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高介電常數材料有哪些,高介電材料的概述

更新時間:2022-10-13      點擊次數:8357

1 基本概念 

      高介電材料的概念最初來源于半導體行業,和二氧化硅相比,介電常數高的材料稱為高介電材料。后來,這個用法擴展到電子電氣行業,并引發了研發高介電材料的熱潮 

      電介質在外加電場下會發生極化,如圖 1.1 所示,介電常數(ε)是電介質的核心參數,可以用來表征電介質在外加電場下極化和儲存電荷的能力。材料的介電常數很小,通常用相對介電常數來表述,即材料的實際介電常數和真空介電常 

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數(ε0,8.85x10-12 F/m)的比值。在本文中,除特別說明外,介電常數都是指相對介電常數。 

       在交變電場下,電介質的電場響應復雜,這時候材料的介電性能通常用復數形式的介電常數(ε*)表示,如公式 1.1  所示。當給電介質施加交變電場,內部電荷分布的結構會發生相應的變化,正負電荷遷移,或偶極取向,產生極化,相應的可以用介電常數實部(ε′)表征;電荷遷移或偶極取向的過程中,會損失部分電能,可以用介電常數的虛部(ε″)(也有文獻中叫介電損耗因子)來表征。介電常數虛部和實部的比值稱為介電損耗(tan δ),如公式 1.2 所示。介電損耗主要來源有界面極化、偶極松弛和漏電電流,因此損耗因子可以由公式 1.3來表示。電介質的電場響應非常復雜,有時候為了便于分析電介質的極化和松弛現象,人們常采用電模量參數。電模量可以忽略漏電電流和電極差異的影響,能很好的反映低頻下界面極化和偶極取向的電場響應。電模量常用復數形式表示,分為實部和虛部,如公式 1.4  所示:

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       在兩塊平行的電極中間填入電介質,可以形成最常見的平行板電容器。當一外在電壓施加到兩電極上時,電極上就會聚集相應的電荷。其中,電荷的總量和電壓成正比,比值為平板電容器的電容。

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      其中,Q 為電量,V 為電壓,C 為電容。電容的大小不僅和電介質的介電常數有關,還和電極的幾何形狀有關,符合如下關系:

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       其中 A  是電極的面積,d 是平板間的距離。平板電容在施加電壓的時候可以儲存電能,中間的電介質材料也會發生極化。它的極化曲線(電滯曲線)如圖 1.2  所示,電位移隨施加電場的增大而增大。圖中陰影部分為材料的放電能量密度,也叫儲能密度,它也可以用以下公式計算:

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        儲能密度的大小和電場有關,對線性材料,儲能密度和電場的平方成正比,可以 用如下公式表示:

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圖中曲線包圍的區域(斜線部分)為損耗能量密度,損耗能量密度和放電能量密度之和為充電能量密度,放電能量密度與充電能量密度的比值為儲能效率:

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