10---固体材料的介电特性
高电压技术：3.3 固体电介质的击穿
（2）热击穿的理论分析
– 电介质发热曲线1,2,3对应于电压U 1＞U 2＞U 3 – 直线4表示固体介质中最高温度大于周围环境温度t0时,散
出的热量Q与介质中最高温度tm的关系 – 曲线1: 发热永远大于散热,介质温度t不断升高,在U1下最终
发生热击穿. – 曲线3:
t≤ta时,不发生热击穿,介质温度升高最终稳定到ta,ta称为稳 定热平衡点; t>tb时,类似曲线1,发生热击穿; t=tb时,发热=散热,介质温度不上升,但是一旦稍有扰动,温度 升高,则介质升温直至热击穿,tb称为不稳定热平衡点; ta<t<tb,不发生热击穿,介质温度最终将稳定在ta. – 曲线2与直线4相切,U2为临界击穿电压,tk为临界击穿温度.
发生碰撞电离，破坏了固体介质的晶格结构，使电导增 大而导致击穿。
（2）、电击穿理论的分类
➢以碰撞电离开始作为击穿判据。称这类理论为碰撞电离理 论，或称本征电击穿理论。 ➢以碰撞电离开始后，电子数倍增到一定数值，足以破坏电 介质结构作为击穿判据。称这类理论为雪崩击穿理论。
5
• 本征击穿理论：在某一场强值内，电场作用下单位 时间内电子获得的能量和电子碰撞损失的能量平衡， 当场强增加到使平衡破坏时，碰撞电离过程便立即 发生
• 电子崩击穿理论：当上述平衡破坏后， 电子整体 上得到加速，与晶格产生碰撞电离，反复碰撞形成 电子崩，电场作用下给电子注入能量激增，导致介 质结构 破坏，称之为电子崩击穿理论
6
（3）特点：
a.击穿场强高（5—15MV/cm）； b.电压作用时间短，作用时间越短，击穿电压越高， b.电介质发热不显著，击穿电压与环境温度无关； c.电场均匀程度对击穿电压有显著影响。
22
• 表面漏电起痕与电蚀损
材料介电性能
材料介电性能
材料的介电性能是指材料在电场作用下的响应能力，是材料的一项重要物理性质。
介电性能的好坏直接影响着材料在电子器件、电力设备等领域的应用。
因此，研究和了解材料的介电性能对于材料科学和工程技术具有重要意义。
首先，介电常数是衡量材料介电性能的重要参数之一。
介电常数是指材料在外电场作用下的极化能力，它反映了材料对电场的响应程度。
介电常数越大，表示材料对外电场的响应能力越强，极化程度越高。
介电常数的大小直接影响着材料的绝缘性能和电容性能。
因此，提高材料的介电常数是提高材料介电性能的重要途径之一。
其次，介电损耗是另一个重要的介电性能指标。
介电损耗是指材料在电场作用下吸收和释放能量的能力。
介电损耗越小，表示材料对外电场的能量损耗越小，电能的传输和存储效率越高。
因此，降低材料的介电损耗是提高材料介电性能的关键之一。
此外，介电强度也是衡量材料介电性能的重要参数之一。
介电强度是指材料在外电场作用下的耐受能力，它反映了材料在电场作用下的抗击穿能力。
介电强度越大，表示材料在外电场作用下的耐受能力越强，抗击穿能力越高。
因此，提高材料的介电强度是提高材料介电性能的重要途径之一。
总之，材料的介电性能是材料科学和工程技术领域中的一个重要研究方向。
通过研究和了解材料的介电性能，可以为材料的设计、制备和应用提供重要的理论指导和技术支持。
希望通过不断的研究和探索，能够进一步提高材料的介电性能，推动材料科学和工程技术的发展。
第十章 材料功能特性
变时系统增加一个电子的自由能的增量，k为波尔兹曼常数。绝对零
度时f随E的变化如图10－2中的实线所示。
© meg/aol ‘02
由图可知，绝对零度时,若E＜EF, 则f =1；若E＞EF, 则f =0。绝对零度时， 凡能量小于费米能的所有能态，全部为电子所占据（f =1）。 电子按泡利原 理，由最低能量开始逐一填满EF以下的各个能级，而费米能则是绝对温度下
10.2 电性能
10．2．1电性能的表现描述 所谓材料的电性能就是它们对外电场的响应。我们从电导的表象 描述开始，然后论述电导的机制和材料的电子能带结构如何影响它的 电导能力。这些原理扩展到金属、半导体和绝缘体，注重是半导体的 特征，也涉及绝缘材料的介电性质。 固体材料最重要的电性能之一是容易传送电流。 欧姆定理把电流 与外加电压相连系： V=IR (10－2) 式中 R为电阻。V和I分别为外加电压和电流。电阻受样品形状影响， 而对于大多数材料而言，它独立于电流。电阻率是与样品几何形状无 关，但通过下式与电阻相关： ρ=RA/l (10－3)
功能材料的电、热、磁和光行为的表现描述、起因和影响因素。
© meg/aol ‘02
10.1 功能材料的物理基础概述
10.1. 能带理论
能带理论是目前研究固体中电子运动的一个主要理论基础。对固体而言，主要涉及能 带而不是每个原子中的能级。 1.单个原子中电子处在分离的能级（energy level)上，根据泡利不相容原理（Pauli exclusion principle)每个能级只含有二个电子； 例如，单原子的2s能级包含一个能级和2个电子；2p能级含有3个能级，共有6个电子。 2. 由N个原子组成的固体,泡利原理仍要求在固体中只有两个电子具有同样的能量。不同分 裂的电子能级集合形成能量连续的能带（energy band)，而且，每个能带中含有N个分 裂的能级和2N个电子。 例如：在固体中，2s能带含有N个分离的能级和2N个电子； 3个2p能带中含有3N能级和6N电子。该规律如图所示。
液体、固体电介质特性
直流电压下，绝缘等效为绝缘电阻，各层绝缘承受的电 压与其绝缘电阻成正比；【电气强度高、电导率小的材 料用在电场最强处】
交流和冲击电压下，绝缘等效为电容，各层绝缘承受的 电压与其电容成反比；【电气强度高、介电常数小的材 料用在电场最强处】
U
r1 r2
r0
12
E2
r
2
[
1
1
ln
U r1 r0
1
2
ln
r2 r1
]
优点：绝缘材料的利用率高
实现：电缆绝缘中用不同的绝缘纸。电缆纸的介电常数与密 度有关 ，密度大的纸（高）与低密度纸搭配使用多层分阶27。
2.5 电介质的老化
绝缘老化的成因
➢ 电老化——局部放电 ➢ 热老化——热作用下的氧化 ➢ 环境老化——污染性化学老化
U
(R1
R2
... Rn )I
(1
1
d1 S
1
2
d2 S
...
1
n
dn )I S
1 S
( d1
1
d2
2
...
dn )I
n
RI
I U R
U1
R1I
1
1
d1 S
I
d1
1S
U R
1
(
d1
1
Ud1 d2 ...
2
dn
n
)
E1
U1 d1
1
(
d1
1
U d2 ...
2
dn )
n
1
固体材料的结构与性能研究
固体材料的结构与性能研究固体材料是指具有坚实的物理结构和化学成分，能够保持形状和体积，并能够抵抗形变和变形的物体。
固体材料广泛应用于各行各业，例如建筑、机械制造、电子工程等领域。
理解固体材料的结构与性能对于材料研究和应用具有重要意义。
本文将介绍固体材料的结构与性能研究的相关内容。
一、固体材料的结构固体材料的结构通常由原子和分子组成。
原子具有正电荷的原子核和负电荷的电子壳层。
原子核内有质子和中子，而电子壳层中的电子数量与原子的元素相对应。
固体材料中的原子通过化学键形成分子或晶体。
分子由共价键或离子键相连的原子组成，而晶体是由原子、离子或分子组成的具有长程有序排列的结构。
固体材料的结构可以分为单晶体、多晶体和非晶体。
单晶体中的原子或分子具有长程有序排列的结构，具有清晰的表面和平滑的断面。
多晶体由许多结晶颗粒组成，晶粒与晶粒之间的晶界和晶界内的缺陷对材料的性质产生重要影响。
非晶体中的原子、离子或分子没有长程有序排列的结构。
相较于单晶体和多晶体，非晶体的晶体缺陷较小，但由于其结构的无序性，非晶体具有更高的熵和更大的内聚能。
二、固体材料的性能固体材料的性能主要由以下几个方面组成：力学性能、电学性能、光学性能和热学性能。
（1）力学性能力学性能主要指材料在受到外部力作用下的抗力和形变特性。
例如，固体材料的硬度、强度、韧性和弹性模量等。
固体材料的硬度主要指其对于外部压力或切割力的抗性。
固体材料的硬度可以通过Vickers硬度和洛氏硬度来进行测量。
固体材料的强度主要指其在承受拉伸、压缩、剪切和弯曲力时的抵抗力。
材料的强度可以通过拉伸试验、压缩试验和弯曲试验来测试。
固体材料的韧性主要指其在受到外部力作用下能够延展或变形的能力。
材料的韧性可以通过冲击试验来测试。
固体材料的弹性模量主要指其对于外部力作用下能够恢复原状的能力。
材料的弹性模量可以通过牛顿破坏法和声波法来测试。
（2）电学性能电学性能主要指固体材料在电场中的表现。
介电材料
5.4 云母
1.云母的分类 由于云母中所含的金属氧化物对其性能影响很大，因此， 常根据其中金属氧化物的种类进行分类。按此分类方法， 常见的云母被分为以下五类。 ①白云母：含钾的硅铝酸盐云母，亦称钾云母，其化学组 成为K2O· 2O3· 3A1 6SiO2· 2O。 2H ②钠云母：含钠的硅铝酸盐云母，其化学组成为： NaO· 2O3· 3A1 6SiO2· 2O。 2H ③金云母：含钾与镁的云母，亦称钾镁云母，又因其颜色 比白云母深暗、呈琥珀色（接近棕色）而也被称为琥珀 云母，其化学组成为K2O· 6MgO· 2O3· 3A1 6SiO2· 2O。 2H ④ 锂 云 母 ： 含 锂 的 云 母 ， 其 化 学 组 成 为 Li2O· 2FeO· 2O3· 2A1 6SiO2· 2O。 2H ⑤黑云母：含铁和镁的云母，其化学组成为 K2O· 6(Mg,Fe)O· 6SiO2· 2O。 2H
5.3 气体介电材料
对气体介质的基本要求如下：
（1）介电性能好，抗电强度高和击穿后能自行恢复；
（2）较高的化学稳定性、热稳定性和惰性，对于其他 材料不起腐蚀作用； （3）不燃、无毒和不老化； （4）导热良好、热容量大以及液化温度低、蒸气弹性 大、流动性好； （5）易制取、价格低廉。
5.4 云母
云母是一种天然矿产物，具体地说是一种碱金属的 含水铝硅酸盐，主要成分为Al2O3 和SiO2 ，此外还有 一定量的结晶水和某些杂质金属氧化物，如 Fe2O3、 TiO2 等。云母具有良好的解理性能(能沿解理面劈成 或剥成很薄、很柔软而富有弹性的薄片），同时还具 有良好的介电性能、机械性能、耐热和化学稳定性， 且不燃、防潮，因而是一种重要的传统电容器用介电 材料。
5.4 云母
在上述五类云母中，以白云母介电性能最为优越， 故在电容器制造上只用白云母作介质。白云母性能虽 然优越，但因其是天然无机材料，在基性岩石矿中含 量很低(－般只有1.5％~3％），开采与选矿均很困难， 故价格昂贵。随着电容器产量的迅速增长，对天然白 云母的需求量越来越大，供不应求的矛盾日渐突出， 因此，选择云母代用材料或制造人工优质云母材料， 是材料科学的重要研究课题。在介电性能方面，金云 母略逊于白云母，但比较耐热(可耐受900~1000℃）， 故也是一种比较优良的绝缘材料。电子工业中应用最 多的是白云母和金云母。
第二章 液体、固体介质的电气特性-华电科大版
（二）离子式极化 固体化合物大多数属离子式结构，如云母、陶瓷等。无外 电场时，各个离子对的偶极矩互相抵消，平均偶极矩为零。出 现外电场后正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩 不再为零，介质呈极化，这就是离子式极化或称离子位移极化 在离子间束缚较强的情况下离子的相对位移是有限的，没 有离开晶格，外电场消失后立即还原，所以它也属于弹性位移 极化，几乎不引起损耗。所需时间很短，约10-13 s，所以其εr 也几乎与外电场的频率无关。
Page 18
第三节
一、概述
固体介质的击穿
（1）气体、固体、液体三种电介质中，固体的密度最大，耐电强 度最高 空气的耐电强度一般在3~4kV/mm 液体的耐电强度一般在10~20kV/mm 固体的耐电强度一般在十几~几百kV/mm （2）固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一不可恢复的 绝缘，属非自恢复绝缘 （3）实验研究表明：固体介质击穿场强与电压作用时间有关外， 主要由介质本身的微观结构，几何形状，电场均匀化程度，外加 电压波形以及环境温度共同确定。因此，它不具备度量绝缘材料 的材料常数的意义，而只具有比较参考的意义。 （4）固体介质的击穿与电压作用时间有很大关系，并且随着电压 作用时间的不同，有电击穿、热击穿、电化学击穿三种不同的形 Page 19 式
Eb
1
电击穿 电化学击穿
2
3
（腐蚀击穿或 缺陷击穿）
热击穿Βιβλιοθήκη 10-610-3
1
10
3
10
6
10
9
t(s)
固体介质的击穿场强与电压作用时间的关系
Page 20
二、固体介质的击穿理论
（一）电击穿理论
固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质 破坏并丧失绝缘性能的现象。 纯电击穿理论 从绝缘材料内有自由移动的电子这一前提出发，在直流 电压作用下，来自固体介质阴极区的自由电子得到加速，在其 向阳极行进的途中发生多次碰撞，同时产生一些新的自由电子 ，这些二次电子又参与随后的电离过程，引起电子崩；而碰撞 产生的正离子，在到达阴极前形成正的空间电荷，它使至阴极 区的场强明显提高，碰撞电离越来越强，必将加速击穿过程
液体和固体电介质的绝缘性能
四、气体电介质的电导是由气体分子本身及气体中杂质离解出来 的带电粒子形成的，其值很小。
液体电介质的电导一种是由液体本身的分子和杂质的分子离解 的带电粒子形成的离子电导，另一种是由液体中胶体质点吸附电 荷后变成带电质点构成的电泳电导。
为10-6—10-2Ω·m
一、试验电路
二、等值电路
§2.2电介质的电导
1、由电源对电介质等效电容 充电建立电场及快速无损极化 形成的电流ic称为几何电容电 流。由于其是纯容性的，所以 可以用一个电容C0来等值。
2、由慢速有损极化形成的电流ia 称为吸收电流。由于是由极化形 成的，可以等值出电容Ca，1电介质的极化
• 在两电极间加入厚度与极间距
相同的固体电介质重新完成试
验。发现极板上的电量增加了
-+
Q’，Q=Q0+Q’。问Q’这些电量
-+
是如何来的呢？
解释：来源于固体电介质的极化。 固体介质内部形成一个极性与外 加电压方向相反的附加电场，为 保持两极板间电压不变，电源需 要再提供Q’这些电量来平衡附加 电场。在电场的作用下，电介质 相对电极两面呈现电性的现象称 为极化。
特点： 1）速度慢； 2）非弹性的； 3）消耗能量。
§2.1电介质的极化
• 极化可以归纳为空间电荷的弹性位移或转向及电荷的重新分配； 也可以归纳为快速的无损极化和慢速的有损极化。
• 研究极化的意义： • 1、选择制造电容的绝缘材料时，一方面注意材料的绝缘强度，另
一方面希望介电常数要大； • 2、在交流及冲击电压作用下，多层串联电介质中的场强分布与介
半导体及其本征特征
Ei
q
能带向下弯， 静电势增加
方程的形式1
2x, t
s 0
方程的形式2
E
1
s0
s
x dx
电荷 密度
(x)
可动的 －载流子（n,p) 固定的 －电离的施主、受主
q
N
D
N
A
p
n
特例：
均匀Si中， 无外加偏压 时，
方程RHS＝0，
静电势为常 数
电流连续方程
可动载流 子的守恒
电子：
J p,diff
qDp
dp dx
爱因斯坦关系:
D kT
q
过剩载流子的扩散和复合 过剩载流子的扩散过程
扩散长度Ln和Lp: L=(D)1/2
过剩载流子的复合机制： 直接复合、间接复合、 表面复合、俄歇复合
描述半导体器件工作的基本方程
泊松方程
高斯定律
描述半导体中静电势的变化规律
静电势由本征费米能级 Ei的变化决定
pi
表示，显然 ni = pi 。
4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生
又
不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运
动
会达到平衡，载流子的浓度就一定了。
5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升 高，基本按指数规律增加。
3. 半导体的能带 (价带、导带和带隙)
➢量子态和能级 ➢固体的能带结构
如 磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子
型 半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中 的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个 电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电 子。
固体材料的电子结构与物理性质
固体材料的电子结构与物理性质在我们日常生活中，与固体材料相互作用的机会非常多。
从我们所用的电子设备，到我们穿戴的衣物和建筑物，固体材料无处不在。
固体材料的电子结构是决定其物理性质的基础，深入了解它们之间的关系对于材料科学的发展至关重要。
一、电子结构与导电性固体材料的导电性直接与其电子结构有关。
导电性可以分为金属导电和非金属导电。
金属导电的现象可以通过自由电子理论解释。
金属中的原子形成了一个巨大的晶体结构，而金属的导电性是由于晶体中存在大量自由电子。
这些自由电子来自于金属原子中的价电子，它们能够自由地在晶体中穿行，从而形成电流。
而非金属导电则与材料中能带结构有关。
材料的能带结构决定着原子之间的电子能量分布方式。
能带可以分为价带和导带。
当材料的价带与导带重叠时，电子能够在能带之间跳跃，产生导电行为。
半导体便是一个典型的非金属导电材料，当在半导体上施加适当的能量时，其价带与导带之间的能隙可以被光子或热能克服，电子得以跃迁，从而导电。
二、电子结构与光学性质固体材料的光学性质与其电子结构息息相关。
固体材料的透明性是由材料的电子结构中的能带间隙决定的。
如果材料的能带间隙大于光的能量，光就无法通过材料，并被吸收。
这种材料常被用于制作太阳能电池板、电视屏幕等。
相反，如果材料的能带间隙小于光的能量，光就可以穿透材料，从而使材料呈现出透明的性质，如玻璃。
光电效应也是光学性质的一个重要方面。
通过外界光的照射，材料中的电子能够被激发并跃迁到导带中。
这种现象常常被应用于光电器件的制造，例如太阳能电池、光敏电阻等。
三、电子结构与热学性质固体材料的热学性质也与其电子结构密切相关。
热传导性是固体材料的一个重要物理性质，它决定了材料在温度梯度下的热量传输能力。
热能的传导主要发生在固体材料中的晶格中。
材料中的原子通过晶格振动将热量传递给周围的原子。
电子结构中的能带与带隙对热导率有重要影响。
在导电材料中，自由电子能够带走大量热能，从而导致较高的热导率。
材料物理材料介电性能
材料物理材料介电性能材料物理是研究物质的结构、性质和行为的学科领域。
材料的介电性能是指材料对电场的响应能力，包括介电常数、介电损耗、电容率等电学参数。
这些参数直接影响着材料在电子器件、能源存储和传输等领域的应用。
首先，介电常数是介电性能的重要参数之一、它描述了材料在电场作用下的极化能力。
介电常数大的材料意味着材料在电场作用下更容易极化，从而使得材料可以存储更多的电荷。
一些常见的高介电常数材料包括铁电体和铁电薄膜。
这些材料在电子器件中被广泛应用，例如电容器和存储器件。
其次，介电损耗是材料介电性能的另一个关键参数。
它描述了材料在电场作用下吸收能量的能力。
也就是说，当电场作用下，部分电能会被转化为热能而损耗掉。
介电损耗大的材料会导致电能的浪费，从而降低电子器件的效率。
因此，在设计和选择材料时，介电损耗的降低是一个重要的考虑因素。
最后，电容率是衡量材料存储能量的指标。
它与介电常数和材料的体积有关。
当介电常数和电容率高时，材料可以存储更多的电荷，从而提高电容器的性能。
这对于能源存储和传输领域尤为重要，例如电动车的电池和太阳能电池的电容器。
除了介电常数、介电损耗和电容率之外，还有其他一些介电性能的重要参数。
例如，介电强度是指材料可以承受的最大电场强度。
当电场强度超过介电强度时，材料会发生击穿现象。
因此，了解材料的介电强度可以帮助我们设计更可靠和安全的电子器件。
总之，材料的介电性能对于电子器件、能源存储和传输等领域的应用至关重要。
通过研究和了解材料的介电常数、介电损耗、电容率和介电强度等参数，我们可以优化材料的性能，提高电子器件的效率和可靠性。
对于未来的材料科学和工程领域的发展，介电性能的研究和探索仍然是一个重要的方向。
介电常数单位
介电常数单位表面张力是衡量固体表面对电荷的排斥能力的物理量。
它是电介质材料的重要特性之一，反映了电介质表面吸引电荷的能力。
而介电常数是介电系数与频率之比，即：ε =表面张力/介电系数。
这个物理量在半导体材料的表征中发挥着非常重要的作用。
在本文中，我将详细介绍它在材料领域内的主要应用。
一、固体介电常数二、固体的极化与电容。
三、固体的表面效应与击穿。
N是基本单位，不同的单位有不同的数值，它们之间的换算关系如下： 1MA·m=10^6 N·mV·cm。
电介质材料的电导率和介电常数通常都以西格玛（σ）或西门子（η）作为测量单位，但在实际应用中并不常用西格玛（σ）或西门子（η）。
N=1/(μΩ·cm·K)，μ=10^3－ 10^6，Ω=10^6－ 10^9Ω，Ω/μ=10^4， N/Ω=10^5。
这就是所谓的高斯定律。
固体的电导率很高，远高于金属，所以在电介质中不需要考虑内部的自由电子，所以导电性能好；同时由于绝缘膜中的自由电荷是完全自由的，没有约束，所以电阻也小。
正是因为电介质中存在自由电子，加上绝缘膜的作用，使得电介质呈现电中性。
，每隔1nm2就有10^6个自由电子。
分别占空气中电子总数的5×10^5/g和2×10^5/g，可见电介质中的自由电荷数目相当巨大，但又远比其他固体少，因此，电介质的电阻率非常小，几乎为零。
电介质能够使电场穿过而不改变电场方向，但当温度上升到足以使电子和空穴从介质逸出而形成自由电荷的条件下，就会在固体内形成自由电流，这时就会产生宏观的静电现象。
在某些情况下，电介质还具有半导体的特性。
在高温下，电介质将转变为半导体。
根据热平衡条件，电介质由半导体变为绝缘体时必须失去一部分电子，所以温度越高，失去的电子数越多，在晶体内部形成空穴，这种现象称为固体的导电性随温度的变化。
导电性随温度的变化规律称为介电常数的温度特性。
传输反射法测量固体复介质材料介电常数
国内统一刊号CN31-1424／TB0 引言随着电子元器件向微型化、集成化、高频化方向发展，越来越多的介质材料需要用复介电常数、复磁导率、复损耗角正切等微波特性参数来表征其性能。
微波工程中最常用的介质材料有聚四氟乙烯、云母、玻璃、塑料以及各种金属氧化物，介质材料已被广泛运用在微波电路、介质基片、同轴线中的绝缘支撑结构、介质天线中。
介质材料在微波器件、隐身技术、电磁测量、遥感测量、医疗卫生等领域发挥着越来越重要的作用，并已成为国内高端计量机构研究的热点之一。
随着微波技术、隐身技术的发展，介质材料的复介电常数、复磁导率、复损耗角正切参数的准确与否，直接影响到微波器件性能和电磁参数分析的准确程度。
因此，近年来介质材料的介电谱和磁谱越来越受到业内关注。
介质材料在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中被明确列为“新一代信息功能材料及器件”优先主题以及被列入基础研究领域中重点研究的新材料结构、性能表征新原理。
随着5G 技术的应用，介质材料的复介电常数性能成为表征高频高速材料微波特性的重要参数之一。
1 国内外同类研究现状分析国内外研究机构在固体介质材料的复介电常数的测量方法有传输/反射法、谐振腔法、自由空间法、平行电极法、拱形法等。
其中，传输/反射传输/反射法测量固体复介质材料介电常数蔡青1 赵锐2 陈超婵1 / 1.上海市计量测试技术研究院；2.中电科仪器仪表有限公司摘 要 介绍/传输反射法测量固体介质材料复介电常数等关键技术难点，通过建立固体介质材料的介电谱和磁谱测量装置，开展复介电常数、复磁导率、复损耗角正切测量技术研究，在30 M Hz ~ 18 GHz 采用空气线同轴传输的方法、在18 ~ 50 GHz 采用三段波导传输的方法，实现了30 M Hz ~ 50 GHz 全频段固体介质材料电磁参数的测试能力，提出了复介电常数、复磁导率、复损耗角正切测量的数学模型，编制了材料测试软件，实现了同轴和波导的全频段测量。
材料的介电性能
外电场作用下，负离子和正离子相对于它们的正常位置发
生位移，形成一个感生偶极矩。
➢ ①反应时间为10-13S
➢ ②可逆;
➢ ③温度升高，极化增强；
➢ ④产生于离子结构电介质中
离子位移极化率：
a
a3 4
n1
0
式中：a为晶格常数；n为电子层斥力指数， 对于离子晶体n
为7-11
（3）驰豫极化
外加电场作用于弱束缚荷电粒子造成，与带 电质点的热运动密切相关。热运动使这些质点 分布混乱，而电场使它们有序分布，平衡时建 立了极化状态。为非可逆过程。
损耗角正切的倒数Q就表示电介质的品质因数，希望它的值高。
（3）频率的影响
εr，tgδ，p与ω的关系
• 在 m下，损耗角正切值达最大值，即可得
m
1
rs
（2）温度的影响
εr、tgδ、P与T的关系
（3）湿度的影响
介质吸潮后，介电常数会增加，但比电导的增 加要慢，由于电导损耗增大以及松驰极化损耗 增加，而使tgδ增大。 对于极性电介质或多孔材料来说，这种影响特 别突出，如，纸内水分含量从4％增加到10％ 时，其tgδ可增加100倍。
离子转向极原子种类和键合类型空间电荷极化面缺陷22极化形式极化的电介质种类极化的频率范围与温度的关能量消耗电子位移极一切陶瓷直流光离子结构直流红温度升高极化增强很弱离子松弛极离子不紧密的材料直流超高频随温度变化有极大值电子位移松弛极化高价金属氧直流超高频随温度变化有极大值转向极化有机直流超高频随温度变化有极大值结构不均匀的材料直流高随温度升高而减小23613宏观极化强度和微观极化率的关系1有效电场
在物理阻碍：晶界，相界， 自由表面，缺陷等处，自由电 荷积聚就可形成空间电荷极化。 在夹层、气泡处形成的称为界 面极化。
材料的介电性能
材料的介电性能材料的介电性能是指材料在电场作用下的响应能力，也是材料在电子学、光学和电子器件中的重要性能之一。
介电性能的好坏直接影响着材料的电学性能和应用效果。
因此，对材料的介电性能进行深入研究和分析，对材料的性能优化和应用具有重要意义。
首先，介电常数是描述材料介电性能的重要参数之一。
介电常数是材料在外电场作用下的响应能力的量度，它反映了材料对外电场的极化程度。
介电常数越大，表示材料在外电场下的极化程度越强，介电性能越好。
常见的介电常数高的材料包括氧化铝、二氧化钛等。
而低介电常数的材料如聚乙烯、聚四氟乙烯等。
介电常数的大小直接影响着材料的电容、介电损耗和介电强度等性能。
其次，介电损耗是描述材料介电性能的另一个重要参数。
介电损耗是指材料在外电场作用下产生的能量损耗。
介电损耗主要包括导致材料内部分子、离子、电子等极化运动所产生的摩擦损耗和材料内部电导率引起的能量损耗。
介电损耗的大小直接影响着材料在高频电场下的性能表现，也是影响材料在微波、雷达等领域应用的重要因素。
此外，介电强度也是评价材料介电性能的重要指标之一。
介电强度是指材料在外电场作用下能够承受的最大电场强度。
介电强度越大，表示材料在外电场下的绝缘性能越好，能够承受更大的电场强度而不发生击穿。
介电强度的大小直接关系着材料在电气设备、电力系统等领域的安全可靠性。
综上所述，材料的介电性能是材料科学和电子工程领域的重要研究内容之一。
介电常数、介电损耗和介电强度是评价材料介电性能的重要指标，直接影响着材料的电学性能和应用效果。
因此，对材料的介电性能进行深入研究和分析，对材料的性能优化和应用具有重要意义。
希望本文能够对材料的介电性能有所了解，并为相关研究和应用提供一定的参考价值。
介电常数和禁带宽度
介电常数和禁带宽度1.引言1.1 概述概述部分的内容:介电常数和禁带宽度是固体材料性质中的两个重要概念。
介电常数描述了材料在外电场作用下的响应能力，它反映了材料的极化能力和电容性质。
禁带宽度则是固体材料中电子能级的能量区域，这个区域内电子是禁止存在的，因此也被称为能带间隙。
禁带宽度的大小决定了材料的导电性质和光学性能。
介电常数和禁带宽度是材料科学和电子工程领域中的重要研究对象，对于设计和开发新材料、电子器件和光学器件都具有重要意义。
了解介电常数和禁带宽度的定义、特征和影响因素，可以帮助我们深入理解材料的性质，并为材料的应用提供科学依据。
本文将首先介绍介电常数的定义和意义，包括极化能力和电容性质的解释，以及介电常数的测量方法和单位。
接着，将探讨影响介电常数的因素，包括材料的化学成分、结晶结构和温度等。
然后，将重点介绍禁带宽度的定义和特征，包括导带和价带的区别，以及禁带宽度与材料的导电性质和光学性能的关系。
最后，将总结介电常数和禁带宽度之间的关系，并展望未来的研究方向。
通过对介电常数和禁带宽度的深入研究，我们可以更好地理解材料的电子结构和性质，为材料的设计合成和应用提供理论基础。
同时，这也有助于我们探索新的材料和器件，开展前沿科学研究，推动材料科学和电子工程领域的发展。
1.2 文章结构文章结构部分的内容包括对整篇文章的主要内容和章节分布进行简要介绍。
在这篇文章中，主题是介电常数和禁带宽度。
文章的结构可按照以下方式进行安排：1. 引言部分：介绍文章的背景和引入介电常数和禁带宽度的概念。
2. 正文部分：这是文章的核心部分，主要分为两个小节：2.1 介电常数：首先讨论介电常数的定义和意义，接着探讨影响介电常数的因素。
2.2 禁带宽度：首先介绍禁带宽度的定义和特征，然后探讨影响禁带宽度的因素。
3. 结论部分：总结介电常数和禁带宽度的关系，并提出未来的研究方向。
通过这样的章节分布，读者可以清晰地了解文章的内容结构和逻辑顺序，从而更好地理解介电常数和禁带宽度的相关知识。
固体材料的电磁特性
固体材料的电磁特性电磁特性是指物质对电磁场的响应能力，它涉及到材料的电导率、介电常数、磁导率等物理量。
固体材料的电磁特性对于诸多领域，如电子器件、通信技术、能源传输等具有重要意义。
在本文中，我们将探讨固体材料的电导率、介电常数和磁导率对它们的电磁特性的影响。
电导率是固体材料导电能力的度量，其大小与材料内电子的自由度有关。
导电性强的材料具有较高的电导率，而对于导电性较差或绝缘性的材料，电导率较低。
例如，金属常常具有很高的电导率，因为金属中的自由电子能够在电场作用下流动；而绝缘体的电导率非常低，因为绝缘体中几乎没有自由电子可供导电。
导电率的大小直接影响着材料的电阻和电流传输的效率。
介电常数是固体材料对电场的响应程度的度量，它描述了材料在电场中的极化程度。
介电常数大的材料在电场中会产生更强的极化效应。
对于介质而言，介电常数通常是一个复数，包括实部和虚部。
实部表示介质的电容性，虚部描述了材料对电磁波的吸收程度。
对于电子器件中的电介质材料来说，介电常数的大小直接影响着其在电场中的性能。
例如，高介电常数的材料可以用于制造电容器，而在高频通信中，较低介电常数的材料可以减少信号的衰减。
磁导率是固体材料对磁场的响应程度的度量，类似于介电常数，它也包括实部和虚部。
磁导率大的材料对磁场的响应更强，而磁导率小的材料对磁场的响应较弱。
在磁性材料中，磁导率与磁化强度密切相关。
磁导率的大小对于电磁器件的设计和性能具有重要的影响。
例如在电感元件中，材料的磁导率决定了电感的大小和电流的传输效果。
除了上述三个主要的电磁特性外，其他一些特性也对固体材料的电磁性能有一定的影响。
比如漏电现象，它指的是电子在材料中发生散射和跃迁过程中的电流损耗，导致电磁波在材料中传输效果不佳。
除了影响材料的导电性能外，漏电现象还会导致信号的衰减和能量的损失。
此外，晶体结构的排列和磁矩的分布也会影响固体材料的电磁特性。
总的来说，固体材料的电磁特性是由其电导率、介电常数和磁导率等因素共同决定的。
固体绝缘材料
固体绝缘材料
固体绝缘材料是一种能够阻止电流通过的材料，它在电力系统和电子设备中起
着至关重要的作用。
固体绝缘材料通常用于包裹电线、绝缘电子元件和保护电气设备，以确保电路的安全运行。
本文将介绍固体绝缘材料的种类、特性和应用领域。
首先，固体绝缘材料可以分为有机和无机两大类。
有机固体绝缘材料通常是基
于聚合物的材料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。
这些材料具有良好的柔韧性和绝缘性能，适用于一般的电气设备和电线绝缘。
而无机固体绝缘材料则包括玻璃、瓷器、陶瓷等材料，它们具有更高的耐热性和耐电压性能，适用于高温、高压的电气设备中。
其次，固体绝缘材料的特性包括绝缘性能、耐热性、耐电压性能和机械强度。
绝缘性能是固体绝缘材料最基本的特性，它决定了材料能否有效地隔离电流。
耐热性和耐电压性能则决定了材料能否在高温、高压环境下长期稳定运行。
而机械强度则决定了材料能否承受外部力的作用而不破损。
最后，固体绝缘材料在电力系统和电子设备中有着广泛的应用。
在电力系统中，固体绝缘材料被用于绝缘电线、绝缘子、断路器等设备中，以确保电力传输的安全稳定。
在电子设备中，固体绝缘材料被用于绝缘电子元件、电路板、绝缘层等部件中，以确保电子设备的安全可靠运行。
总之，固体绝缘材料是电力系统和电子设备中不可或缺的重要材料。
它的种类
繁多，特性各异，应用领域广泛。
在未来，随着科技的不断发展，固体绝缘材料将会不断地得到改进和应用，为电力系统和电子设备的发展提供更加可靠的保障。
硅的介电常数
硅的介电常数简介介电常数是衡量物质对电场的响应能力的物理量。
在固体材料中，介电常数通常与物质的电子极化能力相关。
本文将重点讨论硅材料的介电常数。
硅的物理性质硅是一种非金属元素，属于碳族元素。
它是地壳中丰富的材料之一，具有很高的化学稳定性和热稳定性。
硅是半导体材料中最常用的一种，广泛应用于电子技术领域。
硅的晶体结构是面心立方结构，每个硅原子周围都有四个邻近的硅原子。
硅原子的电子排布为1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2，其中2s和2p电子是外层电子，参与了化学反应和电子传导。
硅的介电常数硅作为一种半导体材料，具有较高的介电常数。
介电常数是测量物质对电场响应程度的量，可以表示为ε。
硅的介电常数通常在静态和动态的情况下进行测量。
静态介电常数硅在静态情况下的介电常数通常称为静电介电常数，表示为εs。
硅的静态介电常数约为11.68。
这意味着硅对电场的响应程度相对较高。
动态介电常数硅在高频情况下的介电常数通常称为动态介电常数，表示为εr。
硅的动态介电常数通常在频率范围内进行测量，因为介电常数随频率的变化而变化。
硅的动态介电常数随频率的增加而减小。
在频率较低时，硅的动态介电常数约为11.9。
然而，随着频率的增加，硅的动态介电常数逐渐降低，在高频情况下可以降至约3.9。
影响硅介电常数的因素硅的介电常数受多种因素影响。
以下是几个重要的因素：结构硅的结构对其介电常数起着重要作用。
硅晶体的面心立方结构和硅原子之间的化学键强度决定了硅的极化能力和介电常数。
温度温度是影响硅介电常数的因素之一。
随着温度的升高，硅的介电常数通常会减小。
这是因为在较高温度下，硅晶体的电子极化能力会受到影响。
杂质杂质是另一个影响硅介电常数的重要因素。
硅材料中的杂质可以改变硅的电子极化能力，从而影响其介电常数。
应用硅的高介电常数使其在电子技术领域具有广泛应用。
电子器件硅在半导体器件中广泛应用。
硅基晶体管和集成电路是现代电子设备的基本组成部分。
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不导电，但能产生特殊效应……
在电介质材料中离子处于确定的格位， 即使在电场的作用下，离子也不能发生明 显的长程迁移，它们是不导电的。 但是在电场中，材料中的正负电荷可 以偏离原来的位置，产生电偶极矩，从而 表现出一系列特殊的物理性质。
电介质性质传递方式
1) 固体的导电性质表现在它是用电子或离 子的移动方式传递电的作用和影响。而介电 性质则表现出它通过感应的方式来传递电作 用和影响。 2) 电介质与静电场的作用，其特点有些方 面与导体相似，有的地方不同，甚至是有着 根本的差别。
– 孤立导体：空间只有一个导体，在其附近没有其它导 体和带电体 – 物理意义：使导体每升高单位电势所需的电量 – 定义: C=Q/U
例：一个带电导体球的电容，设球半径为Ｒ，带电 q。
q U 4oR
q C 4oR U
地球半径： R=6.4106m
C 700 106F 700 F
卤族元素与碱金属元素形成的晶体没有固有电偶极矩， 但是由于在电场的作用下，离子间的相对位置发生变化可 以导致极化。如NaCl在电场中，Na和Cl的反向位移导致离 子位移极化。同时象具有电偶极矩HCl分子，不光其方向 性影响极化，而且H与Cl原子间的距离变大也可以导致电 偶极矩的变化。另外象CCl4类型的分子虽然不具有电偶极 矩，但是如果结合键的角度发生变化，也会产生一定的电 偶极矩。
电介质对电场的影响
介质球放入前电场为一均匀场
介质球放入后电力线发生弯曲
靠近球的外部空间，上下区域，合场 强减弱；左右区域，合场强增强。
6. 电介质陶瓷
电介质材料绝大多数是陶瓷材料，这 样的陶瓷材料也称为电介质陶瓷。我们以 前想到的绝缘体物质，往往只想到它们在 绝缘方面的应用，如电瓷柱、电瓷片、半 导体底板等。但是现在由于介电性能的研 究和开发，电介质陶瓷的应用得到了很大 发展。
其振动频率可表示为
其中 ωp 为体等离子体激元的频率, εm 为周围材料的介电常数, N 为价电 子浓度, e 为电子电量, m 为电子有效质量, ε(ω)为金属材料的介电常数。
影响因素:电子密度，有效电子质量，电荷分布的形状和大小。
SPR性能表征---UV-vis吸收光谱
不同形貌的Ag纳米颗粒具有不同的等离子体共振峰
位移极化
E0
NaCl链上的离子排列和极化
3.偶极子取向极化
(dipolar Orientation polarization)
a. 由具有永久电偶极矩的（例如有机分子, H2O HCl CO SO2）在外场中的取向变化所引起的。 b. 偶极矩取向极化率在固体中一般不存在，因为此 时分子无法自由转动。但是固体电介质中总有缺陷， 在外电场的作用下，带电缺陷从一个位置跳跃到另 外一个位置，其效果与分子电偶极矩随外电场的转 动相同。 取向极化
4. 极化强度---描述极化强弱的物理量 电偶极子排列的有序 程度反映了介质被极化的 程度，排列愈有序说明极 化愈烈。
定义 P lim
C 单位
V
宏观上无限小微观 上无限大的体积元V
pi
i
V 0
V
pi qi li
每个分子的电偶极矩
SI
m
2
2 量纲 P L TI
什么是电容？
有电动势的地方，就会有电荷分布。但是同一电动势加 到不同形状的物质上时在其上边分布的电荷的多少是不一样 的，如球、棒、平板等形状，就如同不同形状的容器装水似 的，起容量不一样。衡量电极上分布的电荷多少与电位的关 系的量就是电容。
Q C
单位： 1 F 1 C/V
U
1 F 106 μF 1012 pF
电介质分子对电场的影响 1)无电场时
热运动---紊乱
有极分子
电中性
无极分子
2) 有电场时 电介质分子的极化
有极分子介质
取向极化
均匀
－ － － ＋ ＋ ＋
E
无极分子介质 位移极化 均匀
－ － － ＋ ＋ ＋
E
结论：极化的总效果是介质边缘出现电荷分布！
极化电荷与电极化强度
极化电荷 polarization charge or bound charge 在外电场中，均匀介质内部各处仍呈电中性，但在 介质表面要出现电荷，这种电荷不能离开电介质到 其它带电体，也不能在电介质内部自由移动。 称它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 . 在外电场中,出现束缚 电荷的现象叫做电介质 的极化。
①无极分子（Nonpolar molecule） 在无外场作用下整个分子无电偶极矩。 例如，CO2 H2 N2 O2 He ②有极分子（Polar molecule） 在无外场作用下存在固有电偶极矩 例如，H2O HCl CO SO2 因无序排列对外不呈现电性。
电子云的 正电中心
极化的微观图象
固体中微观的原子、离子的极化率(Polarizability) 产生的机制主要有三种： 1. 电子极化(induced polarization) 2. 离子位移极化(ionic deviation) 3. 偶极子的取向极化(dipolar polarization)
一、电介质的极化
在绝缘材料中加入电场，如图所示，会在两 端产生被束缚的电荷，并在内部形成电偶极矩。
具有偶极子的原子或 分子很多聚集在一起， 沿着电场的方向排列， 从而在绝缘体的表面 产生了电荷的分布。
这种现象称为电介质的极化。极化导致表面 产生电荷分布是电介质材料的特点。
电介质及其分子
1) 电介质：是由大量电中性的分子组成的绝缘体。 紧束缚的正负电荷在外场中要发生变化。 2) 电介质的分子：
2012年11月27日星期二
材料物理第十讲
固体材料的介电特性
北京大学 李星国
导体静电感应
interaction of electrostatic field with conductor
导体静电平衡
静电平衡条件
表面等离子体共振
---Surface Plasmon Resonance
在金属电子论中，金属中的自由电子可以用自由电子气模型来表示：即价电子是 完全共有化的，构成金属中导电的自由电子，离子实与价电子的相互作用完全被忽略， 而且自由电子被视为毫无相互作用的理想气体，为了保持金属的电中性，可以设想将 离子实的正电荷散布于整个体积之中，和自由电子的负电荷正好中和，正是由于这种 自由电子气模型和常规等离子体相似，所以叫做金属中的等离子体。等离子体在热平 衡时是准电中性的，若等离子体内部受到某种扰动而使其一些区域电荷密度不为零， 就会产生强的静电恢复力，使等离子体内的电荷分布发生振荡，这就是等离子体振荡。 这种振荡主要是电场和等离子体流运动相互制约而形成的，所以当电磁波作用于等离 子体时，就会使等离子体发生振荡，而当电磁波的频率和等离子体振荡频率相同时， 就会产生共振。每一种金属材料都会有它固有的等离子振荡频率，当光照射到金属纳 米粒子上时，光与金属之间会有相互作用，当照射光的频率与金属的振荡频率相等时， 就会产生共振，这就叫做金属中的等离子共振。如果激发只局限在金属表面区域，就 叫做表面等离子体共振。
b) 分布电容
任何导体间均存在电容，如导线之间、人体 与仪器之间——分布电容,一般分布电容很小， 可以忽略 尽管电容器与 q、U无关，但实际上，电容器对 加在两极上的电压仍有限制，原因是因为过高 电压下，电容器两极间的介质有可能被击穿。
电容器指标：电容值；耐压
不同湿度下各种操作时的人体电位
电介质陶瓷
目前主要有铁电介质陶瓷、高频介质陶 瓷、半导体介质陶瓷、反铁电介质陶瓷、 微波介质陶瓷和独石结构介质陶瓷等。 电介质陶瓷尤其是在电容器的制造方面得 到了广泛的应用。陶瓷电容器可以分为高 频电路中使用的陶瓷电容器，低频电路中 使用的电容器和汽车、电子计算机等电路 中使用的小型半导体陶瓷电容等三类。
例题 2 ：求一均匀极化的电介质球上极化电荷的分 布，已知极化强度为 P 。
取球心 O 为原点，极轴与 P 平行的球坐标系。由于轴对 称性，表面上任意一点 A的极化电荷密度 σe只与θ角有 关。这θ也是A点外法线与极化强度矢量的夹角，所以
e P cos
这公式表明：在右半球σe为正，左半球σe为负； 在两半球的分解线(赤道线)上θ＝π/2，σe=0； 在两极处θ＝0和π时，σe最大，等于P。
E0
所以电介质的电偶极矩（电荷与电荷 间的距离之积）总和为:
p pe p0 pi
pe: 电子极化，po:离子位移极化，pi:偶极子取向极化
1) 在非均匀电介质中还有不同相的交界面上的电 荷堆集所引起的界面极化率。 2) 在不同的固体和不同频率的外加电场中，对极 化率机制会有所不同， 3) 介电常数是所有这些极化率机制的综合反映。
1.电子极化(electronic polarization) 电子极化率又称原子极化率(atomic polarizability)，是指在外电场的作用下，由 电子云的电荷中心相对于原子核的位移所引 起的极化，见图。这种极化建立或消除的时 间极短，约为10-15～10-极化(Ionic displacement polarization)
相对湿度 人体电位 （KV） 操作 在地板/合成纤维地毯上走动 （10-20)﹪ 35 (65-90) ﹪ 1.5
在聚乙稀地面上行走 从工作椅上站起
在工作台上操作 从印刷电路上拉下胶带
12 18
6 12
0.25 1.5
0.1 1.5
印刷电路板薄膜包装 用像皮清洁电路
16 12
3 1
c) 平行板电容器
传导型的表面等离子体共振（Propagating Surface Plasmon Resonance,PSPR）， 与金属膜表面介质的介电常数相关； 局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR）与纳米 粒子的材料、形状、尺寸、粒子之间的距离、以及微环境的介电常数密切相关。