《介电和铁电材料》PPT课件
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铁电材料PPT幻灯片课件
读写过程不需要大电场， 在读后也不需重写。设计 简单。
18
压电陶瓷
声马达是压电陶瓷应用中一个 引人注目的新领域,它是利用压 电陶瓷的逆压电效应,直接把电 能转换成机械能输出而无需电 磁线圈的新型电机，与普通电 磁马达相比，它具有结构简单 、启动快、体积小、功耗低等 特点。另外，由于它是从电能 直接转换为机械能而不通过磁 电转换，因此，不产生磁干扰 也不怕磁干扰。
，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。
16
FeRAM器件结构
17
铁电存储器（MFSFET）
MFS(Metal Ferroelectric –Semiconductor )FET
在MOS中用铁电薄膜（F） 代替二氧化硅栅氧化物薄 膜（O）构成MFSFET场 效应管
由于极化滞后，漏电流展 现两种状态：开，关
Kbit和1Mbit等密度。
非易失性记忆体掉电后数据不丢失。可
是所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。
你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改
的。所有以它为基础发展起来的非易失性记
忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包
括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM
和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长
10
ABO3型钙钛矿晶胞结构
11
铁电材料的分类
（1）结晶化学分类
含有氢键的晶体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐
（RS）等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，
又叫软铁电体；
（Li2双O氧-N化b2物O晶5）体等：，如这B类aT晶iO体3（是B从aO高-T温iO熔2）体、或K熔N盐bO中3（生K长2出O-来N的b2，O5又）称、为L硬iNb铁O电3 体．它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位置，而Ti4+、Nb6+、 Ta6+离子则处于B位置。
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压电陶瓷
声马达是压电陶瓷应用中一个 引人注目的新领域,它是利用压 电陶瓷的逆压电效应,直接把电 能转换成机械能输出而无需电 磁线圈的新型电机，与普通电 磁马达相比，它具有结构简单 、启动快、体积小、功耗低等 特点。另外，由于它是从电能 直接转换为机械能而不通过磁 电转换，因此，不产生磁干扰 也不怕磁干扰。
，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。
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FeRAM器件结构
17
铁电存储器（MFSFET）
MFS(Metal Ferroelectric –Semiconductor )FET
在MOS中用铁电薄膜（F） 代替二氧化硅栅氧化物薄 膜（O）构成MFSFET场 效应管
由于极化滞后，漏电流展 现两种状态：开，关
Kbit和1Mbit等密度。
非易失性记忆体掉电后数据不丢失。可
是所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。
你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改
的。所有以它为基础发展起来的非易失性记
忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包
括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM
和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长
10
ABO3型钙钛矿晶胞结构
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铁电材料的分类
（1）结晶化学分类
含有氢键的晶体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐
（RS）等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，
又叫软铁电体；
（Li2双O氧-N化b2物O晶5）体等：，如这B类aT晶iO体3（是B从aO高-T温iO熔2）体、或K熔N盐bO中3（生K长2出O-来N的b2，O5又）称、为L硬iNb铁O电3 体．它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位置，而Ti4+、Nb6+、 Ta6+离子则处于B位置。
《电性材料》PPT课件 (2)
合金：如黄铜、镍铬合金等；
可用作电阻材料和热电偶材料；
非金属：如石墨、C3K、 C24S6等；
可用作耐腐蚀导体和导电填料等。
整理ppt
19
3.1.4 半导体材料
本征半导体 元素半导体
杂质半导体
无机半导体 半导体材料 （按化学成份） 有机半导体
化合物半导体
半导体材料 （按结构形态）
晶态半导体 非晶态半导体
第三章 电性材料
• 导体、半导体和绝缘体材料 • 超导材料 • 铁电、压电、热释电和介电材料
整理ppt
1
3.1 导体、半导体和绝缘体材料
导体的电阻率 10-5 ~ 10-4Ω·cm 半导体的电阻率 10-4 ~ 1010Ω·cm 绝缘体的电阻率 1010 ~ 1014Ω·cm整理ppt Nhomakorabea2
3.1.1导体、半导体和绝缘体的区别 ——能带理论
整理ppt
20
非晶
多晶
单晶
整理ppt
21
硅和锗——第一代半导体材料
相同点：具有灰色、金属光泽的固体，硬而脆，金刚石
结构，间接带隙半导体材料.
不同点：
室温本征电阻率 禁带宽度
硅 2.3×105Ω·cm
1.12 eV
锗 50Ω·cm 0.66 eV
锗比硅的金属性更为显著 硅、锗都溶解于HF-HNO3混合酸。
禁带：允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称
为禁带。导带的底能级为Ec，价带的顶能级为Ev， Ec和 Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。
整理ppt
8
体块硅的能带示意图
整理ppt
9
GaN整能理p带pt 图
10
3.1.2 导体、半导体和绝缘体区别的能带论解释
介电功能材料课件
PART 06
参考文献
参考文献
APA格式
主要用于社会科学和人文科学领 域的论文引用，要求文献引用包 括作者姓名、文章标题、期刊名、 出版年份、卷号、页码等。
MLA格式
主要用于文学领域的论文引用， 要求文献引用包括作者姓名、作 品名称、出版年份等。
Chicago格式
主要用于历史学和新闻学领域的 论文引用，要求文献引用包括作 者姓名、作品名称、出版年份、 出版社等。
PART 04
介电功能材料的应用
在电子器件中的应用
01
02
03
绝缘材料
介电功能材料可作为绝缘 材料，用于制造电子设备 的绝缘层和保护层，保障 电路的安全运行。
电容器
介电功能材料是制造电容 器的关键材料，用于储存 电荷和提供稳定的电压。
介质基板
介电功能材料可作为介质 基板，用于微电子封装和 集成电路的制造。
液相法
液相法是一种制备介电功能材料的方法，其基本原理是将两种或多种液体原料混合在一起，通过化学 反应使它们聚合成所需的介电功能材料。
液相法的优点在于制备过程简单、反应条件温和、可制备出高纯度、高均匀性的介电功能材料，且可通 过控制原料的配比和反应条件等参数来控制材料的成分和结构。
液相法的缺点在于制备周期较长，需要经过多次热处理才能得到所需的材料，且在制备过程中容易引入 杂质和缺陷，影响材料的性能。
02
化学共沉淀法的优点在于制备过程简单、反应条件温和、可制备出高纯度、高 均匀性的介电功能材料，且可通过控制沉淀剂的浓度和加入速度等参数来控制 材料的成分和结构。
03
化学共沉淀法的缺点在于制备周期较长，需要经过多次热处理才能得到所需的 材料，且在制备过程中容易引入杂质和缺陷，影响材料的性能。
《介电材料》PPT课件
编辑ppt
30
§ 1-2 典型低介装置瓷
3、降低烧结温度、改进工艺性能的措施 加入变价金属氧化物MnO2、TiO2 加入助熔剂，固液烧结 利用超细粉体，提高粉体烧结活性 采用还原气氛烧结或热压烧结
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31
§ 1-2 典型低介装置瓷
§ 1-2-3 高热导率陶瓷基片
1、基片应具有的机电性能 2、电介质导热机制 3、高热导率晶体的结构特征 4、高导热陶瓷材料特征比较 5、多芯片组装-多层基片
原顽辉石是滑石瓷的主晶相，有少量斜顽辉石
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11
3、滑石瓷存在的问题及解决方案 (1) 老化 (2) 开裂 (3) 烧结温区过窄
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12
(1) 老化（粉化）: 老化原因：
原顽 斜 辉 顽 石 密 辉 体 度 石 积 内 应力
微 裂 纹 老、 化白 斑
防老化措施： a. 用粘度大的玻璃相包裹晶粒，防止相变 b. 抑制晶粒生长 c. 去除游离石英
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3
• （1）高的体积电阻率（室温下大于1012Ωm）和高介电强 度（>104kVm－1），以减少漏导损耗和承受较高的电压。
• （2）高频电场下的介电损耗要小（tanδ一般在2×10－4～ 9×10－3范围内）。介电损耗大，会造成材料发热，使整机 温度升高，影响工作。另外，还可能造成一系列附加的衰减 现象。
8
滑石瓷
§ 1-2-1 滑石瓷 1、滑石的结构
共价键\离子键 复合层
滑石瓷分子式：
3MgO·4SiO2·H2O 滑石矿为层状结构的镁硅酸盐， 属单斜晶系，[SiO4]四面体联结 成连续的六方平面网，活性氧离 子朝向一边，每两个六方网状层 的活性氧离子彼此相对，通过一 层水镁氧层联结成复合层。
第三章_介电材料
这3种极化作用并非在任何类型的介电材料中都等额地存在。
在一种类型的材料中，往往只有一种或二种极化起主导地位。一般 说来，电子极化存在于一切类型的固体物质中，离子极化主要存在 于离子晶体中，偶极极化主要存在于具有永久偶极的物质中，空间 极化则主要存在于那些结构非理想的、内部可以发生某种长程电荷 迁移的介电物质中。例如氯化钠晶体中存在阴离子空位时，阳离子 可以优先向负极方向迁移，因此在电极-NaCl界面处建立了一个双电 层。当然，这类效应显著时，则形成了导体或快离子导体，而不再 是介电质了。另外，上述4种极化率的大小程度也不相同，一般大小 次序为： αe<αi < αd
1.2 电极化现象
a . 电子极化
介电材料本身不荷电荷，但 将其置于电场中，在其体积内部和 表面会感应出一定量的电荷。这种 现象称作电极化现象。这种极化现 象可以分为4类，如右图所示。 电子极化：任何材料都是由原 子和分子或离子构成的。原子可以 看作是由荷正电荷原子实和其外荷 负电的电子云所构成的。无电场时， 原子时的正电重心和电子云的负电 重心是重合在一起的。在电场存在 时，正电重心和负电重心发生轻微 错位，形成的极化称作电子极化。
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）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）就会产生不能承载的漏电流或严重的击穿。
铁电功能材料PPT课件
Pb(B+21/2B+61/2)O3型
Pb(Mg1/2W1/2)O3，Pb(Co1/2W1/2)O3
Pb(B+31/2B+51/2)O3型
Pb(Fe1/2Nb1/2)O3，Pb(Fe1/2Ta1/2)O3
Pb(B+32/3B+61/3)O3型
Pb(Fe2/3W1/3)O3，Pb(Mn2/3W1/3)O3
主要是含铅的Pb(B1B2)O3 系列复合钙钛矿结构材料，
B1B2占据B位，满足条件： B位化合价= B1·y1+B2 ·y2=+4价
B1离子：低价阳离子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+，Sc3+等 B2离子：高价阳离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+ 等
A位变化形成的化合物：
(A1+2A2+2)TiO3型 (Sr,Ba)TiO3 (Mg,Zn)TiO3
AT
AT
1 T
表征介电常数温度稳定性的容温变化率如下式所示：
C CT C20 100 %
C
C 20
其中：C20为陶瓷样品在20℃时的电容（1KHz）； CT为陶瓷样品在温度T时的电容（1KHz）
Z5V型电容器瓷料，10℃～85℃，-
5Y65%U型≤△电C容/C器≤瓷+2料2，%。-25℃～85℃，-80%≤△C/C≤+30%。
晶体在受到外电场激励下产生形变，且二者之间 呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程称 为逆压电效应。
力→形变→电压 电压→形变
正压电效应 逆压电效应
4、电致伸缩效应 electrostrictive effect
第九章-电介质材料-压电热释电铁电介质材料_2
➢十八世纪初，荷兰商人将这种电气石引入欧洲，被称为锡兰磁石。
➢1756年，德国物理学家 Aepinus（电容器发明者）研究电气石产生 电的行为，第一次观测到温度改变引起的电极化现象。
➢1824 年，苏格兰物理学家 D.Brewster将这种产生电的行为称为热电 性。1817 年，法国矿物学家 RenéJust Heuy 第一次提到了压电效应。
➢1880 年，法国物理学家居里兄弟发现石英具有压电性：当重物放在 石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。 他们 所报导的这些晶体中就有后来广为研究的罗息盐(酒石酸钾钠－ NaKC4H4O6．4H2O)。
13
▪1881年 李普曼(G. Lippman)根据能量守恒和电荷量守恒的原理， 推测逆压电效应(Converse piezoelectric effect) 的存在，这一预 言很快就被居里兄弟用实验所证实。
剩余极化强度
剩余伸长 (c)极化处理后
电极
－－－－－ ＋＋＋＋＋
极化方向
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
自由电荷 束缚电荷
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附
的自由电荷示意图
22
如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F， 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、 负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此， 原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出 现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是 一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大， 极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，就是正 压电效应。
➢外界的作用（如压力或电场的作用）使该剩余极化 强度发生变化，导致陶瓷出现（充放电或形变）压电 效应。
➢1756年，德国物理学家 Aepinus（电容器发明者）研究电气石产生 电的行为，第一次观测到温度改变引起的电极化现象。
➢1824 年，苏格兰物理学家 D.Brewster将这种产生电的行为称为热电 性。1817 年，法国矿物学家 RenéJust Heuy 第一次提到了压电效应。
➢1880 年，法国物理学家居里兄弟发现石英具有压电性：当重物放在 石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。 他们 所报导的这些晶体中就有后来广为研究的罗息盐(酒石酸钾钠－ NaKC4H4O6．4H2O)。
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▪1881年 李普曼(G. Lippman)根据能量守恒和电荷量守恒的原理， 推测逆压电效应(Converse piezoelectric effect) 的存在，这一预 言很快就被居里兄弟用实验所证实。
剩余极化强度
剩余伸长 (c)极化处理后
电极
－－－－－ ＋＋＋＋＋
极化方向
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
自由电荷 束缚电荷
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附
的自由电荷示意图
22
如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F， 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、 负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此， 原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出 现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是 一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大， 极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，就是正 压电效应。
➢外界的作用（如压力或电场的作用）使该剩余极化 强度发生变化，导致陶瓷出现（充放电或形变）压电 效应。
《介电和铁电材料》课件
稳定性
介电材料具有优良的稳定性，不易受环境温度和 湿度的影响。
介电常数可调
通过改变介电材料的组分和结构，可以调节介电 常数，以满足不同应用需求。
02
铁电材料介绍
铁电材料的定义
铁电材料
指在一定温度范围内具有自发极化、 且自发极化方向随温度变化的一类功 能材料。
自发极化
铁电材料内部存在的电偶极矩，不需 外电场作用就能产生自发极化。
铁电材料的分类
单晶体铁电体
如钛酸钡（BaTiO3）、铌酸锂（LiNbO3）等。
多晶体铁电体
如锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O3，简称PZT）等。
有机铁电体
如聚偏氟乙烯（PVDF）等。
铁电材料的特性
电滞回线
01
铁电材料具有显著的电滞回线，即其介电常数随电场的变化而
变化。
压电效应
02
当铁电材料受到外力作用时，其内部电偶极矩发生改变，从而
记忆效应
介电和铁电材料都具有记忆效应 ，能够将外部电场的历史状态保 留下来，并在一定条件下恢复。
介电和铁电材料的差异
极化机制
介电材料的极化主要来源于电子 云位移，而铁电材料的极化则来 源于正负电荷中心的相对位移。
相变温度
铁电材料通常在一定的温度下发 生相变，表现出明显的铁电性， 而介电材料的相变温度则不明显 。
响应速度
铁电材料的极化响应速度较快， 适合用于制造高速电子器件，而 介电材料的响应速度相对较慢。
介电和铁电材料的应用领域
介电材料
主要用于制造绝缘材料、电子元件、光学薄膜等，如陶瓷、玻璃、塑料等。
铁电材料
主要用于制造压电器件、热释电器件、非线性光学器件等，如石英晶体、钛酸 钡等。
介电材料具有优良的稳定性，不易受环境温度和 湿度的影响。
介电常数可调
通过改变介电材料的组分和结构，可以调节介电 常数，以满足不同应用需求。
02
铁电材料介绍
铁电材料的定义
铁电材料
指在一定温度范围内具有自发极化、 且自发极化方向随温度变化的一类功 能材料。
自发极化
铁电材料内部存在的电偶极矩，不需 外电场作用就能产生自发极化。
铁电材料的分类
单晶体铁电体
如钛酸钡（BaTiO3）、铌酸锂（LiNbO3）等。
多晶体铁电体
如锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O3，简称PZT）等。
有机铁电体
如聚偏氟乙烯（PVDF）等。
铁电材料的特性
电滞回线
01
铁电材料具有显著的电滞回线，即其介电常数随电场的变化而
变化。
压电效应
02
当铁电材料受到外力作用时，其内部电偶极矩发生改变，从而
记忆效应
介电和铁电材料都具有记忆效应 ，能够将外部电场的历史状态保 留下来，并在一定条件下恢复。
介电和铁电材料的差异
极化机制
介电材料的极化主要来源于电子 云位移，而铁电材料的极化则来 源于正负电荷中心的相对位移。
相变温度
铁电材料通常在一定的温度下发 生相变，表现出明显的铁电性， 而介电材料的相变温度则不明显 。
响应速度
铁电材料的极化响应速度较快， 适合用于制造高速电子器件，而 介电材料的响应速度相对较慢。
介电和铁电材料的应用领域
介电材料
主要用于制造绝缘材料、电子元件、光学薄膜等，如陶瓷、玻璃、塑料等。
铁电材料
主要用于制造压电器件、热释电器件、非线性光学器件等，如石英晶体、钛酸 钡等。
电介质材料(压电与铁电材料1)
在讨论晶体机电特性时，采用xyz右手直角坐标 较方便，并统一规定：x轴与a(或b、d)轴重合，谓 之电轴，它穿过六棱柱的棱线，在垂直于此轴的面 上压电效应最强；y轴垂直m面，谓之机轴，在电场 的作用下，沿该轴方向的机械变形最明显；z轴与c 轴重合，谓之光轴，也叫中性轴，光线沿该轴通过 石英晶体时，无折射，沿z轴方向上没有压电效应。
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
压电陶瓷的特点是： 压电常数大，灵敏度高； 制造工艺成熟，可通过 合理配方和掺杂等人工 控制来达到所要求的性 能；成形工艺性也好， 成本低廉，利于广泛应 用。 压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此它可制作热 电传感器件而用于红外探测器中。但作压电器件应用时，这会给 压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对高稳定性的传感 器，压电陶瓷的应用受到限制。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
（4 ） 机械耦合系数：在压电效应中 , 其值等于转 换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能） 之比的平方根 ; 它是衡量压电材料机电能量转换 效率的一个重要参数。
（ 5 ） 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏 , 从而改善压电传感器的低频特性。 （ 6 ） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度 称为居里点。 （7）机械品质因数：压电振子在谐振时在一周期内 贮存的机械能与损耗的机械能之比。
电介质材料 Dielectric Materials
（piezoelectric material ）
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
压电陶瓷的特点是： 压电常数大，灵敏度高； 制造工艺成熟，可通过 合理配方和掺杂等人工 控制来达到所要求的性 能；成形工艺性也好， 成本低廉，利于广泛应 用。 压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此它可制作热 电传感器件而用于红外探测器中。但作压电器件应用时，这会给 压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对高稳定性的传感 器，压电陶瓷的应用受到限制。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
（4 ） 机械耦合系数：在压电效应中 , 其值等于转 换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能） 之比的平方根 ; 它是衡量压电材料机电能量转换 效率的一个重要参数。
（ 5 ） 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏 , 从而改善压电传感器的低频特性。 （ 6 ） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度 称为居里点。 （7）机械品质因数：压电振子在谐振时在一周期内 贮存的机械能与损耗的机械能之比。
电介质材料 Dielectric Materials
（piezoelectric material ）
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
《介电材料》课件
中国介电材料市场规模及预测
市场规模：2020年，中国介电材料市场规模约为100亿元 增长趋势：预计未来五年，中国介电材料市场规模将以年均15%的速度增 长 应用领域：主要应用于电子、通信、汽车等领域
竞争格局：国内企业占据主导地位，但面临国际企业的竞争压力
介电材料市场发展趋势分析
市场需求：随着电子技术的发展，对介电材料的需求不断 增加
介电材料的PPT课件 大纲
,
汇报人：
目录 /目录
01
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04
介电材料的制 备方法
02
介电材料的概 述
05
介电材料的市 场现状与未来 发展
03
介电材料的性 能参数
06
介电材料的应 用案例分析
01 添加章节标题
02 介电材料的概述
介电材料的定义
介电材料：具有高介电常数和低损耗的电介质材料 应用领域：电子、通信、能源等领域 特性：绝缘、导电、磁性等 常见类型：陶瓷、高分子、复合材料等
全球介电材料市场规模及预测
2020年全球介电材料市场规模约为100亿美元 预计到2025年，全球介电材料市场规模将达到150亿美元 亚太地区是全球最大的介电材料市场，占全球市场份额的40% 北美和欧洲地区也是重要的介电材料市场，分别占全球市场份额的30%和20% 随着5G、物联网等新兴技术的发展，介电材料市场将迎来新的增长机遇
介电材料的研究方向与展望
展望：未来介电材料的发展 趋势，如高介电常数、低损 耗、高稳定性等
应用领域：介电材料在电子、 通信、能源等领域的应用前 景
研究方向：新型介电材料的 开发，如纳米材料、复合材 料等
挑战与机遇：介电材料面临 的技术挑战和市场机遇
Unit 5 电介质材料(压电和铁电材料) 电子器件与工艺课件
自由电荷
电极
束缚电荷
自由电荷
图5-5束缚电荷和自由电荷排列示意图
2020/10/2
压电材料主要工程参数
通常压电参数测量用的样品或实际应用的压电器件，主要利 用压电晶片的谐振效应，当向一个具有一定取向和形状制成 的有电极的压电晶片输入电讯号, 其频率与晶片的机械谐振 频率一致时，应会使晶片由于逆压电效应而产生机械谐振， 这种晶片称为压电振子。压电振子谐振时，要产生内耗，造 成机械损耗。反映这种损耗程度的参数称为机械品质因数。
2020/10/2
压电陶瓷材料
锆钛酸铅系(PZT)陶瓷, 其化学式为Pb(Zrx, Ti1-x)O3, 是钙钛 矿结构的二元系固溶体，晶胞中B位置可以是Zr4+, 也可以是 Ti4+。居里点随锆钛比变化。根据器件的要求，可以选择不 同的锆钛比。
然而，锆钛酸铅系陶瓷在制备和使用过程中，都会给环境 和人类健康带来很大的损害。近年来，随着环境保护和人类 社会可持续发展的需求，研发新型环境友好的压电陶瓷已成 为世界各国致力研发的热点材料之一。2001年欧州议会通 过了关于"电器和电子设备中限制有害物质"的法令，并定于 2008年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压 电器件。为此，欧洲共同体立项151万欧元进行关于无铅压 电陶瓷的研究与开发。美国和日本以及我国电子信息产业部 也相继通过了类似的法令，并逐年提高对研制无铅压电陶瓷 项目的支持力度。对新型无铅压电陶瓷的研究和开发也同样 受到了国内科技界与企业界的普遍关注。
正电荷沿电场作用方向稍微位移，负电荷向反方向位移，形成
许多电偶极子，即发生极化。 电介质，电场导致极化表面有电荷。
+++++++++
电极
束缚电荷
自由电荷
图5-5束缚电荷和自由电荷排列示意图
2020/10/2
压电材料主要工程参数
通常压电参数测量用的样品或实际应用的压电器件，主要利 用压电晶片的谐振效应，当向一个具有一定取向和形状制成 的有电极的压电晶片输入电讯号, 其频率与晶片的机械谐振 频率一致时，应会使晶片由于逆压电效应而产生机械谐振， 这种晶片称为压电振子。压电振子谐振时，要产生内耗，造 成机械损耗。反映这种损耗程度的参数称为机械品质因数。
2020/10/2
压电陶瓷材料
锆钛酸铅系(PZT)陶瓷, 其化学式为Pb(Zrx, Ti1-x)O3, 是钙钛 矿结构的二元系固溶体，晶胞中B位置可以是Zr4+, 也可以是 Ti4+。居里点随锆钛比变化。根据器件的要求，可以选择不 同的锆钛比。
然而，锆钛酸铅系陶瓷在制备和使用过程中，都会给环境 和人类健康带来很大的损害。近年来，随着环境保护和人类 社会可持续发展的需求，研发新型环境友好的压电陶瓷已成 为世界各国致力研发的热点材料之一。2001年欧州议会通 过了关于"电器和电子设备中限制有害物质"的法令，并定于 2008年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压 电器件。为此，欧洲共同体立项151万欧元进行关于无铅压 电陶瓷的研究与开发。美国和日本以及我国电子信息产业部 也相继通过了类似的法令，并逐年提高对研制无铅压电陶瓷 项目的支持力度。对新型无铅压电陶瓷的研究和开发也同样 受到了国内科技界与企业界的普遍关注。
正电荷沿电场作用方向稍微位移，负电荷向反方向位移，形成
许多电偶极子，即发生极化。 电介质，电场导致极化表面有电荷。
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定量描述：
规定：冷端电流流出的材料的电势相对于流入的材料的电势为正。
即，若T1＜T2时，电流由a点流向b点，称A的电势φA大于B的电势φB。 设△VAB=φA-φB； △T=T2-T1，则实验证明，△T不太大时，有
△VAB 与∝△T
ppt课件
11
第八节 热电材料-3
定义相对塞贝克系数SAB=SA-SB ： SABlTi m0VTab 则：△VAB=SAB·△T
第七节 热释电材料-3
红外探测器原理：
Q表示晶体表面的电荷面密 度，P为自发极化强度，T为 温度，则
dQ dP dt dt
设两极板面积为A，负载电 阻为R，则热释电电压为：
热释电红外探测器原理
V R R id (d A) tQ Ad dR P tAd dR d d T P T tAid d RT tP
Pi为晶体的热释电系数。一般材料为10-4~10-6C/(cm2·K)
通过测量讯号电压的变化实现了对远距离热辐射目标温度变化的测量。
尽你所能p，pt想课件出或查出检测极化电荷分布的方式 9
第八节 热电材料-1
热电材料：把热能转变为电能的材料 一、热电效应
1、塞贝克（Seebeck）效应
两种不同的导体构成闭合回路，若使其 结点出现温度差，则闭合回路中就会有 电流流动，此现象为热电效应，相应的 电势称为热电势。
晶体中存在热释电效应的前提
具 有 自 发 极 化 ， 即 晶 体 结 构 的 某些方向正负电荷重心不重合。
不 存 在 对 称 中 心 ， 且 存 在 与 其 他极化轴不同的唯一极化轴
ppt课件石英晶体不产生热释电效应示意图 7
第七节 热释电材料-2
三、热释电材料
1、晶体 热释电晶体：CaS, CaSe, Li2SO4·H2O, ZnO
特点：自发极化不能为外电场转向 铁电晶体：LiNbO3, LiTaO3, PhTiO3, Pb(ZnTi)O3, BaTiO3等
特点：自发极化能为外电场转向
2、 有机高聚物晶体 例：聚偏二氟乙烯PVDF，大面积制作，工艺简单，一般用薄膜
四、热释电材料的应用
1938年首先用于红外探测器
ppt课件
030923 8
压电晶体受到外力作用后，在电极面上会感应出电荷，电荷聚集形
成高电。 利用高压可产生火花放电。这种电火花可用于点燃煤气、
炮弹，及用于压电高压发生器。
4、石英电子表
ppt课件
其他：拾音器、蜂鸣器、
流量计、计数器等
6
第七节 热释电材料-1
一、热释电效应 晶体因温度变化而引起晶体表 面电荷的现象称为热释电效应
第五节 介电和铁电材料-12
四、反铁电材料（反铁电体）
一般是离子晶体，电畴内存在两套极化强度相等、 方向相反的亚晶格，使得宏观不显自发极化
双电滞回线：
AB：反铁电体特征，类似于一般的线性介质 BC、CD：铁电体特征，出现固有电极化强度
五、介电铁电材料的应用
电容器，铁电材料可用于高容量电容器： 电子线路中用于阻断、耦合、交直流分离、 滤波和能量存贮等
ppt课件
T0
10
第律：要确定热电势的大小必须保证A、B两种材料的化学成 分和物理状态完全均匀，否则将要难以获得确定的热电势
中间导体定律：如果在回路中引入第三种金属导体，那么只要第三种 金属接入的两端温度相同，则对原回路年产生的热电势不发生影响
中间温度定律：只要两种材料厂均质，两端温度恒定，即使回路中某 一部分处于任何其他温度，原回路产生的热电势不变
科研和工程中最重要的参数，有的材料可达70%以上
四、压电材料种类
晶 体 ： 石 英 、铌 酸 锂 (LiNbO3)、 材料 碘酸锂等
介电常数
半导体：CdS, CdSe, ZnO, ZnS, ZnTe, ZdTe, GaAs, GaSb等
机电耦合系 数/%
罗息盐 350 73
压电陶瓷：BaTiO3, PbTiO3
Qm
2
Wm Wm
Wm为每振动周期内单位体积存贮的机械能；△W为每振动周期内单位体 积损耗的机械能
Qm与振动模式有关，如压电振子的形状p、pt课振件动的晶体学方向、振动频率等
4
第六节 压电材料-4
2、机电耦合系数 k机输 械入 能的 转机 变械 的 (正 能 电 压能 电)效应
或
k静转 电化 场的 下机 输械 入能 (的 逆电 压能 电)效应
ppt课件
1
第六节 压电材料-1
一、正压电效应和逆压电效应 正压电效应：材料受到应力作用而处于应变状态时，材料内部会引 起电极化和电场，表面出现感应电荷。 逆压电效应：材料受到电场力作用产生电极化时，材料会产生应变。
二、压电效应的机制 无对称中心的晶体中正负离子的位移引起压电效应
具有反演对称中心的晶体无压电效应 ppt课无件反演对称中心的石英晶体有压电效应 2
称SA和SB分别为材料A和B的塞贝克系数
一些元素的热电势排序（前者热电势相对于后者为正）：
Si, Sb, Fe, Mo, Cd, W, Au, Ag, Zn, Rh, Ir, Tl, Cs, Ta, Sn, Pb, Mg, Al, Hg, Pt, Nd, Pd, K, Ni, Co, Bi
第六节 压电材料-2
+
压电体必须是离子晶体或离子团组成的分子
ppt课件
3
第六节 压电材料-3
三、压电材料主要工程参数
1、机械品质因素
压电振子：具有一定取向和形状的压电晶片具有固有的机械谐振频率。 当外电场的频率与其一致时，由于逆压电效应会产生机械谐振。这种 晶片称压电振子。
压电振子在谐振子时，会产生内耗，造成机械能损失，反映这种机械能损 耗程度的参数为机械品质因数Qm，定义为：
二、热释电效应机制
电气石中发现：硫磺粉末（黄色）和 氧化铅粉末（红色）混合，用丝质筛 子筛洒加热后的电气石，它们将分别 覆盖于电气石沿三次轴方向的两端。
电气石是一种具有固有极化的晶体
温度引起的自发极化的改变。自发极化的改变来自于离子的位移
ps T 为热释；电 Ps为系 自数 发极 ；T为 化温 强度 度
ppt课件
钛酸钡 1700
21
PZT 1200
30
水晶 4.5 10
5
第六节 压电材料-5
五、压电材料的应用举例
1、水声换能器 水中声纳=空中雷达
实现水中电能与声能的相互转化
2、压电超声换能器
利用逆压电效应，在高强度电场下产生高强度超声波，用 于超声清洗、超声乳化、超声粉碎、超声治疗等
3、压电点火器
规定：冷端电流流出的材料的电势相对于流入的材料的电势为正。
即，若T1＜T2时，电流由a点流向b点，称A的电势φA大于B的电势φB。 设△VAB=φA-φB； △T=T2-T1，则实验证明，△T不太大时，有
△VAB 与∝△T
ppt课件
11
第八节 热电材料-3
定义相对塞贝克系数SAB=SA-SB ： SABlTi m0VTab 则：△VAB=SAB·△T
第七节 热释电材料-3
红外探测器原理：
Q表示晶体表面的电荷面密 度，P为自发极化强度，T为 温度，则
dQ dP dt dt
设两极板面积为A，负载电 阻为R，则热释电电压为：
热释电红外探测器原理
V R R id (d A) tQ Ad dR P tAd dR d d T P T tAid d RT tP
Pi为晶体的热释电系数。一般材料为10-4~10-6C/(cm2·K)
通过测量讯号电压的变化实现了对远距离热辐射目标温度变化的测量。
尽你所能p，pt想课件出或查出检测极化电荷分布的方式 9
第八节 热电材料-1
热电材料：把热能转变为电能的材料 一、热电效应
1、塞贝克（Seebeck）效应
两种不同的导体构成闭合回路，若使其 结点出现温度差，则闭合回路中就会有 电流流动，此现象为热电效应，相应的 电势称为热电势。
晶体中存在热释电效应的前提
具 有 自 发 极 化 ， 即 晶 体 结 构 的 某些方向正负电荷重心不重合。
不 存 在 对 称 中 心 ， 且 存 在 与 其 他极化轴不同的唯一极化轴
ppt课件石英晶体不产生热释电效应示意图 7
第七节 热释电材料-2
三、热释电材料
1、晶体 热释电晶体：CaS, CaSe, Li2SO4·H2O, ZnO
特点：自发极化不能为外电场转向 铁电晶体：LiNbO3, LiTaO3, PhTiO3, Pb(ZnTi)O3, BaTiO3等
特点：自发极化能为外电场转向
2、 有机高聚物晶体 例：聚偏二氟乙烯PVDF，大面积制作，工艺简单，一般用薄膜
四、热释电材料的应用
1938年首先用于红外探测器
ppt课件
030923 8
压电晶体受到外力作用后，在电极面上会感应出电荷，电荷聚集形
成高电。 利用高压可产生火花放电。这种电火花可用于点燃煤气、
炮弹，及用于压电高压发生器。
4、石英电子表
ppt课件
其他：拾音器、蜂鸣器、
流量计、计数器等
6
第七节 热释电材料-1
一、热释电效应 晶体因温度变化而引起晶体表 面电荷的现象称为热释电效应
第五节 介电和铁电材料-12
四、反铁电材料（反铁电体）
一般是离子晶体，电畴内存在两套极化强度相等、 方向相反的亚晶格，使得宏观不显自发极化
双电滞回线：
AB：反铁电体特征，类似于一般的线性介质 BC、CD：铁电体特征，出现固有电极化强度
五、介电铁电材料的应用
电容器，铁电材料可用于高容量电容器： 电子线路中用于阻断、耦合、交直流分离、 滤波和能量存贮等
ppt课件
T0
10
第律：要确定热电势的大小必须保证A、B两种材料的化学成 分和物理状态完全均匀，否则将要难以获得确定的热电势
中间导体定律：如果在回路中引入第三种金属导体，那么只要第三种 金属接入的两端温度相同，则对原回路年产生的热电势不发生影响
中间温度定律：只要两种材料厂均质，两端温度恒定，即使回路中某 一部分处于任何其他温度，原回路产生的热电势不变
科研和工程中最重要的参数，有的材料可达70%以上
四、压电材料种类
晶 体 ： 石 英 、铌 酸 锂 (LiNbO3)、 材料 碘酸锂等
介电常数
半导体：CdS, CdSe, ZnO, ZnS, ZnTe, ZdTe, GaAs, GaSb等
机电耦合系 数/%
罗息盐 350 73
压电陶瓷：BaTiO3, PbTiO3
Qm
2
Wm Wm
Wm为每振动周期内单位体积存贮的机械能；△W为每振动周期内单位体 积损耗的机械能
Qm与振动模式有关，如压电振子的形状p、pt课振件动的晶体学方向、振动频率等
4
第六节 压电材料-4
2、机电耦合系数 k机输 械入 能的 转机 变械 的 (正 能 电 压能 电)效应
或
k静转 电化 场的 下机 输械 入能 (的 逆电 压能 电)效应
ppt课件
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第六节 压电材料-1
一、正压电效应和逆压电效应 正压电效应：材料受到应力作用而处于应变状态时，材料内部会引 起电极化和电场，表面出现感应电荷。 逆压电效应：材料受到电场力作用产生电极化时，材料会产生应变。
二、压电效应的机制 无对称中心的晶体中正负离子的位移引起压电效应
具有反演对称中心的晶体无压电效应 ppt课无件反演对称中心的石英晶体有压电效应 2
称SA和SB分别为材料A和B的塞贝克系数
一些元素的热电势排序（前者热电势相对于后者为正）：
Si, Sb, Fe, Mo, Cd, W, Au, Ag, Zn, Rh, Ir, Tl, Cs, Ta, Sn, Pb, Mg, Al, Hg, Pt, Nd, Pd, K, Ni, Co, Bi
第六节 压电材料-2
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压电体必须是离子晶体或离子团组成的分子
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第六节 压电材料-3
三、压电材料主要工程参数
1、机械品质因素
压电振子：具有一定取向和形状的压电晶片具有固有的机械谐振频率。 当外电场的频率与其一致时，由于逆压电效应会产生机械谐振。这种 晶片称压电振子。
压电振子在谐振子时，会产生内耗，造成机械能损失，反映这种机械能损 耗程度的参数为机械品质因数Qm，定义为：
二、热释电效应机制
电气石中发现：硫磺粉末（黄色）和 氧化铅粉末（红色）混合，用丝质筛 子筛洒加热后的电气石，它们将分别 覆盖于电气石沿三次轴方向的两端。
电气石是一种具有固有极化的晶体
温度引起的自发极化的改变。自发极化的改变来自于离子的位移
ps T 为热释；电 Ps为系 自数 发极 ；T为 化温 强度 度
ppt课件
钛酸钡 1700
21
PZT 1200
30
水晶 4.5 10
5
第六节 压电材料-5
五、压电材料的应用举例
1、水声换能器 水中声纳=空中雷达
实现水中电能与声能的相互转化
2、压电超声换能器
利用逆压电效应，在高强度电场下产生高强度超声波，用 于超声清洗、超声乳化、超声粉碎、超声治疗等
3、压电点火器