陶瓷材料电学性能

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MLSH
1111
超材料及其对材料研究的启示
Ni-Al2O3 Composites
Z.C.Shi, R.H.Fan* et al, Advanced Materials, 2012,24,2349–2352
The permittivity of metal is given by
() 1
2 ep
( i )
Plasma
frequency:
2 ep

ne2
0 me
(typically in the UV region)
where n is the electron density, and me is the electron mass
FA20
Subspectrum Fe Sextet
Fe3O4 Sextet Fe3+ Doublet(1) Fe2+ Doublet(2)
IS/mm·s-1 0.00 0.45 0.30 0.83
QS/mm·s-1 0.00 0.14 0.53 1.83
Magnetic field/T 33.14 44.28 -
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•88
超材料及其对材料研究的启示
两类双负材料
损耗型 基于金属的等离体子振荡，频带宽，可调性好 透明型 基于各种介电谐振和磁谐振，通带较窄。研究热点。
1000uW/cm2 ~ 5uW/cm2
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44
关于电学物理性能参数
➢ 金属也绝缘 ➢ 金属亮晶晶 ➢ 微波炉防护 ➢ 磁性存极限
电磁波谱
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Damping factor:


0
where is the electric conductivity
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In the visible region, () is negative for most metals. At lower frequencies, permittivity is imaginary.
n


Maxwell’s equation: k E H , k H E
n>0
E
( > 0 , > 0)
k
S H
Right handed materials
n<0
E
( < 0 , < 0)
k
S
H
Left handed materials
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66
超材料及其对材料研究的启示
DNMs open a new field in physics, engineering, material science and optics
荷电粒子远距离 的移动
荷电粒子短距离 的移动
偶极矩的变化
电导率 介电常数 压电常数
导电性能 介电性能 压电性能
按电学功能，陶瓷分为绝缘陶瓷、介电陶瓷、压电陶瓷、铁电
陶瓷、半导体陶瓷、电解质陶瓷、导电陶瓷、超导陶瓷等。
两类荷电粒子 ➢ 电子或空穴 迁移率高 质量轻 ➢ 离子或空位 迁移率低 质量重
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1122
Ni-Al2O3 Composites
超材料及其对材料研究的启示
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1•155
超材料及其对材料研究的启示
(a)
(b)
Silver particle Alumina
Air
Vacuum
(c)
(d)
Numerical simulation (a, b) and equivalent circuit analysis (c, d) results
In electromagnetism (covering areas like optics and photonics), a meta material (or metamaterial) is an object that gains its (electromagnetic) material properties from its structure rather than inheriting them directly from the materials it is composed of. This term is particularly used when the resulting material has properties not found in naturally formed substances.
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陶瓷材料电学性能
范润华
fan@sdu.edu.cn 材料液固结构演变与加工教育部重点实验室(MLSH) 山东大学材料科学与工程学院无机非金属材料研究所
提纲
关于电学物理性能参数 超材料(metamaterials)及其对材料研究的启示 高介材料与电容器储能 逾渗与导体-绝缘体复合材料电学性能 固体电解质的若干问题 结束语
世界上第一块Metamaterials
UCSD, PRL 84, 4184 (2000)
Is it possible for “true” materials rather than
metamaterials to have double negative properties
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55
超材料及其对材料研究的启示
Double Negative Materials (DNMs) having simultaneous negative permittivity and permeability
Refractive index: n2
When < 0 and < 0 simultaneously, we have to choose
正在 连接
通话 中
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•99
超材料及其对材料研究的启示
➢Double Negative Materials, DNMs ➢ Left-handed materials, LHMs ➢Metamaterials (超材料?) ➢Negative Refraction Index, NRI ➢ Backward Wave Media, BWM
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Line width 0.28 0.58 0.37 0.58
MLSH
A/% 40.5 13.7 35.2 10.5
1•188
超材料及其对材料研究的启示
Negative Permittivity
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MLSH
•77
超材料及其对材料研究的启示
About Metamaterials
Metamaterials realized based on split ring resonators- Resonant Approach towards DNM
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1133
Ag-Al2O3 Composites
超材料及其对材料研究的启示
Z.C.Shi, R.H.Fan et al, APL 2011,99(1):071127
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Insititute of Inorganic Nonmetallic Materials
22
作用物理量 感应物理量
关于电学物理性能参数
电场对材料的作用
公式
材料内部的变化 性能参数
性能类别
电场E
电流密度J 极化强度P 材料形变
J=E P=(r-1)0E =d E
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MLSH 16
超材料及其对材料研究的启示
Fe-FeAl2O4-Fe3O4-Al2O3 Bulk Nanocomposites
MLSH
1•144
超材料及其对材料研究的启示
(a)
(b)
(c)
(d)ຫໍສະໝຸດ Baidu
Effect of silver content on the frequency dependence of impedance (a, b) and permittivity (c, d) Z.C.Shi, R.H.Fan et al, APL 2011,99(1):071127
MLSH
1•100
超材料及其对材料研究的启示
Random composites for double negative materials
Ni-Al2O3 Composites
Z.C.Shi, R.H.Fan* et al, Advanced Materials, 2012,24,2349–2352
iCU
代表储存电能能力, 反映了电损耗
交变电场条件下
U
➢磁导率( )是材料对一个外加磁场线性反应的
磁化程度，实际上反映了磁化的难易。电子旋转
。
= - i
代表储存磁能的能力， 反映了磁损耗
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80
MLSH
1•177
超材料及其对材料研究的启示
Relative Intensity
-Fe
Fe3O4 FeAl2O4 -(Fe0.085Al0.915)2O3
16.5mol.% 1.9mol.% 4.3mol.%
77.3mol.%
FA20
-10
-5
0
5
10
Velocity (mm/s)
Sample
电介质与电解质
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33
关于电学物理性能参数
➢材料在电场作用下，表现为导电或极化，分别
用电导率和介电常数衡量。电荷的迁移。GU
= - i
Fe O 34
(Fe Al ) O x 1-x 2 3
Fe
FA60
Intensity(Relative)
FA50 FA40 FA20 FA10
20
30
40
50
60
2 degree
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70
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1199
超材料及其对材料研究的启示
负介电与等离体振荡特性
材料电阻率的影响 导电网络的形成 负介电常数可能与自由电子的等 离体振荡有关