Dissado-Hill模型在电介质介电响应分析中的应用
低介电片状FeNi_吸波剂的山嵛酸辅助制备及其织构行为
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包 装 工 程第45卷 第1期 ·262·PACKAGING ENGINEERING 2024年1月收稿日期:2023-07-18基金项目:国家自然科学基金(52071239) 低介电片状FeNi 吸波剂的山嵛酸辅助制备及其织构行为王睿a ,王峰a ,徐逸凡b ,官建国a,b ,陈志宏c*(武汉理工大学 a.材料复合新技术国家重点实验室 b.材料科学与工程国际化示范学院c.理学院,武汉 430070)摘要:目的 在吸波剂表面化学吸附一层绝缘小分子,制备低介电常数且耐腐蚀的低频吸波剂。
方法 通过机械化学处理活化合金粒子表面,增强山嵛酸与合金粒子间形成的化学吸附,从而制备具有低介电常数、光滑表面、高晶粒取向度和耐腐蚀的片状Fe 50Ni 50@山嵛酸吸波剂。
结果 形成的山嵛酸包覆层可调控球磨过程中粉体间的冷焊效应和粉体受到的外界载荷,诱导Fe 50Ni 50粉体沿{111}晶面的滑移,促使粉体内形成{001}面织构。
同时,绝缘且疏水的山嵛酸包覆层可阻碍粉体间导电网络的形成,降低片状Fe 50Ni 50吸波剂的介电常数,使粉体兼具低介电常数、高磁导率和耐腐蚀能力。
结论 Fe 50Ni 50@山嵛酸吸波剂粒子展现出良好的低频吸波性能和耐腐蚀能力,为发展兼具优良耐环境性能和低频强吸收能力的新型吸波材料提供了一种思路。
关键词:电磁吸波材料;机械化学改性;脂肪酸;低频;耐腐蚀中图分类号:TB34 文献标志码:A 文章编号:1001-3563(2024)01-0262-11 DOI :10.19554/ki.1001-3563.2024.01.031Behenic Acid-assisted Preparation of Low Permittivity Flaky FeNiAbsorbent and Its Texture BehaviorWANG Rui a , WANG Feng a , XU Yifan b , GUAN Jianguo a,b , CHEN Zhihong c*(a. State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, b. International School of Materials Science and Engineering, c. School of Science, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China) ABSTRACT: The work aims to chemically adsorb a layer of small insulating molecules on the surface of microwave absorbent to prepare a low frequency wave absorbent of low permittivity and high corrosion resistance. The particle surface of alloywas treated by mechano-chemical ball milling to enhance the chemical adsorption between behenic acid and the absorbent, so as to prepare a flaky Fe 50Ni 50@behenic acid composite absorbent with low permittivity, smooth surface, high grain orientation and corrosion resistance. The behenic acid coating could regulate the cold-welding effect among powder, induce the slipping of Fe 50Ni 50 powder along the {111} crystal planes, and promote the formation of {001} texture in the powder. At the same time, the insulated and hydrophobic behenic acid coating could prevent the formation of conductive network among powder and reduce the permittivity of flaky Fe 50Ni 50. Thus, the powder had low permittivity, high permeability and corrosion resistance. In conclusion, Fe 50Ni 50@behenic acid wave absorbent particles show good low frequency wave absorption and corrosion resistance, which provides a new idea for developing new wave absorbing materials with excellent environmental resistance and strong low frequency wave absorption ability.KEY WORDS: electromagnetic absorbing material; mechano-chemical modification; fatty acid; low frequency;corrosion resistance第45卷第1期王睿,等:低介电片状FeNi吸波剂的山嵛酸辅助制备及其织构行为·263·近年来,随着雷达探测技术的发展,低频耐环境吸波材料变得越来越重要[1-3]。
电介质物理及其应用-极化和介损部分
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3.介质极化的宏观参数—介电常数
电介质的介电常数(εr)是描述电介质极化的宏观参数.
r
D
解: P cos
00
P
900 0
1800 P
0E
D、E——分别为电介质中电感应强度、宏观电场强度 介电常数的意义:用平板电容器为例进行说明
极化前
极化后
Dx = qEi / k
q Ei a Ei k
2
x
4 0 a 3 Ei Ze
a
Ei
qx
e 4 0 a 3
q2 k
e Zex 4 0 a 3 Ei
异性离子的相互作用势能为:
u x q2 b 4 0 x 4 0 x n
n 1 q 解得: k 3
4 0 a
∴离子极化率为: a E
、
i
q 2 4 0 a 3 k n 1
偶极分子位能大小:
u ql E 0 Ei 0 Ei cos
离子中心距离a可以认为是正、负离子的半径之和
a
4 0 r r n 1
α—极化率,单位是Fm2,
P Nμ i N E i
Cm Cm F m2 V/m V
2
所以极化强度P又可表示为:
P 0 r 1 E N Ei
⑤夹层(界面)极化 说明:在实际介质中,往往是多种机化并存!
r 1
N E i (克劳休斯Clausius 方程) 0E
建立时间约为10-12~10-13s,当交变电场的 特点: 频率f<红外光频率时,离子极化来得及建立。
低孔渗泥质砂岩有效介质三水导电模型的应用
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的混合 迭代 算 法 , 试算 结果表 明其 收敛 。通 过岩 心 实验 , 出了微 孔 隙水和 粘土 水饱和 度确 定方 法 给 以及 渗 滤指数 和渗 滤速 率值 。利 用该模 型 处理 了实际井 资料 , 将处 理结果 与试 油结果 进行 对 比 , 并
表 明本 文建 立的模 型 可提 高大庆扶 杨低 孔渗 泥质砂 岩储 层评 价精 度 , 满足 油 田勘探 开发 的需要 。
和度( w和总含水饱 和度 ( 。 s) S)
, :
粘 士 束 缚 水
微 孔 隙 水
可动 水
的方
图 1 孔 渗 泥 质砂 岩 有 效介 质 三 水导 电模型 的体 积模 型 低
可计算 有效含水 饱
颗粒 体 积 分 数 ,
小 小 、 分别 代 表 低 孔
妒
渗泥质 砂岩储层 的微孔 隙水孔 隙度 、粘 土束缚水 孔
效 果 。大庆 长垣南 部扶 杨低 孔渗储 层 富含伊 利石 粘
但到 目 前为止 , 还没有建立描述粘土水、 微孔 隙水和 可 动水导 电的有 效介 质 电阻率模 型 。 因此 , 本文针 对 大庆扶杨低孔渗泥质砂岩储层存在着粘土水、微孔 隙水、 可动水三个不同导电网络的特点 , 建立了能够 同时描述 粘土 水导 电、微 孔 隙水导 电及 可动水导 电 的低孔渗 泥质 砂岩 有效介 质 三水导 电模 型 ,对有 效 介 质三水 导 电模型 含油饱 和度 求解 方法 和方程各 参 数 的确定 方法 进行 了研究 ,并应用 于大庆 扶杨低 孔
摘
要 : 对 大庆扶 杨低 孔渗 泥质 砂 岩储层 微 孔 隙发 育 、 针 束缚 水饱 和度 大、 土 附加 导 电作 用强 的 粘 特点, 于三水概念和有效介质对称各向异性导电理论, 基 建立了低孔渗泥质砂岩有效介质三水导电 模型。 通过研 究模 型 求解含 水饱和 度方 法 , 明模 型 导 出的关 于可动水 孔 隙度 函数 在零 至有 效孔 隙 表 度 区间 内存 在 一 个局 部极 小值 , 该极 小值 点对应 的孔 隙度 随骨 架渗 滤指 数 、 孔 隙水渗 滤指 数 、 且 微 骨架渗滤速率、 微孔 隙渗滤速率及其他参数的变化 而变化 , 为保证迭代收敛 , 采用牛顿和二分结合
钛酸钡基压电-芬顿体系降解水中卡马西平的效果及机理研究
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钛酸钡基压电-芬顿体系降解水中卡马西平的效果及机理研究钛酸钡基压电-芬顿体系降解水中卡马西平的效果及机理研究引言:水污染是当前全球面临的一个严重问题,其中药物残留污染成为了一个备受关注的领域。
卡马西平作为一种广泛使用的药物,在人类和动物的废水中被广泛检测到。
因此,开发高效的降解方法,去除水中的卡马西平,具有极其重要的意义。
在本研究中,我们探讨了钛酸钡基压电-芬顿体系在水中降解卡马西平的效果及机理。
材料与方法:实验中所使用的钛酸钡纳米颗粒是经过水热法制备而成,具有较大的比表面积和优良的压电性能。
在实验中,我们首先通过紫外-可见光谱(UV-vis)来监测卡马西平的降解情况。
进一步,为了探究卡马西平的降解机理,我们运用电荷转移率(CTR)和自由基产生率(FR)等方法进行深入研究。
结果与讨论:实验结果显示,钛酸钡基压电-芬顿体系能够高效降解水中的卡马西平。
在含有钛酸钡纳米颗粒的体系中,经过60分钟处理后,卡马西平的降解率可达到90%以上。
而对照组中,没有钛酸钡纳米颗粒的体系中,降解率只有20%左右。
从实验结果来看,钛酸钡纳米颗粒在卡马西平的降解中具有显著的催化作用。
进一步的研究表明,钛酸钡纳米颗粒能够通过压电效应产生机械应变,进而促进芬顿反应的进行。
芬顿反应是指过氧化氢与金属离子之间产生的自由基氧化反应,可以高效降解有机物污染物。
而压电效应产生的机械应变可以增加溶液中的扩散速率、提高氧的溶解度,并扩大反应界面。
这些因素共同作用能够提高芬顿反应的效果,并提高卡马西平的降解速率。
结论:综上所述,本研究针对钛酸钡基压电-芬顿体系在水中降解卡马西平的效果及机理进行了深入研究。
实验结果表明,钛酸钡纳米颗粒具有显著的催化作用,能够高效降解卡马西平。
进一步研究发现,钛酸钡纳米颗粒通过压电效应产生的机械应变能够促进芬顿反应的进行,从而提高卡马西平的降解速率。
这一研究结果对于开发高效的水处理方法,去除药物残留污染具有重要的意义。
聚合物的结构与介电性能
![聚合物的结构与介电性能](https://img.taocdn.com/s3/m/ade3355a6fdb6f1aff00bed5b9f3f90f77c64d48.png)
电导率分析
随着BaTiO3含量 ,电导率 随着频率 ,电导率
➢ 填料的加入,增加了陶瓷-聚合 物界面区域,而界面区域的电 导率大于单相本身的电导率
不同BaTiO3含量对BaTiO3-Epoxy 复合材料 的电导率随频率的变化
介电损耗分析
★随着BaTiO3含量 ,介电损耗 但是在体积含量低30 vol% 时, 介电损耗小
赵春宝,绝缘材料,2010:33
降低聚合物材料介电常数的方法
③生成纳米微孔材料
采用物理发泡制备微孔PI,当孔洞 含鼠为4 0 % 时, IP 的介电常数可 降至1. 7 , 同时膜的物理化学性能 变化不大。
Berned, Adv Mater,2002:1041
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tanδ*104
<2 2 2-3
<3
1-3 5 6-8 9 2-30 20 30 40 80
聚合物名称
环氧树脂 硅橡胶 氯化聚醚
聚酰亚胺
聚氯乙烯 聚氨酯 ABS树脂 氯丁橡胶 尼龙6 尼龙66 PMMA 酚醛树脂 硝化纤维素
tanδ*104
20-100 40-100
100
40-150
70-200 150-200 40-300
介电常数 聚氯乙烯
聚酰胺
玻璃态 3.5 4.0
高弹态 15 5.0
2.频率与温度
εs
ε’
ε”
ε∞
log ω
tanδ
2.频率与温度
在研究尼龙 610 的介电性能的过程中发现,在100Hz时,介 电常数和损耗因子随温度增加而迅速增大;而在1MHz 时,介 电常数随温度变大而变大的趋势减弱,损耗因子随温度增大 先增大后减小。[1]
镁掺杂钛酸锶铅钡薄膜的介电调谐性能研究
![镁掺杂钛酸锶铅钡薄膜的介电调谐性能研究](https://img.taocdn.com/s3/m/1508c7b6b1717fd5360cba1aa8114431b80d8e5f.png)
镁掺杂钛酸锶铅钡薄膜的介电调谐性能研究杨英;孙小华;李修能;侯爽【摘要】采用Sol-Gel法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备出未掺杂和掺杂Mg的(Ba0.5Sr0.5)0.85Pb0.15-TiO3薄膜.采用XRD、SEM和Agilent 4294A精密阻抗分析仪研究了Mg掺杂量对薄膜的结晶性,表面形貌和介电性能的影响.结果表明:随着Mg掺杂量的增加,PBST薄膜的介电常数减小,介电损耗降低,介电调谐量先减少后增加.当Mg掺杂量为0.8mol%时,PBST薄膜具有最大的优值因子.%(Ba0.5Sr0.5)0.85 Pb0.15 TiO3 thin films doped by x(Mg)=0~0. 8 mol% were fabricated by Sol-Gel method on Pt/Ti/SiO2/Si. The effect of Mg doping on the crystallization, structure and dielectric properties of PBST thin films were investigated by XRD, SEM, Agilent 4294A precision impedance analyzer. The results show that the dielectric constant and dielectric loss decreased with increasing amounts of Mg dopants but the tunability were dropped first and risen then. The Mg-doped PBST thin film's figure of merit show maximum value with the optimal x(Mg)=0. 8%.【期刊名称】《三峡大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2012(034)006【总页数】4页(P89-92)【关键词】钛酸锶铅钡;镁掺杂;溶胶凝胶;介电性能【作者】杨英;孙小华;李修能;侯爽【作者单位】三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002【正文语种】中文【中图分类】O646铁电材料是集铁电、压电、热释电、电光、光折变和非线形光学等性能于一体的多功能材料[1].由于其性质的优越性,铁电薄膜可广泛应用于微电子学、集成光学、微机械等诸多领域[2].SrTiO3,PbTiO3,Ba-TiO3,BST和PST是铁电材料中典型的代表.由于晶体结构相似,BaTiO3,SrTiO3和PbTiO3等铁电体的性能也相似,Ba2+,Sr2+,Pb2+的半径相差不大,所以3者间可以替代形成固溶体且晶体结构不发生大的畸变[3].所以通过溶胶凝胶不仅可以制备BST和PST薄膜,还可以制备PBST薄膜.BST和PST的研究都已经取得了相当大的进展,但国内外对PBST薄膜的研究较少.研究发现少量掺杂剂可以显著地改变铁电薄膜的介电性能.一些可以占据ABO3钙钛矿结构的B位并且充当电子受主的掺杂剂(如 Mg2+、Ni 2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、Co2+、Co3+、Al 3+、Cr3+和 Bi 3+)已经被用来降低薄膜的介质损耗[4-7].Mg2+由于具有和 Ti 4+相近的离子半径,且价位比Ti 4+的价位要低,所以在掺杂时将取代钙钛矿(ABO3)结构的B位并充当电子受主掺杂剂[8-9].本文采用Sol-Gel工艺制备了Mg掺杂的PBST薄膜,研究了Mg掺杂PBST的晶体结构,测试了PBST薄膜的介电性能,并分析了Mg掺杂量对薄膜介电调谐性能的影响及其机理.1 实验1.1 前驱体的制备采用分析纯钛酸丁酯Ti(C4H9O)4,分析纯乙酸钡C4H6BaO4,分析纯乙酸铅C4H6PbO4·3H2O,分析纯乙酸锶Sr(CH3CO2)·1/2H2O为原料,分析纯冰乙酸C2H4O2和分析纯乙二醇甲醚C3H8O2为溶剂,分析纯乙酸镁Mg(CH3CO2)2·4H2O为掺杂剂,Mg掺杂量x=0,2mol%,6mol%和8mol%,配制溶胶前驱体.首先,按照(Ba0.5Sr0.5)0.85Pb0.15TiO3 公式的组分比例称取纯乙酸铅、乙酸锶和乙酸钡,溶于热的冰乙酸和水中,并搅拌一段时间至全部溶化;然后加入钛酸四丁酯和乙二醇甲醚的混合液,最后加入甲酰胺和乙二醇,置于磁力搅拌器上搅拌30min形成均匀、稳定、透明的淡黄色PBST前驱体溶液,过滤后置于棕色试剂瓶中保存.1.2 薄膜的制备在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上匀胶,匀胶速率为低速下1 000r/min,时间为3s;高速下4 000r/min,时间为30s.制备的湿膜在100℃下烘干10min,然后在管式炉中空气环境下400℃预退火10min,以去除薄膜中残留的有机杂质,最后在750℃下退火使薄膜结晶,获得晶化的Mg掺杂PBST薄膜样品.1.3 PBST薄膜的表征和介电性能测试用X射线衍射仪(BSX3200)测定PBST薄膜的物相结构,用扫描电镜(JSM7500F型)对薄膜的微观结构进行分析,采用磁控溅射(JGP-560)在薄膜的表面镀上金电极构成金属-绝缘体-金属(MIM)电容器测试模型,用高介电性能测试仪(Agilent 4294A精密阻抗分析仪)测试薄膜样品的介电性能.2 结果与讨论2.1 Mg掺杂PBST粉体的物相分析图1为 Mg掺杂PBST(Mg的含量分别为0,2%mol,6%mol,8%mol)粉体经700℃热处理后的XRD图谱.从图中可以看出,Mg掺杂PBST薄膜具有明显的钙钛矿特征峰,表明薄膜是钙钛矿结构.除了钙钛矿的衍射峰外,没有其它杂峰出现,说明PBST是单一的钙钛矿相结构,没有第二相出现,表明Mg2+的掺杂未改变PBST的物相,Mg2+是以取代的方式存在于钙钛矿晶格中.从图1可以看出,Mg掺杂PBST薄膜的衍射峰强度随Mg掺杂含量的增加呈现下降的趋势,但变化的幅度很小.图1 Mg掺杂PBST粉体XRD图谱2.2 Mg掺杂PBST薄膜的扫描电镜分析微观结构,表面形貌和晶粒尺寸等是决定介电性能的重要因素.图2显示了Mg掺杂PBST薄膜的扫描电镜图.从图2可以看出,随着Mg掺杂含量的增加,薄膜材料的致密度增加.图a、b和c中存在较多的孔隙,图d中几乎没孔隙,可以估测Mg掺杂量为8mol%的PBST薄膜的性能是最好的.另外,所有Mg掺杂PBST薄膜均晶化良好,晶粒大小分布均匀.图3为图2(d)的放大图,可以看出细小的晶粒组成了大的颗粒,且相对更致密.2.3 Mg掺杂PBST薄膜的介电性能分析图4是Mg掺杂PBST薄膜的介电常数和介电损耗随频率的变化图谱,从图上可以看出,纯的PBST薄膜和Mg掺杂量为2mol%的PBST薄膜的介电常数随频率变化呈轻微的下降趋势,但变化幅度很小,Mg掺杂量为6mol%和8mol%的PBST薄膜的介电常数随频率几乎不变.对于介电损耗而言,纯的PBST薄膜的介电损耗随着频率的增加先增大后减小,Mg掺杂量为2mol%,6mol%和8mol%的PBST薄膜的介电损耗随频率先减小而后几乎不变.图4 Mg掺杂PBST薄膜的介电常数和介电损耗随频率的变化图谱为了表明Mg含量与介电常数及介电损耗的关系,给出了室温下1MHz时Mg掺杂PBST薄膜的介电常数和介电损耗与Mg含量的关系图,如图5所示.从图5可以看出,PBST薄膜的介电常数和介电损耗都随Mg含量的增加而下降.图5 1MHz下Mg掺杂PBST薄膜的介电常数和介电损耗随Mg掺杂量的变化曲线PBST薄膜介电常数显著降低被认为是与薄膜的极化减弱有关[9-11].另外,还可能与PBST薄膜的居里温度的降低有关.居里温度越低,室温介电常数越小.对于BST基材料体系,Mg掺杂或者MgO添加物都能降低BST材料的居里温度.介电损耗的降低可能是受主掺杂,微观形貌和居里温度降低等多方面作用的结果.如图2所示,随着Mg掺杂含量的增加,PBST薄膜更加致密,孔隙越来越少,因而降低了介电损耗.另一方面,受主掺杂能抵消氧空位,从而阻止Ti 4+还原回Ti 3+,从理论上能有效的降低介电损耗.另外,对于众多的铁电材料,其居里温度降低,介温谱上的损耗峰也向低温移动,室温介电损耗往往表现为损耗降低.图6是Mg掺杂PBST薄膜的介电常数和介电损耗在室温、1MHz下随偏压的变化谱.从图6可以看出,随着Mg含量的增加,PBST的介电常数和介电损耗随偏压的增大而非线性的降低,且曲线的对称性很好,表明在测试温度(室温)下PBST薄膜处于顺电相.图6 Mg掺杂PBST薄膜的介电常数和介电损耗随电场的变化曲线图7为Mg掺杂PBST薄膜的调谐量图谱.从图上可以看出,纯的PBST薄膜的调谐量是最大的,Mg掺杂量为2mol%和8mol%的PBST薄膜的调谐量几乎相等,Mg掺杂量为6mol%的PBST薄膜的调谐量最小.图7 Mg掺杂PBST薄膜的调谐量图谱图8表示的是Mg掺杂PBST薄膜的调谐量、介电损耗和优值因子.从图上可以看出,随着Mg掺杂量的增加,PBST薄膜的调谐量先减小再增大,PBST薄膜的介电损耗减小,PBST薄膜的优质因子增大,当Mg掺杂量为8mol%时,PBST薄膜的综合性能是最好的.图8 Mg掺杂PBST薄膜的调谐量、介电损耗和优值因子3 结论利用溶胶凝胶法成功制备了(Ba0.5Sr0.5)0.85-Pb0.15TiO3薄膜,Mg掺杂没有改变PBST的晶相结构,Mg以取代的形式固溶在PBST的晶格中.随着Mg掺杂量的增加,Mg掺杂PBST薄膜的介电常数和介电损耗均减小.在1MHz下,随Mg含量的增加,Mg掺杂PBST薄膜的调谐量先增大后减小,优值因子(FOM)增大,当 Mg掺杂量为8mol%时,PBST薄膜的综合性能是最好的.参考文献:[1]邹隽,孙小华,徐小飞,等.K掺杂PST薄膜的制备与介电调谐性能[J].三峡大学学报:自然科学版,2009,31(4):76-79.[2]刘远良.Sol-Gel法高介电调谐PST薄膜的制备与研究[D].杭州:浙江大学,2004.[3]隋帅.Sol-Gel法 Mg掺杂PST薄膜的制备与介电性能研究[D].杭州:浙江大学,2005.[4] Joshi P C,Cole M W.Mg-doped Ba0.6Sr0.4TiO3Thin Films for Tunable Microwave Applications [J].Appl Phys Lett,2000,77(2):289-291.[5] Radhapiyari L,James A R,Thakur Q P,et al.Structural and Dielectric Properties of Fe-substituted BST Thin Films Grown by Laser ablation[J].Mate Sci Eng,2005,B117:5-9.[6] Wang S Y,Cheng B L,Wang Can,et al.Reduction of LeakageCurrent by Co Doping in Pt/Ba0.5Sr0.5TiO3/Nb-SrTiO3capacitor [J].Appl Phys Lett,2004,84(20):4116-4118.[7] Kim K T,Kim C II.The Effect of Cr Doping on the Microstructural and Dielectric Properties of (Ba0.6Sr0.4 )TiO3thin films[J].Thin Solid Films,2005,472:26-30.[8]李敏睿.Mg掺杂PST陶瓷及薄膜的制备与性能研究.硕士学位论文[D].杭州:浙江大学,2006.[9]程鹏.MgO掺杂BST微波铁电材料的结构和介电性能研究[D].武汉:武汉理工大学,2007.[10]章天金,顾豪爽,刘江华.Mg掺杂对Ba0.6Sr0.4TiO3 薄膜介电性能的影响[J].哈尔滨理工大学学报,2002,7(6):51-52,59.[11]孙小华,周生刚,李修能,等.Mg掺杂 Ba(Zr0.25Ti0.75)O3薄膜的介电调谐性能[J].三峡大学学报:自然科学版,2010,32(4):91-94.。
介电陶瓷/NiZn铁氧体互扩散行为的第一性原理研究
![介电陶瓷/NiZn铁氧体互扩散行为的第一性原理研究](https://img.taocdn.com/s3/m/3827855c773231126edb6f1aff00bed5b8f3736c.png)
第38卷 第4期 2023年12月 西 南 科 技 大 学 学 报 JournalofSouthwestUniversityofScienceandTechnology Vol.38No.4 Dec.2023DOI:10.20036/j.cnki.1671 8755.2023.04.007收稿日期:2023-02-27;修回日期:2023-05-16作者简介:第一作者,张凯(1997—),男,硕士研究生;通信作者,毕鹏(1985—),博士,讲师,研究方向为计算材料学,E mail:bipeng010@swust.edu.cn介电陶瓷/NiZn铁氧体互扩散行为的第一性原理研究张 凯1 郭子康1 刘振涛1 毕 鹏2(1.西南科技大学材料与化学学院 四川绵阳 621010;2.西南科技大学数理学院 四川绵阳 621010)摘要:针对介电陶瓷/NiZn铁氧体异质复合材料的低温共烧陶瓷体系,建立掺杂结构模型,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算并结合CI-NEB方法研究阳离子互扩散机制。
结果表明:铁氧体中的Ni,Zn,Fe离子主要取代介电陶瓷MgTiO3和CaTiO3体系中的Ti位,迁移势垒1.0~5.5eV;对于介电陶瓷Mg和Ca倾向于占据NiZnFe4O8中Zn位点,Ti则倾向于取代Fe位,迁移势垒0.6~1.0eV。
对于该材料体系,典型共烧工艺条件下Ca,Mg扩散进入NiZn铁氧体距离400~1000μm。
关键词:介电陶瓷/铁氧体共烧体系 掺杂 互扩散 第一性原理中图分类号:TQ174.1 文献标志码:A 文章编号:1671-8755(2023)04-0045-09First principlesStudyofDiffusionBehaviorbetweenDielectricCeramicsandNiZn ferriteZHANGKai1,GUOZikang1,LIUZhentao1,BIPeng2(1.SchoolofMaterialsandChemistry,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,Sichuan,China;2.SchoolofScience,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,Sichuan,China)Abstract:Forthelowtemperatureco firedceramicsystemofthedielectricceramicandNiZn-ferrite,thedopingmodelisestablished,andthecationmutualdiffusionmechanismisstudiedbyusingthefirst principlescalculationbasedontheDFTandCI-NEBmethod.TheresultsshowthatNi,ZnandFeinferritemainlyreplacetheTiinthedielectricceramicMgTiO3andCaTiO3,andthemigrationbarrieris1.0-5.5eV;Fordielectricceramics,MgandCatendtooccupytheZnsiteinNiZnFe4O8,whileTitendstoreplacetheFesite,andthemigrationbarrieris0.6-1.0eV.Forthismaterialsystem,undertypicalco firingprocessconditions,CaandMgdiffuseintoNiZnferriteatadistance400-1000μm.Keywords:Dielectricceramic/ferriteco firingsystem;Doping;Mutualdiffusion;First principles 伴随5G时代的到来,电子器件在片式小型化的同时朝着高性能、多功能、高可靠的方向发展。
高压SiC器件封装用有机硅弹性体高温宽频介电特性分析
![高压SiC器件封装用有机硅弹性体高温宽频介电特性分析](https://img.taocdn.com/s3/m/86dbea519a6648d7c1c708a1284ac850ad020411.png)
第 36 卷Biblioteka 12 期刘东明等 高压 SiC 器件封装用有机硅弹性体高温宽频介电特性分析
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revealed, the method of distinguishing low-frequency dispersion process from relaxation polarization process was improved, and an improved Cole-Cole model was introduced. Finally, the influence of temperature on the dielectric response process and dielectric characteristic parameters of organic silicone elastomers was obtained. The results show that with the increase of frequency, the real part of the complex dielectric constant decreases and tends to be stable, while the imaginary part of the complex dielectric constant decreases first and then rises to the peak value. Temperature and frequency have great influence on the dielectric properties of the organic silicone elastomer. Under the condition of high temperature and low frequency, the organic silicone elastomer material has obvious phenomena of low frequency dispersion and charge diffusion. The characteristic parameters of Cole-Cole model at different temperatures are extracted. The relationship of the DC conductivity σdc, the relaxation intensity Δε and the low frequency dispersion strength ξ with temperature satisfies the Arrhenius equation law. The high frequency dielectric constant ε∞ shows an approximate first-order function relationship with temperature and decreases with the increase of temperature; the relaxation time τ decreases with the increase of temperature at high temperature, and its mechanism can be revealed by the double well model. The characteristic parameters obtained in this paper provide data support for insulating design of SiC device package.
介电响应分析中温度归一化获得标准曲线的方法、意义及应用
![介电响应分析中温度归一化获得标准曲线的方法、意义及应用](https://img.taocdn.com/s3/m/10d554dd89eb172dec63b71f.png)
KEY WORDS: dielectric response; temperature normalization method; master curve; susceptibility; HTV silicone rubber; Quasi-dc
摘要:温度是影响电介质介电响应的重要外界因素。将不同 温度条件下测量获得的介电响应曲线平移而形成相互重叠的 介电响应曲线的方法即温度归一化方法,所获得的重叠的介 电响应曲线即为标准曲线(master curve)。为获得正确的标准 曲线,需要在双对数坐标中对极化率的实部和虚部同时进行 温度归一化平移、并记录平移的移动轨迹(即参考点的移动轨 迹)。参考点的移动轨迹即反映了温度对于介电响应的影响。 标准曲线可以扩展所测介电响应的频率范围、增加数据点的 密集程度,消除试验中的偶然误差,提高试验结果的准确性。 标准曲线可以用于判断测量的介电响应是否是由单一的弛豫 过程构成、判断电介质的微观结构是否随着温度的变化而变 化、获得介电响应的温度特性等。通过温度归一化平移获得 重合的标准曲线并非必然结果,在由温度特性不一致的多弛 豫过程组成的介电响应中或在电介质微观结构发生变化的温 度范围内,是无法获得重合的标准曲线的。该文以测量高电 压外绝缘领域常用的高温硫化硅橡胶的介电响应为例,详细 说明了温度归一化方法在介电响应分析中的应用。
Debye 模型和基于 Debye 模型的经验模型 (Cole-Cole 模型,Davidson-Cole 模型,HavriliakNegami 模型)可以应用于分析偶极子主导的弛豫峰 型介电响应过程,其特征是在介电损耗中有弛豫峰 的存在[22]。对于由载流子主导的介电响应过程而 言,其介电损耗中没有弛豫峰的出现[23],且随着频 率的降低,极化率的实部与虚部持续增加,即低频 弥散现象[23]。Debye 模型和基于 Debye 模型的经验 模型无法分析低频弥散现象。低频弥散现象常常被 误认为是直流电导[24],或者被误认为是 MaxwellWagner 极化现象[14](即使用一系列 R-C 等效电路的 方式来解释低频弥散现象,需要特别说明的是,这 种使用一系列 R-C 等效电路的方式来分析低频弥 散现象并不能反映低频弥散过程的物理本质,只能 对低频弥散的测量结果进行数学拟合意义上的“分 析”)。
同轴圆柱介质阻挡放电半周不对称等效负载模型
![同轴圆柱介质阻挡放电半周不对称等效负载模型](https://img.taocdn.com/s3/m/6356a0f5de80d4d8d15a4ff8.png)
介质阻挡放电渊阅蚤藻造藻糟贼则蚤糟 月葬则则蚤藻则 阅蚤泽糟澡葬则早藻袁阅月阅冤是一种 在两个放电电极之间袁一侧或两侧极板上附有绝缘介质袁通过施 以交流或脉冲等电流电压而产生的放电形式咱员暂遥 目前 阅月阅 放电 已被广泛应用于材料表面处理尧废气尧废水处理等工业领域中咱圆原源暂遥 设计一个合适的 阅月阅 驱动电源袁对于提升材料处理效果尧降低 功耗有很大的作用袁而准确地建立一个 阅月阅 等效负载模型对于 驱动电源设计尧环路控制袁将有重要的意义咱缘原远暂遥
同轴圆柱反应器可用于处理废水尧废气等袁其常用形式是仅
有单侧具有绝缘介质的咱圆原源暂遥 它们的 阅月阅 处理效果在很大程度 上受驱动电源影响袁 对此类负载进行精确建模能够根据计算出 的放电时间袁设计放电电流波形袁进而获得更优的 阅月阅 处理效 果 遥 咱员远袁员愿暂 能够得到更准确的电路仿真结果袁用于电源功率环节设 计尧控制尧保护等场合遥 而目前人们提出的等效负载模型都不能 够准确反映袁并计入同轴圆柱反应器不对称结构带来的偏差袁因 此考虑其不对称因素并精确建模有很大的意义遥
摘要院同轴圆柱反应器常用于发生介质阻挡放电遥 实验表明在大气环境的放电中袁仅单侧电极有介质的同轴圆柱反应 器袁放电特性不同于两侧电极都有介质的反应器遥 前者正反半周放电机理不同袁等效电气参数区别很大袁不能再用传统的非 线性箝位模型作为其等效负载模型遥 针对此类反应器袁提出一种新的半周不对称分段等效模型袁并给出了基于李萨如图形 的模型参数计算方法袁使之能更精确地描述此类介质阻挡放电反应器的电气特性遥
本文利用断续谐振电压源袁 进行了大气压短气隙不锈钢电 极同轴圆柱反应器的放电实验袁 提出一种新的不对称分段等效 模型袁能够适应较宽功率范围的计算要求袁给出了基于李萨如图 形的模型参数计算方法袁使之能更精确地描述此类 阅月阅 反应器 的电气特性遥 员 等效模型电半周不对称等效负载模型
交变电场作用下,电介质的极化响应方式
![交变电场作用下,电介质的极化响应方式](https://img.taocdn.com/s3/m/b1aed029ae1ffc4ffe4733687e21af45b307fe88.png)
交变电场作用下,电介质的极化响应方式一、引言在电磁学中,电介质是一种能够被电场极化的材料,它在外加电场的作用下会产生极化现象,从而影响整个电场的分布和性质。
在交变电场的作用下,电介质的极化响应方式表现出多样性和复杂性,不仅涉及到电介质材料的性质,还与交变电场的频率、强度等因素密切相关。
本文将深入探讨交变电场作用下,电介质的极化响应方式,以期帮助读者更全面地理解这一现象。
二、电介质的极化响应方式1. 电介质极化的基本原理电介质在外加电场作用下,内部的正、负电荷将会发生重新排列,从而使得电介质整体上表现出极化的现象。
这种极化现象的基本原理是在交变电场的作用下仍然成立的,只不过在交变电场下,极化响应会呈现出更多的特性和变化。
2. 电介质的弛豫现象在交变电场的作用下,电介质的极化响应将会面临弛豫现象。
弛豫时间是电介质极化响应的一个重要参数,它决定了电介质在交变电场下的极化行为。
不同类型的电介质会表现出不同的弛豫时间,进而影响其在交变电场下的极化响应方式。
3. 电介质的频率响应另外,交变电场的频率也会直接影响电介质的极化响应方式。
对于不同频率的交变电场,电介质的极化响应表现出不同的特性。
在低频下,电介质可以完全跟随外加电场的变化;而在高频下,电介质极化的响应可能会显著滞后于外加电场的变化。
三、探讨交变电场作用下的电介质极化响应1. 不同类型电介质的极化行为对比针对交变电场作用下的电介质极化响应,我们可以分别讨论一些典型的电介质材料,比如晶体型电介质和非晶体型电介质等,探讨它们在不同频率和强度的交变电场下的极化响应方式,并对比它们之间的异同。
2. 交变电场频率对于电介质极化响应的影响我们也可以深入探讨交变电场频率对于电介质极化响应的影响。
通过理论分析和实验结果,可以进一步揭示不同频率下电介质极化响应的特性,并探讨这种特性背后的物理机制。
3. 电介质极化的应用前景我们还可以展望电介质极化响应的应用前景。
可以探讨电介质极化在电子器件、传感器、储能装置等领域的潜在应用,并探讨其在实际工程中的重要作用和意义。
三水传导模型在低电阻率储层解释中的应用
![三水传导模型在低电阻率储层解释中的应用](https://img.taocdn.com/s3/m/e790136ab5daa58da0116c175f0e7cd1842518a9.png)
三水传导模型在低电阻率储层解释中的应用1. 引言低电阻率储层一直是油气勘探中的难点之一。
传统的电阻率解释方法在低电阻率储层中效果不佳,因此需要引入更先进的解释模型。
三水传导模型作为一种新型的解释方法,近年来受到了广泛关注和应用。
本文将从深度和广度的角度探讨三水传导模型在低电阻率储层解释中的应用,并进行全面评估。
2. 低电阻率储层的特点低电阻率储层通常指的是岩石孔隙度高、孔隙介质中水含量多的储层。
这类储层在地震、电测等勘探方法中显示出较低的电阻率,给储层解释带来了困难。
传统的电阻率解释方法往往会低估储层的有效孔隙度和流体含量,因此需要更准确的解释模型来处理低电阻率储层的特点。
3. 三水传导模型简介三水传导模型是一种新型的储层解释方法,它考虑了储层中含水、含油和含气三种流体的存在,在描述储层孔隙结构和电性响应时更加准确。
该模型在地震、电测和测井数据解释中表现出较好的适用性,尤其在低电阻率储层的解释中有独特的优势。
4. 三水传导模型在低电阻率储层解释中的应用在低电阻率储层的解释中,三水传导模型能够更准确地识别出储层中的含水、含油和含气分布,有效提高了对储层的描述和评价水平。
通过对地震反射数据的处理,可以借助三水传导模型来识别低电阻率储层的位置和范围,为后续的钻探和开发提供重要的参考依据。
在测井数据的解释中,三水传导模型也能够更加准确地计算出储层的有效孔隙度和流体含量,为储层评价和开发决策提供支持。
5. 个人观点和理解三水传导模型作为一种新型的储层解释方法,对低电阻率储层的解释具有重要意义。
在实际应用中,我认为需要结合地质、地球物理和工程地质等多学科知识,综合分析和解释三水传导模型的结果,以确保解释结果的准确性和可靠性。
对于储层解释人员来说,需要不断提升对三水传导模型的理解和应用能力,积累实际案例和经验,以提高对低电阻率储层的识别和评价水平。
6. 总结与回顾本文从深度和广度的角度对三水传导模型在低电阻率储层解释中的应用进行了全面评估。
利用数字岩心技术评价含黏土砂岩导电模型
![利用数字岩心技术评价含黏土砂岩导电模型](https://img.taocdn.com/s3/m/2e583b244531b90d6c85ec3a87c24028915f8529.png)
的 电 导 率 C 。,通 过 与 含 油 气 时 的 岩 石 电 导 率 C ,比
较 ,计 算 出 含 水 饱 和 度 ,因 此 C 。是 关 键 参 数 。但阿 尔奇公式只适用于孔隙结构较为简单的纯砂岩地 层 ,此 时 C 。与 地 层 水 电 导 率 0 „ 为 线 性 关 系 。对于 含 泥 质 的 地 层 ,P a m o d e 等[2]发 现 地 层 电 导 率 和 地 层 水 电 导 率 不 满 足 线 性 关 系 。实 验 表 明 ,地层 水矿 化 度 较 低 时 ,具 有 相 同 有 效 孔 隙 度 的 泥 质 砂 岩 的 电 导 率 比 纯 砂 岩 的 电 导 率 高 ,岩 石 表 现 出 附 加 导 电 性 C PX。黏 土 的 存 在 使 岩 石 的 电 导 率 关 系 (( ^ - ( ^ 关 系 )复 杂 。C 。是 计 算 含 水 饱 和 度 的 重 要 依 据 ,如果 不 能 正 确 考 虑 泥 质 对 电 导 率 的 影 响 ,就 无 法 得 到 正 确的饱和度值。
利用数字岩心技术评价含黏土砂岩导电模型
范 雨 霏 ,潘 保 芝 ,郭 宇 航 ,张 丽 华
吉 林 大 学 地 球 探 测 科 学 与 技 术 学 院 ,长 春 130026
摘 要 :黏 土 附 加 导 电 性 使 得 岩 石 导 电 机 理 复 杂 化 ,影 响 了 测 井 解 释 中 饱 和 度 计 算 的 准 确 性 。 随 着 石 油
心 数 据 相 差 较 大 。这 些 公 式 都 是 通 过 统 计 数 据 得 到
的 经 验 公 式 ,只 能 在 特 定 情 况 下 使 用 。② 电 化学 作
用的导电模型〜11],主 要描述孔 隙度 和黏土 阳离子 交
换 能力 等对 岩石 电性的影 响,它们在不同地层水矿化
碳点-水凝胶 电催化 铀酰离子-概述说明以及解释
![碳点-水凝胶 电催化 铀酰离子-概述说明以及解释](https://img.taocdn.com/s3/m/c89836c1d1d233d4b14e852458fb770bf78a3b07.png)
碳点-水凝胶电催化铀酰离子-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以如下所示:在当前环境保护和能源开发的背景下,研究人员越来越关注使用新材料和技术来解决能源和环境问题。
碳点-水凝胶和电催化技术作为近年来新兴的研究领域备受瞩目。
碳点-水凝胶是一种由碳点和水凝胶相结合形成的新型材料,其独特的结构和性质使其在催化、能源转化和环境治理等领域展现出巨大的潜力。
碳点作为一种纳米级碳材料,具有较大的比表面积和优异的光电性能,可用于催化反应和能源转化。
而水凝胶则是一种含水网络结构材料,具有良好的柔韧性和高度吸水性,可用于吸附和固定其他物质。
通过将碳点与水凝胶相结合,人们可以制备出具有双重功能的新型材料,既保留了碳点的优点,又增加了水凝胶的特性,为各种应用提供了更多可能性。
另一方面,电催化技术是利用电化学方法来催化化学反应的一种方法。
通过引入电流使反应发生,并在电极表面引入催化剂,可以实现高效的催化反应。
与传统的热催化相比,电催化技术具有能耗低、反应选择性高和环境友好等优势。
因此,电催化技术在减少能源消耗和污染物排放方面具有重要的应用潜力。
铀酰离子是一种在核能领域具有重要意义的离子物种。
研究铀酰离子的电催化性质对于核能的开发和利用具有重要意义。
近年来,研究人员发现碳点-水凝胶在铀酰离子电催化中展示出优异的性能表现,这使其成为相关领域的研究热点。
本文将对碳点-水凝胶、电催化技术和铀酰离子的研究进行综述和分析,以期深入了解这些领域的最新进展和应用前景。
通过对相关文献和实验结果的综合分析,本文旨在为读者提供一个全面的概述,以便更好地理解碳点-水凝胶、电催化和铀酰离子研究的重要性和应用前景。
文章结构是指整篇文章按照一定的组织方式和逻辑结构来安排的,以便读者能够更好地理解和掌握文章的主题和内容。
本文按照以下结构展开:1. 引言1.1 概述在本节中,将简要介绍碳点-水凝胶和铀酰离子等关键概念,并说明它们在电催化中的重要性。
dlvo理论
![dlvo理论](https://img.taocdn.com/s3/m/26440143a36925c52cc58bd63186bceb18e8ed6b.png)
dlvo理论DLVO理论是描述分散系统中粒子间相互作用的一个理论模型。
它由德比和黑克斯于1954年提出,被广泛用于解释和预测胶体粒子在溶液中的相互作用及其对分散系统稳定性的影响。
DLVO理论主要考虑两个相互竞争的力,即范德华力和重合力。
范德华力是由于电子云的波动引起的瞬时偶极矩产生的吸引力。
它的大小与粒子间的距离成反比,随着距离的增加迅速减小。
应用DLVO理论时,通常用Lennard-Jones势来近似描述范德华力。
重合力是由于带电粒子之间的电荷引起的排斥力。
它的大小与电荷的平方成反比,随着电荷的增加而增大。
重合力的计算通常使用库仑势。
DLVO理论假设胶体粒子在溶液中是均匀分布的,在它们之间不存在其他相互作用力。
实际上,除了范德华力和重合力以外,还存在其他相互作用力,如静电双层作用和浸润作用等。
这些相互作用力会对DLVO理论的适用范围和预测结果产生一定影响。
DLVO理论对于胶体稳定性的研究提供了基本的框架。
根据DLVO理论,当范德华力和重合力之间达到平衡时,胶体粒子处于稳定状态。
如果范德华力大于重合力,胶体粒子会聚集在一起;如果重合力大于范德华力,胶体粒子会分散。
然而,DLVO理论并不完全适用于所有的胶体系统。
因为在实际环境中,胶体粒子可能会存在表面改性、溶解度的变化、电荷中性化等因素的影响。
因此,为了更准确地描述胶体系统,研究者们不断对DLVO理论进行改进和修正,提出了许多扩展模型,如双层电位理论、施特恩-卡丹斯基方程等。
总之,DLVO理论是描述分散系统中粒子相互作用的重要理论模型。
它为胶体稳定性的研究提供了基本框架,但其适用范围有限,需要根据具体实际情况进行修正和改进。
通过不断的实验研究和理论探索,我们可以更好地理解和预测分散系统的行为,为相关领域的应用提供理论基础。
深入理解DLVO理论对于解决胶体系统中的分散问题和稳定性控制具有重要意义,并为相关领域的发展和应用提供了理论指导。
正因如此,在过去的几十年里,人们对DLVO理论进行了大量的研究和实验验证,并取得了丰富的研究成果。
dlvo理论
![dlvo理论](https://img.taocdn.com/s3/m/fb515a53a31614791711cc7931b765ce05087ae1.png)
dlvo理论DLVO理论是描述胶体颗粒相互作用的一种理论模型,由德比积分理论(DL)与范德华力(VO)理论的结合形成。
德比积分理论主要描述颗粒之间的电双层相互作用,而范德华力理论主要描述分散相颗粒之间的范德华力作用。
这两者相结合可以很好地描述胶体颗粒之间的相互作用机制。
DLVO理论的核心是电双层作用和范德华力作用。
在DLVO 理论中,电双层作用是因为离子在液相中的溶解而形成的,胶体颗粒表面带有一定的电荷,周围的溶液中也存在一定浓度的离子,这些离子在胶体颗粒表面形成一个电双层。
电双层作用由静电斥力和静电吸引力组成,胶体颗粒之间的电双层作用力趋向于使颗粒之间产生排斥效应。
范德华力作用是由于分散相颗粒之间的分子间吸引力导致的,范德华力趋向于使颗粒之间产生吸引效应。
DLVO理论通过考虑颗粒之间的电双层作用和范德华力作用,可以预测和解释胶体系统中颗粒的聚集和分散现象。
当电双层作用力和范德华力作用力之间的平衡处于一定状态时,胶体颗粒之间的相互作用力为零,此时颗粒将保持分散状态。
而当电双层作用力和范德华力作用力之间的平衡失去平衡时,就会发生颗粒的聚集现象。
因此,DLVO理论可以用来解释胶体分散体系的聚集机制。
在应用DLVO理论时,需要考虑离子强度、离子价数、电介质常数、胶体颗粒的表面电荷密度和范德华作用力常数等因素的影响。
另外,还需要考虑胶体颗粒的形状、大小、浓度以及温度等因素对DLVO理论的影响。
通过这些关键因素的分析和考虑,可以更准确地预测和解释胶体分散体系的聚集和分散现象。
总而言之,DLVO理论是一种描述胶体颗粒相互作用的理论模型,能够重要的解释和预测胶体系统中颗粒的聚集和分散现象。
在实际应用中,需要考虑多种因素的影响,并进行实验验证,以提高DLVO理论的准确性和可靠性。
Dirac-Weyl半金属结中电磁控制的克莱因隧穿和电荷电导
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Dirac-Weyl半金属结中电磁控制的克莱因隧穿和电荷电导邱学军;吕强【摘要】从理论上研究了Dirac-Weyl半金属结中电磁控制的克莱因隧穿和电荷电导.研究发现:完美电子隧穿显著依赖于电势垒的大小、磁场幅度及其方向.当电势垒接近费米能时,该结构显示了明显的波矢过滤特性.通过调节磁场幅度和方向,可以获得任意入射角度的完美隧穿电子波矢.基于电子的透射概率,进一步计算了电势垒和磁场幅度对电荷电导的影响,通过选择合适的电势垒或磁场幅度,可以实现电子开关的功能.这些理论结果为设计基于Dirac-Weyl半金属结中纳米电子器件提供了基础.【期刊名称】《中南民族大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2019(038)002【总页数】6页(P252-257)【关键词】Dirac-Weyl半金属;克莱因隧穿;电势垒;磁场;电荷电导【作者】邱学军;吕强【作者单位】中南民族大学电子信息工程学院, 湖北省智能无线通信重点实验室,武汉 430074;中南民族大学电子信息工程学院, 湖北省智能无线通信重点实验室,武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】O469众所周知,石墨烯是一种二维Dirac半金属材料,因其具有极高的电子迁移率而在过去十几年里受到人们广泛的关注,并成为实现晶体管应用的杰出候选者.而Weyl 半金属是一种被称之为三维类石墨烯的拓扑半金属的材料[1-3],因其具有许多优越的性质,如无质量的低能激发、Weyl节点附近的线性色散关系、不连续的非平庸的费米弧表面态、以及手征反常等,近来成为凝聚态物理学中研究的热点.Weyl 半金属的一个最显著的特征是费米弧表面态和内部态的共存[4-8], Potter等人利用半经典分析和数值计算的方法[9]说明了费米弧表面态的存在和磁输运和量子干涉效应中的量子振荡现象有关, 而内部态的存在则与量子反常霍尔效应,负磁阻效应密切相关.此外,Weyl半金属中的手性反常和电子的高迁移率等特点,使Weyl 半金属成为了实现隧穿相关器件应用的潜在候选者.近来,Bai等人利用一维电势垒调控了反转对称下的Weyl半金属中的电子隧穿并提出了波矢滤波器的模型[10],随后,Jalil等人利用单磁势垒控制Weyl费米子角度依赖的克莱因隧穿,理论上获得了电子共振下的完美透射环[11].在此基础上,Cheng等人[12]进一步研究了Weyl半金属中双磁势垒作用下的电子隧穿,其结果表明,角度依赖的电子隧穿在双磁势垒的布局方式、门电压的高度以及费米能的调控下,可以实现动量空间波矢过滤.此外,新加坡Yesilyurt小组提出利用倾斜能量色散和电势垒耦合调控Weyl半金属中电子隧穿[13]和电荷电导[14],并发现了完美透射角度沿着倾斜方向移动的异常隧穿现象.这些工作为构建基于Weyl半金属的纳米电子器件奠定了基础.本文设计了一个由Dirac半金属和铁磁Weyl半金属组成的新的纳米结构, 主要研究了在Dirac- Weyl结中电势垒和磁场控制下的克莱因隧穿和电荷电导.利用Landauer-Büttiker公式计算得到了电子的透射概率和电荷电导.理论结果表明,电子的透射概率和电荷电导显著依赖于电势垒、磁场幅度及其方向.当电势垒接近费米能时,Dirac- Weyl半金属结显示了独特的波矢过滤特性,通过磁场幅度和方向进一步调控,可以获得任意角度的电子波矢,理论结果为电子滤波器的设计提供了支撑.1 模型和理论方法考虑Dirac-Weyl 半金属结中的电子传输,如图1所示,在电势垒和磁场作用下,Dirac-Weyl半金属中低能电子的哈密顿量可以表述为[15]:H0=ħvF(σ·(kF+ek0))+U,(1)图1 磁场和电势垒作用下Dirac-Weyl半金属结构示意图.其中k0和φ表示磁场的强度和方向,L表示结的长度Fig.1 The schematic of the Dirac-Weyl semimetal structures under the effect of magnetic field and electric potential barrier, where the k0and φ represent the magnitude and direction of magnetic field, and L is the length of this junction其中,vF表示费米速度,σ是三维泡利矩阵,是电子的三维波矢大小,k0是磁金属产生的矢势大小.U为静电势垒的高度.在区域Ⅰ和Ⅲ中,设置k0=U=0.在区域Ⅱ中,由于磁交换相互作用,动量空间中费米波矢将沿着ky和kz方向分别移动k0sinφ和k0cosφ.方程(1)的本征值可以解为:EF=±ħvFkF+U,其中正号表示导带上带负电荷的电子,负号表示价带中未被占据的空穴.考虑电子从区域Ⅰ沿x轴方向入射,由于y轴和z轴方向上的平移不变性,ky和kz将在不同区域守恒,为使电子能以实数波透射到区域Ⅲ,电子波矢必须满足条件因此,在下面的表达式中省略了ei(kyy+kzz)因子,方程1的本征函数可以表示为(2)各区域的波函数可以写作入射波和反射波在该区域的叠加,其二分量形式为:(3)ΨⅡ(4)(5)这里和分别对应k波矢在区域Ⅰ和区域Ⅱ中x的分量,r,a,b和t分别表示电子波在x=0和x=L两个界面处的反射和透射系数.根据波函数的连续性条件ΨⅠ(x=0)=ΨⅡ(x=0)以及ΨⅡ(x=L)=ΨⅢ(x=L)可以解出透射系数t,最终的透射概率可以由T(ky,kz,L,U,k0,φ)=|t2|得到.根据Landauer -Büttiker公式[16],电子隧穿的电荷电导可以表示为:(6)其中S表示隧穿结的面积,区域D表示Dirac半金属中满足条件的费米面,式中的2倍表示正负属性的Weyl节点对电导有相同的贡献.2 结果和讨论首先,假设磁场k0=0,考虑静电势垒对电子隧穿的影响.图2显示了不同电压下电子透射概率T在ky-kz平面上的投影作为ky和kz的函数,由图可见,通过调节电势与费米能的关系,可以获得不同的完美透射环.这主要是由于当电子波矢满足共振条件(7)时,电子的透射概率T(ky,kz,L,U,k0,φ),此时电子可以自由通过电势垒,这种现象被称之为克莱因隧穿.该结果与Jalil等人观察到的结果也是完全相符的[11].不仅如此,理论结果还发现:当电势垒偏离费米能较多时,几乎所有角度的电子都展现了完美的透射,反之,当电势垒接近费米能时,如U=0.95EF时,仅有正入射的电子能够完全透过.更有趣的是,其透射概率T(ky,kz,L,U,k0,φ)=1不依赖于电势垒的变化.这一点可以通过本征值方程来理解,当U=0.95EF时,由于入射波矢较小,此时仅有正入射电子(即ky=kz=0)能以实数波透过电势垒,而其它角度的入射电子将通过倏逝波模式衰减.图2 透射概率T作为ky和kz的函数投影到ky-kz平面.其它参数为kFL=5和k0=0Fig.2 Transmission probabilities T as a function of ky and kz projected on the ky-kz plane.The other parameters are kFL=5 and k0=0接下来,通过设置电势垒U=0,考虑加入z方向上的磁场后Dirac-Weyl隧穿结中的电子隧穿特性.图3显示了不同磁场幅度调制下的透射概率T在ky-kz平面上的投影作为ky和kz的函数.由图3(a) 可见,当磁场较小时,几乎所有角度入射的电子都产生了完美的透射,并且完美区域沿着波矢负向产生了微小的位移,导致透射概率围绕z轴的对称性被破坏. 随着磁场幅度的增大,由图3(b)-(d)可见,电子透射区域沿着z轴负向的位移逐渐增强,此时,完美透射区域逐渐缩小为一完美透射弧.当k0=1.5EF电子完美隧穿逐渐被抑制在一个非常小的角度范围内.电子隧穿的位移仍然可以通过透射波的波矢表达式来解释.当磁场在z方向时,则有若电子要以实数波出射,则电子波矢应满足的条件为由此可见,随着k0的增大,kz将逐渐向z轴负向平移.图3 z方向上不同磁场大小调制的透射概率作为ky和kz的函数.其它参数为kFL=5,U=0和φ=0Fig.3 The magnetic field-modulated transmission probabilities as a function of ky and kz on z-direction of Fermi wave vector. The other parameters are kFL=5,U=0 and φ=0考虑到电势垒和磁场单独作用时对该电子隧穿的影响,我们进一步研究了在电势垒U=0.95EF作用下,磁场幅度和方向对电子完美隧穿的影响,如图4所示.由图4(a)-(f) 发现,当U=0.95EF时,无论磁场幅度和方向如何变化,仅有某个特定方向上电子才能发生完美透射.重要的是,完美透射电子的入射角度受磁场幅度和方向控制,具体来讲,当磁场方向不变时,随着磁场幅度的增大,完美透射电子逐渐从k0=0的波矢中心向径向边缘移动.如当磁场沿y轴正向时(φ=0),随着磁场增大,完美透射电子的入射角度逐渐从正入射变为沿z轴负向.另一方面,当磁场幅度不变时,随着磁场方位角φ逐渐增大,完美隧穿的电子将围绕波矢中心逆时针旋转相同的角度φ.由此可见,利用磁场幅度和方向的调控,可以获得任意角度入射电子的完美隧穿,该结果对电子滤波器的实现有重要的实际意义.图4 磁场幅度和方向调制的透射概率作为ky和kz的函数.其它参数为kFL=5和U=0.95EFFig.4 The magnetic barrier magnitude and direction-modulated transmission probabilities as functions of ky and kz . The other parameters are kFL=5 and U=0.95EF基于电子透射概率,进一步研究了不同电势垒和磁场作用下电子隧穿的电荷电导随隧道结长度L的变化关系,如图5所示.在图5(a)中,我们设置磁场k0=0,研究了电势垒对电荷电导的影响,由图可见,当U>0且隧道结长度kFL<5时,电荷电导呈指数式衰减,随后基本保持不变.当电势垒逐渐增大到U=0.95EF时,电荷电导则几乎被压制到0,这主要是由于在电势U=0.95EF作用时,除正入射电子外,其它角度入射的电子都被该隧道结过滤.尽管如此,在较大电势垒U=1.9EF和电势阱U=-0.4EF作用时,电荷电导均表现出大幅度增强.此外,研究发现,随着磁场幅度的增大,电荷电导又逐渐被抑制到0,如图5(b)所示.该结果可以为实现电势垒和磁场调控的电子开关提供理论依据.图5 不同电势垒(a)和磁场(b)影响下电荷电导随隧道结长度kFL的变化函数.其它参数为(a) k0=0 , (b) U=0.95EF 和φ=0Fig.5 The charge conductance G(L)/G(0) as a function of the length kFL under the influence of several different electric barriers (a) and magnetic barriers (b). The other parameters arek0=0 in (a) and U=0.95EF, φ=0 in (b)最后,从理论上研究了在不同磁场k0/kF=0,1,2作用下电荷电导G(k0,U)/G(0,0)随电势的变化关系,如图6所示.从图6可以发现,当k0/kF=0时,电荷电导在U=EF附近被抑制到G(k0,U)/G(0,0)=0.05,这与图5中观察到的U=0.95EF的低电导结果是一致的,重要的是,随着磁场幅度的增大,理论结果显示了一个电势调控的输运空隙,并且空隙宽度随磁场幅度增大而增宽.该输运空隙也可通过透射波矢来解释,随着k0增加,电势垒U也只有相应的增加,才能使电子以实数波穿过隧道结,如果电势垒较小,电子波将很快通过指数衰减,这导致形成了观察到的电子输运空隙.图6 z方向上磁场幅度调制的电荷电导G(k0,U)/G(0,0)随电势的函数关系.其它参数为kFL=5和φ=0Fig.6 The z-direction magnetic barrier-modulated charge conductance G(k0,U)/G(0,0) as a function of electric barrier. The other parameters are kFL=5 and φ=03 结语本文利用Landauer-Büttiker公式研究了Dirac-Weyl 半金属结中电磁控制的克莱因隧穿和电荷电导.研究发现,当电势垒偏离费米能较多时,几乎所有角度的电子都展现了完美的透射,而当电势垒接近费米能时,仅有正入射的电子能够完全透过.结合磁场幅度和方向的调控,可以获得任意角度入射电子的完美透射,实现电子滤波的功能.进一步研究发现,利用电势垒和磁场调控电荷电导,可以实现电子开关的功能.最后,在磁场作用下,观察到一个磁场依赖的电荷电导输运空隙,且空隙宽度随磁场增大而增宽.这些理论结果不仅可以帮助我们了解Dirac-Weyl半金属结中电子的输运特点,而且可以为相关电子器件的制造提供理论依据.参考文献【相关文献】[1] HASAN M Z,MOORE J E.Three-dimensional topological insulators [J]. 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介质膜电荷陷阱特性的雪崩注入法的技术改进——垫高电压
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介质膜电荷陷阱特性的雪崩注入法的技术改进——垫高电压杨劲;陈蒲生
【期刊名称】《半导体技术》
【年(卷),期】1991()4
【摘要】本文介绍在我们用于研究MOS、MIS结构介质膜电荷陷阱特性的雪崩注入法中的技术小改进——垫高电压。
这一在原测试电路上十分简单的改进,可使我们原有测试系统探测到俘获截面小到10^(-1)_8cm^2的电子陷阱,且为介质膜的雪崩空穴注入提供了准确、便利和有效的技术手段。
【总页数】4页(P49-52)
【关键词】介质膜;电荷陷阱;注入;垫高电压
【作者】杨劲;陈蒲生
【作者单位】机电部广州电器科学研究所;华南理工大学应用物理系
【正文语种】中文
【中图分类】TN304.055
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