时抽真空以防样品氧化。 4、实验方法与步骤 1. 实验样品的制备方法： 原料称量→悬浮熔炼→（快速凝固→）机械研磨→热压成型（获 得样品） 2. 实验样品的安装 双眼中先将被测样品两端抛光，并真空镀银或覆盖银浆，形成欧姆接触，以保证样品与纯铜夹具间的良好接触。 3. 热电性能的测定 夹好样品后抽真空，然后根据两个AI-708P控制仪中事先设定的升温程序程序升温至不同的温度，在每一个选定的温度，待温度稳定后才开始测量。 4. 数据处理得到的Seebeck系数和电阻率 5、实验结果处理 本次实验采用5#组数据。 1．以Seebeck系数对温度作图： 首先以直线拟合，获得结果为y=-52.1-0.176x 但是由图上各点位置看出，并非理想结果。误差较大。 再以二次曲线拟合，如图： 可见曲线精确度高了不少，此时方程为 y=-188.87+0.54x-0.000935x2 个人认为还是二次曲线比较理想一些。 电阻率对温度作图
Sir-20说明书普通材料的介电值和术语集材料介电值速度毫米/纳秒空气 1 300 水淡81 33 水咸81 33 极地雪 1.4 - 3 194 - 252 极地冰 3 - 3.15 168 温带冰 3.2 167 纯冰 3.2 167 淡水湖冰 4 150 海冰 2.5 - 8 78 - 157 永冻土 1 - 8 106 - 300 沿岸砂干燥10 95 砂干燥 3 - 6 120 - 170 砂湿的25 - 30 55 - 60 粉沙湿的10 95 粘土湿8 - 15 86 - 110 粘土土壤干 3 173 沼泽12 86 农业耕地15 77 畜牧土地13 83 土壤平均16 75 花岗岩 5 - 8 106 - 120 石灰岩7 - 9 100 - 113 白云岩 6.8 - 8 106 - 115 玄武岩湿8 106 泥岩湿7 113 砂岩湿 6 112 煤 4 - 5 134 - 150 石英 4.3 145 混凝土 6 - 8 55 - 112 沥青 3 - 5 134 - 173 聚氯乙烯pvc 3 173
常见物质的相对介电常数值和电磁波传播速度(RIS-K2说明书)
------------------《探地雷达方法与应用》（李大心）
2007第二期勘察科学与技术
电磁波在部分常见介质中的传播参数 （The propagation parameters of the electromagnetic wave in the medium） 地球表面大部分无水的物质(如干燥的土壤和岩石等)的介电常数，实部一般介于1.7-6之间，水的介电常数一般为81，虚部很小，一般可以忽略不计。岩石和土壤的介电常数与其含水量几乎呈线形关系增长，且与水的介电常数特性相同。所以天然材料的电学特性的变化，一般都是由于含水量的变化所致。对于岩石和土壤含水量和介电常数的关系国内外进行了详细研究(P.Hoekstra, 1974; J.E.Hipp,1 974;J .L.Davis,1 976;G A.Poe,1 971;J .R.Wang,1 977;E .G.巧okue tal ,1 977)。在实验室内大量测量了不同粒度的土壤一水混合物介电常数，考虑到束缚水和游离水，提出了经验土壤介电常数混合模型(J.R.Wang, 1985)。实验室内用开路探头技术和自由空间天线技术测量干燥岩石的介电常数(F.TUlaby, 1990)。国内肖金凯等人(1984, 1988)测量了大量的岩石和土壤的介电常数，王湘云、郭华东(1999)研究了三大岩类中所含的矿物对其介电常数的影响。研究表明，土壤中
高分子材料的电学性能 高分子092班学号：5701109061 姓名：林尤琳 摘要：种类繁多的高分子材料的电学性能是丰富多彩的。多数聚合物材料具有卓越 的电绝缘性能，其电阻率高、介电损耗小，电击穿强度高，加之又具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性及易成型加工性能，使它比其他绝缘材料具有更大实用价值，已成为电气工业不可或缺的材料。 关键词：高分子材料电学性能静电导电介电常数 高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静电性质等。电学性能是材料最基本的属性之一，这是因为构成材料的原子和分子都是由电子的相互作用形成的，电子相互作用是材料各种性能的根源。电子的微观相互作用同时是产生材料宏观性能，包括电学性能的微观基础。在电场作用下产生的电流、极化现象、静电现象、光发射和光吸收现象都与其材料内部的电子运动相关。深入、系统了解材料的电学性能在材料的制备、应用等方面都具有非常重要的意义。（1） 一、聚合物的介电性 介电性是指高聚物在电场作用下，表现出对静电能的储存和损耗的性质。通常用介电常数和介电损耗来表示。(2) 根据高聚物中各种基团的有效偶极距μ，可以把高聚物按极性的大小分成四类： 非极性（μ＝0）：聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚四氟乙烯等 弱极性（μ≤0.5）：聚苯乙烯、天然橡胶等 极性（μ＞0.5）：聚氯乙烯、尼龙、有机玻璃等 强极性（μ＞0.7）：聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯腈、酚醛树脂、氨基塑料等 聚合物在电场下会发生以下几种极化：（1）电子极化，（2）原子极化，（3）偶极极化。聚合物的极化程度用介电常数ε表示 式中：V为直流电压；Qo、Q分别为真空电容器和介质电容器的两极板上产生的电荷；Q’为由于介质极化而在极板上感应的电荷。 非极性分子只有电子和原子极化，ε较小；极性分子除有上述两种极化外，还有偶极极化，ε较大。此外还有以下因素影响ε： （1）极性基团在分子链上的位置。在主链上的极性基团活动性小，影响小；在柔性侧基上的极性基团活动性大，影响大。 （2）分子结构的对称性。分子结构对称的，极性会相互抵消或部分抵消。 （3）分子间作用力。增加分子间作用力（交联、取向、结晶）会使ε较大；减少分子间作用力（如支化）会使ε较小。 （4）物理状态。高弹态比玻璃态的极性基团更易取向，所以ε较大。 聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量损耗，使介质本身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。通常用介电损耗角正切tanδ来表示介电损耗。一般高聚物的介电损耗时非常小的，tanδ＝10－3～10－4。 介电损耗主要是取向极化引起的，通常ε越大的因素也越会导致较大的介电损耗。非极性聚合物理论上讲没有取向极化，应当没有介电损耗，但实际上总是有杂质（水、增塑剂等）
介质损耗和介电常数测量实验 介电特性是电介质材料极其重要的性质。在实际应用中，电介质材料的介电系数和介质损耗是非常重要的参数。例如，制造电容器的材料要求介电系数尽量大，而介质损耗尽量小。相反地，制造仪表绝缘器件的材料则要求介电系数和介质损耗都尽量小。而在某些特殊情况下，则要求材料的介质损耗较大。所以，通过测定介电常数(ε)及介质损耗角正切(tg δ)，可进一步了解影响介质损耗和介电常数的各种因素，为提高材料的性能提供依据。 一、实验目的 1、探讨介质极化与介电常数、介质损耗的关系； 2、了解高频Q 表的工作原理； 3、掌握室温下用高频Q 表测定材料的介电常数和介质损耗角正切值。 二、实验原理 按照物质电结构的观点，任何物质都是由不同的电荷构成，而在电介质中存在原子、分子和离子等。当固体电介质置于电场中后会显示出一定的极性，这个过程称为极化。对不同的材料、温度和频率，各种极化过程的影响不同。 1、介电常数(ε)：某一电介质(如硅酸盐、高分子材料)组成的电容器在一定电压作用下所得到的电容量C x 与同样大小的介质为真空的电容器的电容量C o 之比值，被称为该电介质材料的相对介电常数。 o x C C = ε 式中：C x —电容器两极板充满介质时的电容；
C ο —电容器两极板为真空时的电容； ε —电容量增加的倍数，即相对介电常数 介电常数的大小表示该介质中空间电荷互相作用减弱的程度。作为高频绝缘材料，ε要小，特别是用于高压绝缘时。在制造高电容器时，则要求ε要大，特别是小型电容器。 在绝缘技术中，特别是选择绝缘材料或介质贮能材料时，都需要考虑电介质的介电常数。此外，由于介电常数取决于极化，而极化又取决于电介质的分子结构和分子运动的形式。所以，通过介电常数随电场强度、频率和温度变化规律的研究，还可以推断绝缘材料的分子结构。 2．介电损耗(tg δ)：指电介质材料在外电场作用下发热而损耗的那部分能量。在直流电场作用下，介质没有周期性损耗，基本上是稳态电流造成的损耗；在交流电场作用下，介质损耗除了稳态电流损耗外，还有各种交流损耗。由于电场的频繁转向，电介质中的损耗要比直流电场作用时大许多(有时达到几千倍)，因此介质损耗通常是指交流损耗。 在工程中，常将介电损耗用介质损耗角正切tg δ来表示。tg δ是绝缘体的无效消耗的能量对有效输入的比例，它表示材料在一周期内热功率损耗与贮存之比，是衡量材料损耗程度的物理量。 RC tg ωδ1 = tg 式中：ω —电源角频率； R —并联等效交流电阻； C —并联等效交流电容器 凡是体积电阻率小的，其介电损耗就大。介质损耗对于用在高压装置、高频设备，特别是用在高压、高频等地方的材料和器件具有特别重要的意义，介质损耗过大，不仅降低整机的性能，甚至会造成绝缘材料的热击穿。
第二章 材料电学性能
在很多场合，材料的选择使用受到其电学性能的影响 各种材料的电学性能存在着极大的差异，随着应用场合的不 同，需要选择使用不同的材料 如：导线需要有很高的导电性；而绝缘保护层，则需要高的 电绝缘性
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导体、半导体、绝缘体同时出现在一个电子芯片上
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超导材料及其应用技 术被认为是21世纪具 有战略意义的高新材 料与技术，将在能源、 交通、信息、科学仪 器、医疗装置、国防、 重大科学研究装置等 方面有广泛应用，而 且是一种其它技术无 法替代的高新技术
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绝缘材料的应用
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纳米ZnO2带的TEM像
超 长 纳 米 SnO2 带 (A) 的SEM和TEM像(B)
2002年乔治亚理工王中林教授等成功合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系 列半导体氧化物纳米带，纳米带呈现高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位 错；纳米线呈矩形截面，典型宽度为20-300nm，宽厚比为5-10，长度可达数毫米 这种半导体氧化物纳米带是一种理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限 的输运现象和制造基于这一性能的功能器件
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美国凤凰城（Phoenix）和阿里桑那洲（Arizona）的莫托罗拉实验室的科学家们，在 2001年9月宣布，他们借助在硅和砷化镓之间生长一个钛酸锶（SrTiO3）的界面层的 方法，在大直径硅衬底上淀积高质量化合物半导体GaAs单晶薄膜获得成功 大直径GaAs/Si复合片材的研制成功不仅给以GaAs、InP为代表的化合物半导体（激 光）产业带来挑战，而且以其廉价，可克服GaAs、InP大晶片易碎和导热性能差等缺 点以及与目前标准的半导体工艺兼容等优点受到关注 最大的一个潜在应用是为实现人们长期以来的梦想━━光电子器件与常规微电子器 件和电路在一个芯片上的集成提供技术基础 6
介电常数 介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米(F/m) 定义为电位移D和电场强度E之比，ε=D/Ε。电位移D的单位是库/二次方米(C ／m^2)。 某种电介质的介电常数ε与真空介电常数ε0之比称为该电介质的相对介电常数εr，εr＝ε／ε0是无量纲的纯数，εr与电极化率χe的关系为εr＝1＋χe。 真空介电常数：ε0= 8.854187817×10^-12 F/m 介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为相对介电常数(permittivity), 如果有高相对介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。 电介质经常是绝缘体。其例子包括瓷器(陶器)，云母，玻璃，塑料，和各种金属氧化物。有些液体和气体可以作为好的电介质材料。干空气是良好的电介质，并被用在可变电容器以及某些类型的传输线。蒸馏水如果保持没有杂质的话是好的电介质，其相对介电常数约为80。 一个电容板中充入相对介电常数为ε的物质后电容变大ε倍。故相对介电常数εr 可以用如下方式测量:首先在其两块极板之间为真空的时候测试电容器的电容C0。然后，用同样的电容极板间距离但在极板间加入电介质后侧得电容Cx。然后相对介电常数可以用下式计算 εr=Cx/C0 电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性。例如，当一个电介质材料放在两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力，就像它们被移远了一样。 当电磁波穿过电介质，波的速度被减小，有更短的波长。 对于时变电磁场，物质的介电常数和频率相关，通常称为介电系数。 附常见溶剂的介电常数 H2O (水) 78.5 HCOOH (甲酸) 58.5 HCON(CH3)2 (N,N-二甲基甲酰胺)36.7 CH3OH (甲醇) 32.7 C2H5OH (乙醇) 24.5 CH3COCH3 (丙酮) 20.7 n-C6H13OH （正己醇）13.3 CH3COOH (乙酸或醋酸) 6.15 C6H6 (苯) 2.28 CCl4 (四氯化碳) 2.24 n-C6H14 （正己烷）1.88
介质损耗和介电常数测量实验 介电特性是电介质材料极其重要的性质。在实际应用中，电介质材料的介电系数和介质损耗是非常重要的参数。例如，制造电容器的材料要求介电系数尽量大，而介质损耗尽量小。相反地，制造仪表绝缘器件的材料则要求介电系数和介质损耗都尽量小。而在某些特殊情况下，则要求材料的介质损耗较大。所以，通过测定介电常数(ε)及介质损耗角正切(tgδ)，可进一步了解影响介质损耗和介电常数的各种因素，为提高材料的性能提供依据。 一、实验目的 1、探讨介质极化与介电常数、介质损耗的关系； 2、了解高频Q表的工作原理； 3、掌握室温下用高频Q表测定材料的介电常数和介质损耗角正切值。 二、实验原理 按照物质电结构的观点，任何物质都是由不同的电荷构成，而在电介质中存在原子、分子和离子等。当固体电介质置于电场中后会显示出一定的极性，这个过程称为极化。对不同的材料、温度和频率，各种极化过程的影响不同。 1、介电常数(ε)：某一电介质(如硅酸盐、高分子材料)组成的电容器在一定电压作用下所得到的电容量Cx与同样大小的介质为真空的电容器的电容量Co之比值，被称为该电介质材料的相对介电常数。 式中：Cx —电容器两极板充满介质时的电容； Cο—电容器两极板为真空时的电容； ε—电容量增加的倍数，即相对介电常数 介电常数的大小表示该介质中空间电荷互相作用减弱的程度。作为高频绝缘材料，ε要小，特别是用于高压绝缘时。在制造高电容器时，则要求ε要大，特别是小型电容器。 在绝缘技术中，特别是选择绝缘材料或介质贮能材料时，都需要考虑电介质的介电常数。此外，由于介电常数取决于极化，而极化又取决于电介质的分子结构和分子运动的形式。所以，通过介电常数随电场强度、频率和温度变化规律的研究，还可以推断绝缘材料的分子结构。 2．介电损耗(tgδ)：指电介质材料在外电场作用下发热而损耗的那部分能量。在直流电场作用下，介质没有周期性损耗，基本上是稳态电流造成的损耗；在交流电场作用下，介质损耗除了稳态电流损耗外，还有各种交流损耗。由于电场的频繁转向，电介质中的损耗要比直流电场作用时大许多(有时达到几千倍)，因此介质损耗通常是指交流损耗。
材料的介电常数和磁导 率的测量 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
无机材料的介电常数及磁导率的测定 一、实验目的 1.掌握无机材料介电常数及磁导率的测试原理及测试方法。 2.学会使用Agilent4991A射频阻抗分析仪的各种功能及操作方法。 3.分析影响介电常数和磁导率的的因素。 二、实验原理 1.介电性能 介电材料（又称电介质）是一类具有电极化能力的功能材料，它是以正负电荷重心不重合的电极化方式来传递和储存电的作用。极化指在外加电场作用下，构成电介质材料的内部微观粒子，如原子，离子和分子这些微观粒子的正负电荷中心发生分离，并沿着外部电场的方向在一定的范围内做短距离移动，从而形成偶极子的过程。极化现象和频率密切相关，在特定的的频率范围主要有四种极化机制：电子极化(electronicpolarization，1015Hz)，离子极化(ionicpolarization，1012～1013Hz)，转向极化(orientationpolarization，1011～1012Hz)和空间电荷极化(spacechargepolarization，103Hz)。这些极化的基本形式又分为位移极化和松弛极化，位移极化是弹性的，不需要消耗时间，也无能量消耗，如电子位移极化和离子位移极化。而松弛极化与质点的热运动密切相关，极化的建立需要消耗一定的时间，也通常伴随有能量的消耗，如电子松弛极化和离子松弛极化。 相对介电常数（ε），简称为介电常数，是表征电介质材料介电性能的最重要的基本参数，它反映了电介质材料在电场作用下的极化程度。ε的数值等