第三章 介电材料.

电子器件中的介电材料研究和应用近年来，电子器件的发展已经成为了现代科技发展的重要组成部分。

各种电子器件的诞生良多离不开电子器件中的介电材料的研究和应用。

本篇文章将重点讲述电子器件中的介电材料研究和应用。

一、介电材料的概念介电材料，也叫绝缘材料，是一类能够阻止电荷自由运动的材料。

它们具有很高的阻抗和极低的电导率。

介电材料通常用来作为电容器的电介质，在电输送系统中防止电切割并且还用于防止电流泄漏，提高电器的安全性。

二、介电材料的种类介电材料种类繁多，主要分为有机介电材料和无机介电材料两类，下面分别进行介绍。

1. 有机介电材料有机介电材料主要包括聚合物和聚合物复合材料两类。

聚合物作为重要的有机高分子材料之一，具有较高的介电常数和机械强度。

通过添加适当的填充物，可能进一步提高其介电性能。

此外，氟聚合物具有优良的抗腐蚀性、介电性能和耐热性，因此在半导体器件和航空航天等领域广泛应用。

2. 无机介电材料无机介电材料通常分为氧化物、氮化物、硅酸盐和卤化物等，其中氧化物是最常用的一种。

氧化铝、氧化钛和氧化锆等氧化物介电材料在电容器制造、互连和储存中都有着广泛的应用。

氮化硅、氮化铝等氮化物介电材料在高频电子器件中有着很好的应用，被称为半导体制造业领域的“黑马”。

三、介电材料的应用1. 电容器电容器是应用介电材料最广泛的电子器件之一，主要用于存储电荷和调节电压等。

通过控制选择不同介电常数的介电材料，可以使电容器具有不同的性能和特性。

例如，在低频电路中，采用介电常数较低的陶瓷介电材料来制造电容器，而在高频电路中则使用介电常数较高的聚酰亚胺（PI）介电材料。

此外，随着科技的发展，高电容密度和低电阻的电容器已经成为了电子设备、汽车和太阳能电池等领域的热门选项。

2. 互连互连是指用于连接芯片之间或芯片和电路板之间的人工连接。

由于物理尺寸的限制，半导体芯片直接相互连接并不现实。

介电材料作为重要的隔离和保护材料，可以被用来制造芯片之间的互连。

根据上式，可通过测量电介质介电常数求得 分子极化率 对非极性介质，介电常数与介质的光折射率
n的平方相等
此式联系着介质的电学性能和光学性能。
内电场--电容器 Capacitor
在外电场作用下达到静电平衡时，电介质内部的场强也可 以不等于零。类似一个电容器
22
在外电场中电介质形成内电场， 同时内电场也影响外电场。
平衡状态，介质温度将越来越高，直至出现永久性破坏。
3) 电击穿 强电场作用，电子从电场中获得能量越来越大； 大到一定值，导致电离，进入电导状态，发生击穿。
电容器
电介质
3.1.5 偶极子dipole
构成质点的正、负电荷沿电场方向在有限范围内
短程移动，形成一个偶极子。
E
-q
+q
L
电偶极矩 ：=ql（库仑 ·米） 电偶极矩方向： 负电荷指向正电荷。与外电场方向一致。
由于极化，电介质表面出现电荷，不能离开，也不能在 内部自由移动。称为束缚电荷或极化电荷。 它不象导体中的自由电荷能用传导方法将其引走。
14
3.1.3 介电常数 permittivity
平板电容器的电容与施加电压V及极板上产
生的电荷有如下关系：
充满电介质，由于电介质分子极化，极板上产 生感应电荷，使极板电荷量增加到
t 120o C
钛酸钡BaTiO3
降温过程结构畸变，对称 性下降：
如果在一个轴向发生畸变 （如c轴伸长或缩短）
四方晶系
如果在两个轴向发生畸变 正交晶系
钛酸钡BaTiO3
如果在[111]轴向发生畸变 三方晶系
准同型相界MPB： Morphotropic phase boundary
偶极子 Gd3+-doped PbWO4 [2(GdPb3+).-VPb”]

第三章 交变电场中电介质的损耗
1.具有慢极化 的电介质在交变电场作用下所表现出的介质特性（极化与损耗）与电场频率有关——复介电 常数ε* 2.导出以松弛极化为典型例证的德拜松弛极化与损耗理论——
与频率和温度的关系
tg 3.考虑电场强度E与电位移D、电流I（或电流密度j）与电压U（或电场强度E)之间的相位关系——有功功
.
色散现象
在交变电场中的电介质，由于复相对介电常数ε ′与频率有关，故折射率n亦随频率变化，
称为～。
r
弥散现象
“交流电场中电介质介电常数随频率变化的现象， 在介质理论中常称为～或简称“弥散”(dispersion)。这种现象 的本质，就在于电极化的建立需要一个过程，换句话说，由于极 化的惯性或滞后性，在不同频率电场中，极化可能来不及响应或 完全来不及响应电场的变化。
δ
再由图3—2看出，
1.与电压同相位的损耗电流分量(I ＝GV)，
2.电容电流分量（I ＝i ωCV） l
3.合成电流I
c
I 与I之间形成一个δ角——介质损耗角(dielectric loss angle). c
tg电 损容 耗电 电 II流 c流 l G C电 损容 耗项 项
或表示为：
tg r
此时电流与电压的关系如图3—2所示。
j I S
G S d
EV d
C r0S d
I=iωCV+GV=(iωC+G)V
j(iro)E ω
0
j=γ电导率
由ji*E
定义复介电常数
则*
*
i
i
在交变电场中电介质的特性参数为ε*和γ*，它们都与电场频率有关，这一点与电介质处于恒定 电场中的介电常数和稳态电导率有着本质上的差别。

1.与电压同相位的损耗电流分量(Il＝GV)， 2.电容电流分量（Ic＝i ωCV） 3.合成电流I
Ic与I之间形成一个δ角——介质损耗角(dielectric loss angle).
损耗电流 tg 电容电流
Il Ic
G C
损耗项 电容项
或表示为：
tg r r
ε″:损耗因素(dielectric loss factor)， εr″:相对损耗因数(relative dielectric loss factor)； ε′:介电常数 εr′:相对介电常数，
它们都依赖于频率，只有当ω→0，ε′才是静态介电常数。
ε*= ε′－i ε″
（3—9）
由于j＝iωε*E，当把式(3—9)代入后，即得 到下列表达式：
式中，含ε″的项与电场强度同相位，含ε′的项与电场强度 差90o相位。
ε″=γ/ω
γ＝ω ε″
（3—14）
3.1.2 电磁波在介质中的传播及复折射率
j I S
GS d
EV d
C r0S d
I=iωCV+GV=(iωC+G)V
j (iro )E
ω
0
j=γE
r0
由j *E
定义复电导率
由j i*E
定义复介电常数
则* * i
i
在交变电场中电介质的特性参数为ε*和γ*，它们都与电场频 率有关，这一点与电介质处于恒定电场中的介电常数和稳态电导率 有着本质上的差别。
x 2n
（3）波速： v f 2 f
T
或： (ft x ) n 时，相位相同，距离相差x，传播时间要经过时间t 2
v dx 2 f f dt
(4)电磁场的绝对值以 ex 的比例衰减。这里的 表示吸收。

第一章 电介质陶瓷
.
1
第一节 电介质陶瓷
• 电介质陶瓷是指电阻率大于108Ωm的陶瓷材料，能承受较强 的电场而不被击穿。按其在电场中的极化特性，可分为电绝缘 陶瓷和电容器陶瓷。随着材料科学的发展，在这类材料中又相 继发现了压电、铁电和热释电等性能，因此电介质陶瓷作为功 能陶瓷又在传感、电声和电光技术等领域得到广泛应用。
• 电绝缘陶瓷材料按瓷坯中主要矿物成分可分为钡长石瓷、高 铝瓷、高硅瓷、莫来石瓷、滑石瓷、镁橄榄石瓷、硅灰石瓷 及锆英石瓷等。
• 在无线电设备中，电绝缘瓷主要用于高频绝缘子、插座、瓷 轴、瓷条、瓷管、基板、线圈骨架、波段开关片、瓷环等。 陶瓷基片为绝缘陶瓷材料的主要研究方向，市场占有率也比 较高。
.
.
27
§ 1-2 典型低介装置瓷
预烧的作用: 促使晶型转变 减少胚体的烧结收缩率，保证产品尺寸的准确性 可使碱金属离子减少或去除，起纯化的作用，破坏 Al2O3颗粒聚集状态，以获得细颗粒的原料。
.
28
§ 1-2 典型低介装置瓷
(2) 化学法 铝的草酸盐热分解 醇盐水解 sol-gel法
.
38
§ 1-2 典型低介装置瓷
性质
AlN
SiC
导热率(w/m·k) (室温)
100~270
270
Al2O3 20
BeO 310
BN 20~60
电阻率（Ω·m） (室温)
>1012
1011
>1012
>1012
>1013
抗电强度（105v/m）
(室温)
140~170
0.7
100
100~140
300~400
声子热传导（类似于气体）

介电材料定义介电材料是一种特殊的材料，其主要特性在于其导电性极低，且能够在外加电场的作用下产生极化现象。

这种特殊性质使得介电材料在电子学、通讯学、光学等领域得到了广泛的应用。

介电材料的特性来源于其分子或原子的电荷分布不均匀，导致在外加电场下，分子或原子内部的电荷重新排列，从而形成了极化现象。

介电材料的极化程度与材料的电磁性质有关，其中包括介电常数和介质损耗等参数。

介电常数是介电材料最基本的电磁参数，它描述了介电材料在外加电场作用下极化程度的大小。

介电常数大的材料极化程度较高，能够有效地存储电荷，因此在电容器、电池等器件中得到了广泛的应用。

而介电常数小的材料则具有较低的极化程度，主要应用于高频电子器件、光学器件等领域。

介质损耗是介电材料的另一个重要参数，它描述了材料在电场作用下能量损耗的程度。

介质损耗主要由材料内部的摩擦、热振荡等因素引起，其大小直接影响了材料的应用性能。

在高频电子器件、光学器件等领域，要求介电材料的损耗尽可能小，以保证信号传输的稳定性和精度。

除了介电常数和介质损耗外，介电材料还具有许多其他的特性。

例如，介电材料的电阻率通常较高，因此可以用于制作高阻抗器件；介电材料的耐压性能较好，因此可以用于制作高压电器件；介电材料的化学稳定性较高，因此可以用于制作耐腐蚀器件等。

介电材料的应用范围非常广泛，涵盖了电子学、通讯学、光学、医学等众多领域。

例如，在电子学中，介电材料常用于制作电容器、滤波器、振荡器等器件；在通讯学中，介电材料常用于制作天线、介质波导等器件；在光学中，介电材料常用于制作光纤、光学滤波器等器件；在医学中，介电材料常用于制作医用电极、医用超声传感器等器件。

介电材料是一种具有特殊电磁性质的材料，其应用广泛，是现代电子、通讯、光学、医学等领域的重要基础材料之一。

随着科学技术的不断进步，介电材料的应用前景将会越来越广阔。

3.1.2 介电常数 C Q A V d
1）材料因素：ε 材料在电场中被极化的能力 2）尺寸因素： d 和A ：平板间的距离和面积 如果平板间为真空：
C0
Q 0 A / d V
在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，C>C0
C r C0 r 0 A / d
3.1.4 宏观极化强度和微观极化率的关系
(1)作用于分子、原子上的有效电场（局部电场）Eloc ：
作用于分子、原子上的有效电场 + + + +
+ + + +
Ed
-
-
-
-
-
+
外加电场E0 电介质极化形成 的退极化场Ed 周围的荷 电质点作 用形成Ei + E0 ++
Ei
++ -++ + - - -
很弱
有
离子不紧密 直流——超高 的材料 频
电子松弛极 化
转向极化
高价金属氧 直流——超高 化物 频
有机 直流——超高 频
随温度变化有极 大值
随温度变化有极 大值
有
有
空间电荷极 化
结构不均匀 直流——高频 的材料
随温度升高而减 小
有
6、自发极化
是一种特殊的极化方式。自发极化不是由外加电场
引起的，它是由晶体的内部结构造成的。在此类晶体中， 每个晶胞里存在固有电矩，此类晶体称为极性晶体。 自发极化现象通常发生在一些具有特殊结构的晶体中。
偶极分子在无外电场时就有一定的偶极矩， 但因热运动缘故，
它在各方向运动概率相同，故无外电场时它的宏观电矩为零。但有

第三章 静电场中的电介质§１ 概述１）媒质中的电场媒质由电粒子和中性粒子构成，电场与媒质中的电粒子产生作用。

大量的微观作用可能会表现出宏观现象。

２）微观量与宏观量微观量：媒质中各微观点的值,具有时间上起伏性。

宏观值：是大量微观现象在物理无限小体积元中对应的平均值，具有相对的稳定性（在静电场的条件下）。

宏观电磁现象是大量的微观电磁作用的综合平均效应。

§２、电偶极子１、电介质电介质即通常所指的绝缘体（其特点为体内无自由电子）。

a) 电介质与电场的相互作用。

实验介质为玻璃。

介质插入电容器极板之前，电压为U ；介质插入电容器极板之后， ① d /U E E U =↓⇒↓此种静电现象表明，介质对电场产生了作用。

②介质两侧表面出现了不能作宏观运动的异号电荷。

此种现象表明电场对介质产生了作用。

此种静电现象称之为极化。

极化：中性介质受电场作用后在宏观上表现出电性。

束缚电荷：介质中不能产生宏观移动的电粒子。

特点：电粒子受分子力的约束，只能为生微观移动，其活动区域为原子的线度数量级。

研究大量微观粒子产生的宏观电现象时，可将分子、原子等效成两个等量异号的正电荷重心和负电荷重心，从而可以达到简化问题目的。

处在电场中的正负电重心受力方向相反，会产生重心之间距离的拉伸与压缩、重心的相对偏转等位置变化，在宏观上呈现出电性，使介质产生极化。

重合的正负电荷重心被电场拉开。

不重合的电重心整体产生偏转，相对位置亦为生变化。

２ 电偶极子电偶极子是由两个等量异号且相距很近的点电荷构成的电荷体系，（l<<r ）。

电介质的电偶极子模型介质中的分子或原子与外电场为生相互作用时，均可采用电偶极子来处理，即把介质中的分子、原子等效为对应的电偶极子，介质等效为一群电偶极子来看待。

电偶极子既受外场作用同时自身也激发电场。

与外电场产生相互作用。

电偶极子的一些基本特性 １）外电场对电偶极子的作用处在均匀电场中的电偶极子所受到的作用力电偶极子所受的力矩E转动合0T 0F ≠=E稳定平衡不0T 0F ==EF E稳定平衡0T 0F ==氢原子电重心图⇒±水分子电重心图⇒-++-2-O HH+()+-++++-++--⨯-=⨯+⨯-=⨯+⨯=F r r F r F r F r F r TE l T ⨯=q令p =q l （电偶极矩定义式） 则 E l T ⨯=q ＝pEsinθθe系统的转矩最大系统处在平衡状态PE T /======0F 0T 0F 20πθθ电偶极矩是描述电偶极子本身电学特性的物理量，电偶极子产生电场、电势、辐射以及在电场中受到的力矩等电学特性均可由电偶极矩体现出来。

二、电介质内部结构与偶极子
10
二、电介质内部结构与偶极子
1.无电场时 热运动—杂乱排列—宏观呈电中性
有极分子
无极分子
二、电介质内部结构与偶极子
2. 有电场时 电介质发生极化— 宏观呈电性
有极分子介质
无极分子介质
取向极化
均匀 E
－
＋
－
＋
－
＋
位移极化
均匀 E
－
＋
－
＋
－
＋
12
二、电介质内部结构与偶极子
2.电偶极矩为ｐ的电偶极子处在场强为E的匀强电场中，则当 （A）p与E平行时，电偶极子的受力最大。 （B）p与E垂直时，电偶极子的受力最大。 （C）p与E平行时，电偶极子所受到的力矩最大。 （D）p与E垂直时，电偶极子所受到的力矩最大。
3.如一个偶极子，其偶极矩为p，它与外电场E的夹角为，则偶
极矩在外场中所受的力矩为（ ），势能为（ ）。
七、电容器的能量
1. 如图，平行板电容器带电，左、右分别充满相对介电常数为 ε1与ε2的介质，则两种介质内： （A）场强不等，电位移相等。 （B）场强相等，电位移相等。 （C）场强相等，电位移不等。 （D）场强、电位移均不等。
2．在真空平行板电容器的中间平行插一片介质，当给电容器充 电后，电容器内的场强为： （A）介质内的电场强度为零。 （B）介质内与介质外的电场强度相等。 （C）介质内的场强比介质外的场强小。 （D）介质内的场强比介质外的场强大。
y AA r
rr
r
q r0 q x
二、电介质内部结构与偶极子
3. 电偶极子在两个特殊点上的电场
连线上的场：
E
2p
4 0r3

稳定性
介电材料具有优良的稳定性，不易受环境温度和 湿度的影响。
介电常数可调
通过改变介电材料的组分和结构，可以调节介电 常数，以满足不同应用需求。
02
铁电材料介绍
铁电材料的定义
铁电材料
指在一定温度范围内具有自发极化、 且自发极化方向随温度变化的一类功 能材料。
自发极化
铁电材料内部存在的电偶极矩，不需 外电场作用就能产生自发极化。
铁电材料的分类
单晶体铁电体
如钛酸钡（BaTiO3）、铌酸锂（LiNbO3）等。
多晶体铁电体
如锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O3，简称PZT）等。
有机铁电体
如聚偏氟乙烯（PVDF）等。
铁电材料的特性
电滞回线
01
铁电材料具有显著的电滞回线，即其介电常数随电场的变化而
变化。
压电效应
02
当铁电材料受到外力作用时，其内部电偶极矩发生改变，从而
记忆效应
介电和铁电材料都具有记忆效应 ，能够将外部电场的历史状态保 留下来，并在一定条件下恢复。
介电和铁电材料的差异
极化机制
介电材料的极化主要来源于电子 云位移，而铁电材料的极化则来 源于正负电荷中心的相对位移。
相变温度
铁电材料通常在一定的温度下发 生相变，表现出明显的铁电性， 而介电材料的相变温度则不明显 。
响应速度
铁电材料的极化响应速度较快， 适合用于制造高速电子器件，而 介电材料的响应速度相对较慢。
介电和铁电材料的应用领域
介电材料
主要用于制造绝缘材料、电子元件、光学薄膜等，如陶瓷、玻璃、塑料等。
铁电材料
主要用于制造压电器件、热释电器件、非线性光学器件等，如石英晶体、钛酸 钡等。

介电材料的基本原理与应用介电材料是指在外电场作用下，会发生电极化现象的材料。

它们具有优异的电绝缘性能，不导电、耐高温、耐腐蚀等特点，在电子技术、通讯、电力、光纤通信、电器等领域有广泛的应用。

介电常数是介电材料的主要性质之一，它是介电材料中分子或离子之间相互作用力与电场作用力之比，通常用介电常数(K)来表示。

介电常数越大，说明介电材料在电场作用下极化度越强。

除了介电常数，介电材料的电场强度也会影响它的极化度。

在电场强度相同的情况下，极化度随着介电常数的增加而增加。

介电材料的电极化程度也与材料中电子、离子的构成以及排列方式有关。

介电材料的应用1. 电子技术领域：介电材料被广泛应用于现代电子元件中。

例如，在电容器内部，采用介电材料将金属箔与两极板隔开，用于存储电荷。

介电材料还可以用于制作聚合物电子器件，比如半导体器件中的介电层。

2. 通讯领域：介电材料的应用不仅局限于电子器件中，还可以应用于通讯行业。

例如，高介电常数的介电材料可以用于电声器和电容器，以及各种微波元器件，如滤波器、反射器和天线。

3. 电力领域：介电材料也在电力系统中发挥重要的作用，作为电线电缆的介质，它可以防止线外部高压对人体的危害。

介电材料的耐压性能决定了电线电缆的使用范围，通过增加介电常数也能够提高电线电缆的绝缘强度。

此外，介电材料还广泛应用于电子变压器、电感器、磁性元件等电器中，可以有效提高电气性能。

4. 光学领域：在光学领域，介电材料的光学性能是光学器件和材料的重要性能之一。

通过选择适合的介电材料，可以制造出各种不同颜色和光滑度的镀膜，如太阳能电池板、光学透镜、光纤光缆等。

介电材料的制备方法目前，介电材料的制备方法有很多种，常用的方法主要包括化学制备法、固相反应法、被动氧化法、溶胶-凝胶法、溶剂热法等。

其中，溶胶-凝胶法是一种常见的制备介电材料的方法，其特点在于制备过程中不需要高温、高压，操作比较简单。

通过控制滴淌量、料液比以及干燥温度和时间等参数，可以制备出粒径均一、形貌良好、性能稳定的介电材料。

材料的介电性能介电材料的应用首先，介电材料广泛应用于电子器件中。

电子器件中的电介质层常采用介电材料。

例如，电子电容器中的介电材料用于储存电荷，在高频电路中用作微波滤波器和微带线的绝缘层。

此外，电子器件中的绝缘材料也是介电材料的重要应用之一、例如，绝缘层用于电子元件之间的隔离，起到保护电子元器件免受短路和电击的作用。

其次，介电材料在电力系统中也得到广泛应用。

电力系统中常用的绝缘材料如绝缘子、套管和绝缘胶条等，都属于介电材料。

介电材料的主要作用是进行绝缘隔离、提高安全性能和改善系统的工作效果。

此外，介电材料在电力传输线路上也发挥着重要的作用。

例如，高压输电线路上的绝缘子和绝缘层用于防止电弧放电和绝缘损坏，确保电力传输的稳定性。

另外，介电材料在通信设备中也有重要应用。

通信设备中常用的介电材料如微波介质和介质天线等。

微波介质是一种电介质材料，用于传输无线电波和微波信号。

它具有低电导率、高介电常数和低介电损耗等特点，能够有效地传输和接收无线电信号。

介质天线则是一种使用介电材料制造的微波天线，用于接收和发送无线电信号。

介质天线具有体积小、重量轻、频率稳定和传输效果好等特点，广泛应用于通信设备中。

此外，介电材料还应用于光学器件中。

光学器件中的介电材料如光纤和光波导等，用于光信号的传输和整形。

光纤是用介质材料制成的一种光波导，能够将光信号传输到远距离，保持光信号的稳定性和传输效率。

光波导则是使用介电材料制造的一种光导管，能够将光信号沿着特定路径传输，用于光通信和光传感器等领域。

总的来说，介电材料广泛应用于电子器件、电力系统、通信设备和光学器件等领域。

它们在这些领域中发挥了重要的作用，提高了设备的性能和可靠性。

随着科学技术的不断发展，对于介电材料的需求将会越来越大，因此，研究和开发新型的介电材料具有重要的意义。