| 词条 | 电介质物理学 |
| 释义 | § 电介质物理学 电介质物理主要是研究介质内部束缚电荷在电或和光的作用下的电极化过程，阐明其电极化规律与介质结构的关系，揭示介质宏观介电性质的微观机制，进而发展电介质的效用。电介质物理也研究电介质绝缘材料的电击穿过程及其原理，以利于发展电绝缘材料。 实际上金属也具有介电性质；但金属的介电性是来源于电子气在运动过程中感生出虚空穴（正电荷）所引起的动态屏蔽效应。因其基本上不涉及束缚电荷，故不把金属的介电性列入电介质物理研究的范畴。电介质有气体的、液体的和固体的，分布极广。 基本概念 电极化过程 电极化的基本过程有三：①原子核外电子云的畸变极化；②分子中正、负离子的（相对）位移极化；③分子固有电矩的转向极化。在外界电场作用下，介质的介电常数 ε是综合地反映这三种微观过程的宏观物理量；它是频率 ω的函数ε(ω)。只当频率为零或频率很低（例如1千赫）时,三种微观过程都参与作用，这时的介电常数ε(0)对于一定的电介质而言是个常数，通称为介电常数，这也就是静电介电常数εs或低频介电常数。随着频率的增加，分子固有电矩的转向极化逐渐落后于外场的变化，这时，介电常数取复数形式ε(ω)＝ε′(ω)-jε″(ω)，其中虚部ε″(ω)代表介质损耗；它是由于电极化过程追随不上外场的变化而引起的。实部随着频率的增加而显著下降，虚部出现峰值,如图1所示。频率再增加，实部ε′(ω)降至新值，虚部ε″(ω)变为零，这表示分子固有电矩的转向极化已不能响应了。当频率进入到红外区，分子中正、负离子电矩的振动频率与外场发生共振时，实部ε′(ω)先突然增加，随即陡然下降,ε″(ω)又出现峰值；过此以后，正、负离子的位移极化亦不起作用了。 电介质物理学 在可见光区,只有电子云的畸变极化在起作用了,这时实部取更小的值，称为光频介电常数，记以ε→∞，虚部对应于光吸收。光频介电常数ε→∞实际上随频率的增加而略有增加,这是正常色散。在某些频率时,实部ε′(ω)先突然增加随即陡然下降，与此同时虚部ε″(ω)出现峰值，这对应于电子跃迁的共振吸收。对于电介质，麦克斯韦方程组指出,光的折射率n的二次方等于介电常数即光频介电常数ε→∞(n2=ε→∞)。拿水来说，因为水分子具有很大的固有电矩，水的静电介电常数为81。但是，它的折射率为1.33，亦即水的光频介电常数ε→∞约为1.77，比81小得多；这是因为在极高频的光电场作用下，只有电子过程才起作用的缘故。 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过程是不存在的。但固态介质中总是有缺陷的，在外电场作用下，带电缺陷从一个平衡位置跳跃到另一个平衡位置，其效果就相当于电矩的转向。一些具有强离子性(键)的固体，它们的静电介电常数εs总比n2的数值大得多，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的跳跃所引起的。只有共价键的原子晶体，如金刚石、锗、硅等，它们的静电介电常数εs的数值才与n2的数值很接近。但是，对于Ⅲ-Ⅴ族化合物,如GaAs、InP等，它们虽然主要是共价(键)结构，但因附加了离子键，其静电介电常数εs也比折射率二次方值n2大得多。 因此，研究介电常数随频率的变化即研究介电常数的频散（色散）关系、研究介质损耗、介质吸收以及介质弛豫，对于分析分子和固体的结构、化学键的性质以及分子的转动、离子的振动等显然是十分重要的。这些研究既是电介质物理的重要内容，也是分子物理、固体物理的重要内容。微波波谱学、红外光谱学以及激光光谱学与电介质物理有着互相交叠的领域，这些研究从不同的角度发展，相辅相成，相得益彰，在物理学和化学上占据着重要的地位。这些工作对于高分子材料、玻璃陶瓷材料以及非晶态材料的发展，是非常重要的。 有效场 在电介质物理的发展过程中，有效场或内（电）场问题，始终是个困难的理论问题，曾引起过许多学者的讨论，但一直没有得到圆满的解决。问题是这样提出的，在外电场的作用下，电介质内部发生电极化，整个介质出现宏观电场，但作用在每个分子、原子上使之发生极化的有效场（内场）显然不包括该分子、原子自身极化所产生的电场，因而有效场不等于宏观场。考虑有效场时，必须把所讨论的分子（或原子）排除。对于所讨论的分子（原子）来说，近邻的和远离的其他分子所发生的作用并不相同；远离的只有长程作用，近邻的还有短程作用。在讨论这问题时，H.A.洛伦兹设想以所考虑的分子（原子）为球心，作一球,半径足够大,球外可作为连续介质处理，对球内则必须具体考虑结构。当介质具有对称中心时，洛伦兹得出结论，球内其他分子对中心分子的作用互相抵消，球外则可归结为空球表面的极化在中心所产生的场，即4πP/3（CGS制）,其中P 代表介质的极化强度。作用在中心分子上的有效场为 ，这叫做洛伦兹有效场或内场，其中E 代表外加电场。实践表明,对于不具固有电矩并有对称中心的介质,洛伦兹有效场是适用的。对于分子具固有电矩的极性介质，洛伦兹场的表示则完全失效。L.昂萨格曾作了讨论，但他的结果只能应用于极性不太强的液体。一般情形下，计算很繁复，问题没有得到圆满的解决。 学科内容 固态电介质分布很广而因具有许多可供利用的性质如电致伸缩、压电性、热电性和铁电性等，引起了广泛的研究，但过去多限于讨论它们的宏观性质。实际上，这些性质是与固体（晶体）内在结构、内部原子（离子）以及电子（主要指束缚电子）的运动密切相关的。现在，固态电介质物理与固体物理、晶体学和光学有着许多交叠的领域；特别是激光出现以后，研究电介质与激光的相互作用，又构成为固态激光光谱学、固态非线性光学和固态光学（固体光学性质）的重要内容。 离子晶体中点阵振动的光频波导致点阵的电极化；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与喇曼散射以及一些特殊的光学性质，长期以来就是固体物理的研究对象；也属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，人们从30年代起，就不断地进行研究，推动了固体物理的发展，对于固体发光、固体激光的发展也起着促进作用。近年来，研究色心激光并发展可调的红外色心激光器是很受重视的课题。为了研究F心,当初所提出关于离子晶体中电子自陷的极化子模型即运动电子和它周围畸变势的总体，现在已成为探讨离子性介电晶体和带有离子性（键）的半导体包括Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族半导体中电子过程的研究对象。这些也是电介质物理研究的范畴。 固体（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(见固体中的元激发)。按固体元激发理论,固体的介电常数不仅是频率的函数,而且也是极化波矢 k的函数；后者称为空间色散。研究介电函数ε(ω,k)的规律与电极化元激发性质的关系又会使固态电介质物理发展到一个新阶段。 当前固态电介质物理的研究重点，还在于研究无机电介质材料的机电、电光和铁电等性质。 电致伸缩 固体中的电极化会引起内应力，从而引起固体的形变；即电致形变。对于一般固体，内应力与外电场强度的二次方成正比，这种电致形变是二阶效应，通称为电致伸缩。除钛酸钡、 锆钛酸铅(PZT)及其复合物等少数晶态材料外，一般电致伸缩效应是很小的。但在巨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声行波场，从而引起受激布里渊散射，十分使人注目。利用受激布里渊散射，有可能制成连续可调的激光器。 压电性 没有中心反演对称的一些带有离子性(键)的晶体,在电场作用下，内应力与外电场强度成正比,具有一阶的电致形变效应，这个效应显著。这些非中心对称的晶体称为压电晶体；它们在外界压力的作用下，通过内部的电极化过程，使晶体表面出现面电荷，这称为压电效应。压电晶体种类很多，最常见而用得广的有石英、罗谢耳盐、KDP、ADP、LiNbO3、LiTaO3等等。一些具闪锌矿结构的晶体，如GaAs、CuCl、ZnS、lnP等，它们是压电半导体。还有压电陶瓷如 PZT。石英晶体作为无线电频的振荡器，就利用了它的逆压电效应，特别是它的热胀系数很小，具有（机械）稳频作用，在电信上、电子技术上应用很广。罗谢耳盐用作为耳塞听筒或电唱头的材料，是由于它的压电性能强而制作较简易,ADP则是水声（声呐）的听音器的重要材料。现在应用最广的是压电陶瓷 PZT。研究压电晶片的切型及其振荡模式是40年代以来固体电介质物理的重要课题。压电方面的研究成果在技术上得到广泛的应用,促进了无线电技术、超声技术、水声技术的发展，在激光技术上也有重要应用。 透明的（包括红外透明但可见光区不透明的）压电晶体是电光晶体（具有一阶电光效应），它们的折射率可以通过外加电场而灵敏地改变，在激光调制上有重要的用途。KDP、 CuCl、GaAs等是重要的电光晶体。新型的电光晶体有铌酸锶钡(BSN)、铌酸钡钠(BNN)等。透明的压电陶瓷PLZT也是新型的电光材料。 热电性 压电晶体中有重要的一类，具有自发极化并具有较大的热胀系数，称为热电晶体。这类晶体现已成为红外探测的重要材料。原来，晶体处于自发极化状态、表面已经有感应电荷，但这些电荷为吸附着的空气离子所抵消。当温度改变，由于较大的热胀系数，引起较大的形变，从而电极化强度发生显著的变化；这时晶体上的面电荷亦发生显著的变化，能够被探测出来。重要的热电晶体都是铁电体如LiNbO3、TGS和BSN、BNN等。PZT也是重要的热电材料。 铁电性 介电晶体有很重要的一类，例如BaTiO3、SrTiO3、LiNbO3等，叫铁电体；在各自一定的特征温度（称为铁电的居里温度）之下,晶体中出现自发极化,并且自发极化可以随外电场反向而反向；在交变电场作用下，显示电滞回线。拿钛酸钡来说，它在120°C以上,没有自发极化,晶体结构属立方晶系。当温度降至120°C以下，晶体出现自发极化，与此同时，结构的对称性降低（如温度在5°C以上，则结构属正方系）,出现电滞回线，晶体中形成电畴。自发极化的出现，总伴随着结构的变化，对称性的降低(对称性破缺)，是一种相变过程。钛酸钡在120°C以上时，晶体中没有自发极化,是为顺电相。顺电相的钛酸钡具有反演对称中心，不是压电晶体。在120°C以下，铁电相的钛酸钡不具有反演对称中心,成为压电晶体、 电光晶体，也是热电晶体。室温下，TGS、LiNbO3也是铁电体。KDP、ADP在室温附近是压电晶体、电光晶体;但KDP在-150°C以下才是铁电体,ADP在-125°C以下是反铁电体。石英与GaAs和CuCl是压电晶体，但不是铁电体。铁电体必是压电体、热电体，如果对光透明的话,也就是电光晶体。BSN、BNN是铁电电光晶体而GaAs、CuCl则是压电电光晶体；前者的工作电压比后者低得多，在这一点上说，前者比后者优越。 研究铁电体的相变即研究自发极化发生的机理是固态电介质物理也是固体物理的主要课题。现在知道，晶体中自发极化的出现是与点阵振动的某一振动频率〔例如，横光频支(TO)的振动频率〕趋于零值(ωTO→0)有关的。频率趋于零值的振动模式叫做软模。这方面已发展成铁电软模理论。实际上，软模理论对一般固态相变例如合金相变问题也原则上适用。 非线性极化 通常研究电极化问题时，外加电场甚弱、极化强度与外场成正比，这是线性极化。当外场增强，就可能出现非线性极化。但只在非中心对称的压电晶体、铁电晶体中才能观测到二阶的非线性极化，所以，过去已常把压电、铁电材料称为非线性电介质。激光的光电场很强，首先在石英晶体中观察到光倍频现象，其后用KDP、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。这些以及其他一些非线性光学效应的出现，引起了广泛的研究，从而发展为非线性光学学科。石英、KDP、ADP、CuCl、GaAs、LiNbO3、BSN、BNN以及PLZT等就成为非常重要的非线性光学介质。电介质物理与非线性光学有着广阔的交叠领域，但两者研究角度是不同的。电介质物理是研究激光作用下电光介质中的非线性电极化过程与介质结构的关系；把宏观的电光(非线性光学)性能与物质的微观组态联系起来，才可能有的放矢地发展制备出性能优异的非线性光学材料。看来，铁电电光材料会比压电电光材料优越，只是目前对于一些问题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，BSN、BNN在性能上远没有达到要求）。 把激光作为工具，研究固态电介质内的电极化过程，这就是固态电介质喇曼光谱的研究。在一定意义上说，这也就是研究点阵振动光频波与激光的相互作用；研究固态电介质中极化元激发(包括极化子,见固体中的元激发)与激光的相互作用。铁电电光的性能比较优越,就是由于晶体中存在自发极化，因此，研究铁电相变前后的（亦即软模的）激光喇曼散射，不仅可以揭示铁电相变过程的规律，而且也可以提供关于铁电电光性能的分析。所以，电介质物理与固态激光光谱学也有着宽广的交叠领域。 驻极体 这是一类具有长期保持电荷能力的电介质材料的总称。驻极体已发现很久，但在长期发展中，它们似乎只有理论上的意义。直到聚合物驻极体被发现后，由于该材料具有优异的储存电荷能力以及薄膜的可任意弯曲性质，驻极体的研究才受到了人们的重视。聚合物驻极体作为一种新的功能材料也得到了广泛的应用。驻极体能产生约30千伏／厘米的强外电场，使它们能够应用于许多目的。现在国际上已有用薄膜驻极体制成的话筒商品出售。驻极体的电荷存储性能已被应用于静电摄影术。这方面的技术由于光电导成像的研究有了重要突破，导致了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、光显示系统及辐射计量仪等。商业用的气体过滤器用负电晕驻极纤维材料依靠静电吸力来捕捉微小粒子。 固体电介质的击穿 电导率很小的电介质用来作为电绝缘材料，称为绝缘体。电介质能够经受而不致损坏的最大电场(约107～108V/m)称为击穿场强,这是绝缘性能好坏的一个重要标志。当外加电场超过此值时，电介质的电导突然增大甚至引起结构损坏或破碎，称为介电击穿。击穿的过程首先是在外电场不变情况下介质中的电流迅速增大。接着在介质中形成导电的沟道如图2所示。通常在两电极间有一个主沟道和许多分支。沟道中的固体已部分气化形成结构上的损坏。沟道取向与电介质微观结构、杂质、缺陷、外加电极形状等有关。 电介质物理学 介电击穿过程很复杂，除与物质本身性质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。实验数据很分散，各种理论模型只能分别在一定范围内说明问题。有三种类型的介电击穿。 ① 热击穿。电极间介质在一定外加电压作用下，其中不大的电导最初引起较小的电流。电流的焦耳热使样品温度升高。但电介质的电导会随温度迅速变大而使电流及焦耳热增加。若样品及周围环境的散热条件不好，则上述过程循环往复，互相促进，最后使样品内部的温度不断升高而引起损坏。在电介质的薄弱处热击穿产生线状击穿沟道。击穿电压与温度有指数关系，与样品厚度成正比；但对于薄的样品，击穿电压比例于厚度的平方根。热击穿还与介质电导的非线性有关，当电场增加时电阻下降，热击穿一般出现于较高环境温度。在低温下出现的是另一种类型的电击穿。 ② 电击穿。又称本征击穿。电介质中存在的少量传导电子在强外电场加速下得到能量。若电子与点阵碰撞损失的能量小于电子在电场加速过程中所增加的能量，则电子继续被加速而积累起相当大的动能，足以在电介质内部产生碰撞电离，形成电子雪崩现象。结果电导急剧上升，最后导致击穿。1935年，A.R.希佩尔最先提出电子碰撞电离概念。后来，H.弗罗利希等人曾对击穿场强作过定量计算。开始击穿时电子所须具有的能量称为击穿判据。 在不完整或掺杂单晶和一些非晶态电介质中，缺陷和杂质形成的浅位阱束缚的电子所需激活能要比禁带宽度小很多。受外电场加速的传导电子更容易使这部分电子被激活参与导电而引起击穿。 电击穿的另一种机制是1934年C.曾讷提出来的内部冷发射模型。认为强外电场使能带发生倾斜。因而价带上的电子出现隧道效应。当场强为106V/cm数量级时,电子可通过隧道效应移动几百个原子的距离。在约10-12秒时间内导带就可以出现足够数量的电子而引起击穿。 此外，在强电场下金属电极中的自由电子也可以注入于电介质而参与导电，称为外部冷发射。 在研究碱族卤晶体的电击穿时，还提出了等离子体“电磁箍缩模型”。 ③ 化学击穿。电介质中强电场产生的电流在例如高温等某些条件下可以引起电化学反应。例如离子导电的固体电介质中出现的电解、还原等。结果电介质结构发生了变化，或者是分离出来的物质在两电极间构成导电的通路。或者是介质表面和内部的气泡中放电形成有害物质如臭氧、一氧化碳等，使气泡壁腐蚀造成局部电导增加而出现局部击穿，并逐渐扩展成完全击穿。温度越高，电压作用时间越长，化学形成的击穿也越容易发生。 以上各种击穿类型有时是某一种占主要，有时是几种原因的叠加。在击穿过程中也可出现不同类型的变化。研究电介质击穿有重要的科学意义和实用价值。它涉及材料的物质结构、杂质缺陷、能带结构、强场下的载流子输运过程、弛豫机制以及电子与声子、电子与电子间的相互作用等。在实用上，它关系到高电压输送与变换、高能粒子加速器、强激光与物质相互作用以及强场下半导体、电介质的大容量储能和大功率换能等。 参考书目 J.J.Odwyer,The Theory of Dielectric Breαkdownof Solids,Clarendon Press, Oxford, 1964. § 配图 § 相关连接 |
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