[工程科技]光电功能材料课程

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1、《光电功能材料》5刘磊电话：84315437Email:liulei442@mail.njust.edu.cn2.电功能材料2.1.导电材料2.2半导体材料2.3介电材料（电介质）2.4.铁电材料（强极性电介质）2.5超导材料2.3介电材料（电介质）dielectricmaterials又称电介质，一切绝缘体统称为电介质；或者是在外电场的作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外电场的物质。分类：可分气体、液体、固体三大类。气体：天然电介质：空气非极性电介质：N2,He,O2,H2,CH4等极性电介质：HCl,NO液体：非

2、极性：苯，CCl4弱极性：二甲苯，汽油，煤油，变压器油极性：乙醇，水固体：非极性：硫磺，聚四氟乙烯PTFE极性：云母，玻璃，陶瓷，聚氯乙烯用途：主要用于制造电容器电介质是指能在电场中极化的材料。电介质在电场作用下产生感应电荷的现象叫极化。介电材料的特征值1.分子极化率α在电场作用下，介电材料产生电偶极矩μ电场E3.静态介电常数2.极化强度P介电材料的极化强度是单位体积内电偶极矩的矢量和介电常数表征介质在外电场作用下极化程度的物理量，介电常数代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越强

3、。用ε表示，其单位是F·m-1(法/米)。介电常数的大小用于衡量绝缘体储存电能的性能.它是两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比。静态介电常数与极化强度P的关系为4.相对介电常数εr(有时用κ或K表示)其中ε是指介质的绝对介电常数,而ε0是指真空介电常数8.85×10-12F/m5.动态介电常数实际上，介电常数并不是一个不变的数，在不同的条件下，其介电常数也不相同。在交变电场作用下，介质的介电常数是复数，虚数部分反映了介质的损耗）。极化强度与电场频率的关系图6.介电损耗

4、电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，这说明有部分电能已转化为热能耗散掉，这种介质内的能量损耗称为介质损耗。或者说，在交变电场中，在每秒内，每立方米电介质消耗的能量称为介电损耗。常用tgδ表示，其值越大，能量损耗也越大。δ称介电损耗角。tgδ是所有应用于交变电场中电介质的重要的品质指标之一。介质损耗越小越好。7.击穿电压电介质承受的电压超过一定值后，就丧失了电介质的绝缘性，这个电压叫做击穿电压。8高介电常数材料和低介电常数材料介电常数k比Si3N4(k>7)大的材料称为高介电常数材料，而其k值比SiO2（k<3.9）

5、小的材料称为低介电常数材料。k的最小值为1(空气中)，最大k值材料（铁电体）为24700（频率1kHz时）高介电常数材料DRAM(动态随机存取存储器)上单个电容器的面积在急剧减小，解决这一问题的办法是使用较薄的传统电介质－SiO2和Si3N4。随着存储器芯片（速度）超过64M（位），这一方法不再有效，因为欲达到所需元件电容量，材料需薄至1nm以下，这样，它们（随着现代存储器芯片工作电压的下降）就会产生不能容忍的漏电流或严重的击穿。按电容器方程，很明显，只剩一个参数来调整，那就是介电常数。所以开发大介电常数材料，使电容器电

6、介质可维持其“坚固”的厚度，又能提供有效的电荷存储，仅管其面积和存储电压在继续下降。**在平板电容器中，其电容量C与平板的面积S、板间距离d的关系，即C=εS/4πkd,式中ε为静态介电常数,显然ε代表了板间电介质的性能。低介电常数材料或称low-K材料通过降低集成电路中使用介电材料的介电常数，可以降低集成电路的漏电电流及寄生电容。传统半导体使用二氧化硅作为介电材料，二氧化硅的介电常数约为4。2.4铁电材料ferro-electricmaterials所谓铁电材料，是指材料的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化现象，其自

7、发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。铁电材料的这种特性被称为“铁电现象”或“铁电效应”。其特点是不仅具有自发极化，而且在一定温度范围内，自发极化偶极矩能随外加电场的方向而改变。它的极化强度P与外施电场强度E的关系曲线如图所示，与铁磁材料的磁通密度与磁场强度的关系曲线（B-H曲线）极为相似。极化强度P滞后于电场强度E,称为电滞曲线。电滞曲线是铁电材料的特征。即当铁电晶体二端加上电场E后，极化强度P随E增加沿OAB曲线上升，至B点后P随E的变化呈线性(BC线段)。E下降，P不沿原曲线下降，而是沿CBD曲线下降。当E为零

8、时,极化强度P不等于零而为Pb,称为剩余极化强度。只有加上反电场EH时P方等于零,EH称为铁电材料的矫顽电场强度。CBDFGHIC构成整个电滞曲线。铁电晶体是由许多小区域(电畴)所组成，每个电畴内的极化方向一致，而相邻电畴的极化方向则不同。在外电场作用下，极化沿电场方向的电畴扩大。在某一温度以上，铁电材料的自发极化即