高介电常数电介质
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实际情况：
物理意义： 相对介电常数（实部和虚部）随所加电场的频率而变化。
电介质在恒定电场作用下，从建立极化到其稳定 状态，一般来说要经过一定时间；
建立电子位移极化和离子位移极化，到达其稳态 所 需 时 间 约 为 10-16~10-12 秒 在 无 线 电 频 率 （5×1012Hz以下）范围，仍可认为是极短的， 因此这类极化又称为无惯性极化或瞬时位移极化； 这类极化几乎不产生能量损耗；
非铁电体
无相变（目前未发现）
极化主要是空点电荷极化
2.CCTO 陶瓷的介电性能
2001年，Ramirez 和 Subramanian 等人发现 具有类钙钛矿结构的 CaCu3Ti4O12（CCTO） 具有优异的介电性能
介电常数高，可达105以上 介电常数在100K~600K范围
几乎不随温度而变化 工艺简单，空气中一次烧成 无相变发生
高介电陶瓷的介电响应机理
李涛 2012.5.29
一、高介电电介质陶瓷的应用
• 电容器的用途
• （1）能量储存 • （2）调谐、振荡 • （3）滤波旁路
电容器的种类
有机介质电容器
无机介质电容器
电解电容器 可变电容器
云母电容器 玻璃釉电容器 陶瓷电容器
独石电容器
铁电陶瓷电容器
陶瓷电容器
反铁电陶瓷电容器
• Pr的出现使电滞回线不再沿开始的极化曲 线返回原点
BaTiO3的居里温度：铁电体向顺电体转变的温度。
对居里点得解释：
电子的能量也可以依靠热运动来
10000
获得。一定的温度使得Ba的外层
电子轨道无法再俘获外来的电子，
8000
10kHz Heating 10kHz Cooling
使得极化不再出现，这一温度叫 居里点。利用经典的方法：
•Hale Waihona Puke BaiduBaTiO3晶体结构
• 一般铁电体的晶体 结构：一般为层状 钙钛矿型。
• 铁电体的成键特点 和电子分布：正离 子一般为多层多电 子型，以较弱的离 子键成键。
• Ti-O-Ti以网格状分 布与一层中，Ba 离子单独于一层中。 （见图）
离子位移极化
BaTiO3 的电子构型
Ba正离子: 1S2 2S2 2P 6 3S2 3P 6 3d10 4S2 4P 6 4d105S2 5P 6 Ti正离： 1S 2 2S 2 2P63S 23P6 O负离子：1S 2 2S 2 2P6
3.优良的压敏特性
（1）.压敏电阻
“压敏电阻是中国大陆的名词，意思是"在一定电流电压范围内电阻值 随电压而变"，或者是说"电阻值对电压敏感"的阻器。相应的英文名称 叫“Voltage Dependent Resistor”
压敏电阻器是一种具有瞬态电 压抑制功能的元件，可以用来代替 瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电 容器的组合。压敏电阻器可以对IC 及其它设备的电路进行保护，防止 因静电放电、浪涌及其它瞬态电流 （如雷击等）而造成对它们的损坏。
lg(V2 V1 )
4.CCTO 巨介电常数及压敏特性的解释机理 IBLC阻挡层模型
外来离子的影响：
•如在Ba层中引入结构比较复杂 的离子如：La系，由于La系有(n2)f,(n-1)d等能级更低的轨道，故 电滞Pr较大；若在Ti-O-Ti层中引 入La等，则电子不易偏向Ba层， 从而使Pr更小。（图）。
二、CCTO及陶瓷的介电、压敏特性
1. CCTO陶瓷的晶体结构
CCTO晶体结构
（按介质分类） 非铁电陶瓷电容器
半导体陶瓷电容器
表层陶瓷电容器 晶界层陶瓷电容器
二、电介质的介电常数
平行板电容器示意图
无介质
有介质
C0
Q0 V
C Q0 Q' V
r
C C0
C
A d
0
r
介电常数：表征电介质极化能力的参数
理想电容器加上交变电压
V V0it
回路电流： I = iωC0V
3.CCTO 陶瓷的压敏特性
非线性系数a是表征压敏电阻 器压敏性能好坏的重要参数。
2004年S.Chung等人发现 CCTO陶瓷样品在 5～100mA 的 范围内测得的非线性系数a高达 912。
2005年V.P.B.Marques 等人 也报到了CCTO具有优良的压敏 电阻特征。
I KV
lg(I 2 I1 )
mv2
56e 2
14e 2
n
4 0rG 0rG
可见 r 越大居里点越高。当然
这只是一种趋向，不能由此计算
6000
'
4000
2000
0
150
200
250
300
350
400
T(K)
居里点（经典理论不适用于原子
尺寸）。
电滞出现的条件：
• 温度在居里点以下 • 正离子为多质子核，且n/r 足够大 • 正离子核外有空的且能级比较低的轨道 • 负离子为非强电负性 • 晶体结构为对称的层状结构
BaTiO3极化特性的解释：
• E作用下电子的偏移 • Ba离子核外空轨道：4f.5p.5d.6S。能量均较低，可以比
较容易地容纳电子。 • Ti-O-Ti层电子的丢失 ：Ba外层电子轨道俘获从Ti-O-Ti
层偏移来电子 • 电滞（Pr）出现：电子在Ba层中的滞留
• 正反电滞的出现：BaTiO3晶体层状对称性， 反向电场(-E)使电子偏向Ti-O-Ti层另一侧 的Ba层，表现为反向的电滞（-Pr）。
偶极子转向极化和空间电荷极化，在电场作用下 则要经过相当长的时间（10-10秒或更长）才能达 到其稳态，所以这类极化称为有惯性极化或驰豫 极化；这种极化损耗能量；
三、铁电体BaTiO3的极化机理
• 一般铁电体的晶体结构和成键特点和 电子分布
• BaTiO3 的电子构型 • BaTiO3极化特性的解释 • 对居里点的解释 • 电滞出现的条件 • 外来离子的影响
物理意义： 相对介电常数（实部和虚部）随所加电场的频率而变化。
电介质在恒定电场作用下，从建立极化到其稳定 状态，一般来说要经过一定时间；
建立电子位移极化和离子位移极化，到达其稳态 所 需 时 间 约 为 10-16~10-12 秒 在 无 线 电 频 率 （5×1012Hz以下）范围，仍可认为是极短的， 因此这类极化又称为无惯性极化或瞬时位移极化； 这类极化几乎不产生能量损耗；
非铁电体
无相变（目前未发现）
极化主要是空点电荷极化
2.CCTO 陶瓷的介电性能
2001年，Ramirez 和 Subramanian 等人发现 具有类钙钛矿结构的 CaCu3Ti4O12（CCTO） 具有优异的介电性能
介电常数高，可达105以上 介电常数在100K~600K范围
几乎不随温度而变化 工艺简单，空气中一次烧成 无相变发生
高介电陶瓷的介电响应机理
李涛 2012.5.29
一、高介电电介质陶瓷的应用
• 电容器的用途
• （1）能量储存 • （2）调谐、振荡 • （3）滤波旁路
电容器的种类
有机介质电容器
无机介质电容器
电解电容器 可变电容器
云母电容器 玻璃釉电容器 陶瓷电容器
独石电容器
铁电陶瓷电容器
陶瓷电容器
反铁电陶瓷电容器
• Pr的出现使电滞回线不再沿开始的极化曲 线返回原点
BaTiO3的居里温度：铁电体向顺电体转变的温度。
对居里点得解释：
电子的能量也可以依靠热运动来
10000
获得。一定的温度使得Ba的外层
电子轨道无法再俘获外来的电子，
8000
10kHz Heating 10kHz Cooling
使得极化不再出现，这一温度叫 居里点。利用经典的方法：
•Hale Waihona Puke BaiduBaTiO3晶体结构
• 一般铁电体的晶体 结构：一般为层状 钙钛矿型。
• 铁电体的成键特点 和电子分布：正离 子一般为多层多电 子型，以较弱的离 子键成键。
• Ti-O-Ti以网格状分 布与一层中，Ba 离子单独于一层中。 （见图）
离子位移极化
BaTiO3 的电子构型
Ba正离子: 1S2 2S2 2P 6 3S2 3P 6 3d10 4S2 4P 6 4d105S2 5P 6 Ti正离： 1S 2 2S 2 2P63S 23P6 O负离子：1S 2 2S 2 2P6
3.优良的压敏特性
（1）.压敏电阻
“压敏电阻是中国大陆的名词，意思是"在一定电流电压范围内电阻值 随电压而变"，或者是说"电阻值对电压敏感"的阻器。相应的英文名称 叫“Voltage Dependent Resistor”
压敏电阻器是一种具有瞬态电 压抑制功能的元件，可以用来代替 瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电 容器的组合。压敏电阻器可以对IC 及其它设备的电路进行保护，防止 因静电放电、浪涌及其它瞬态电流 （如雷击等）而造成对它们的损坏。
lg(V2 V1 )
4.CCTO 巨介电常数及压敏特性的解释机理 IBLC阻挡层模型
外来离子的影响：
•如在Ba层中引入结构比较复杂 的离子如：La系，由于La系有(n2)f,(n-1)d等能级更低的轨道，故 电滞Pr较大；若在Ti-O-Ti层中引 入La等，则电子不易偏向Ba层， 从而使Pr更小。（图）。
二、CCTO及陶瓷的介电、压敏特性
1. CCTO陶瓷的晶体结构
CCTO晶体结构
（按介质分类） 非铁电陶瓷电容器
半导体陶瓷电容器
表层陶瓷电容器 晶界层陶瓷电容器
二、电介质的介电常数
平行板电容器示意图
无介质
有介质
C0
Q0 V
C Q0 Q' V
r
C C0
C
A d
0
r
介电常数：表征电介质极化能力的参数
理想电容器加上交变电压
V V0it
回路电流： I = iωC0V
3.CCTO 陶瓷的压敏特性
非线性系数a是表征压敏电阻 器压敏性能好坏的重要参数。
2004年S.Chung等人发现 CCTO陶瓷样品在 5～100mA 的 范围内测得的非线性系数a高达 912。
2005年V.P.B.Marques 等人 也报到了CCTO具有优良的压敏 电阻特征。
I KV
lg(I 2 I1 )
mv2
56e 2
14e 2
n
4 0rG 0rG
可见 r 越大居里点越高。当然
这只是一种趋向，不能由此计算
6000
'
4000
2000
0
150
200
250
300
350
400
T(K)
居里点（经典理论不适用于原子
尺寸）。
电滞出现的条件：
• 温度在居里点以下 • 正离子为多质子核，且n/r 足够大 • 正离子核外有空的且能级比较低的轨道 • 负离子为非强电负性 • 晶体结构为对称的层状结构
BaTiO3极化特性的解释：
• E作用下电子的偏移 • Ba离子核外空轨道：4f.5p.5d.6S。能量均较低，可以比
较容易地容纳电子。 • Ti-O-Ti层电子的丢失 ：Ba外层电子轨道俘获从Ti-O-Ti
层偏移来电子 • 电滞（Pr）出现：电子在Ba层中的滞留
• 正反电滞的出现：BaTiO3晶体层状对称性， 反向电场(-E)使电子偏向Ti-O-Ti层另一侧 的Ba层，表现为反向的电滞（-Pr）。
偶极子转向极化和空间电荷极化，在电场作用下 则要经过相当长的时间（10-10秒或更长）才能达 到其稳态，所以这类极化称为有惯性极化或驰豫 极化；这种极化损耗能量；
三、铁电体BaTiO3的极化机理
• 一般铁电体的晶体结构和成键特点和 电子分布
• BaTiO3 的电子构型 • BaTiO3极化特性的解释 • 对居里点的解释 • 电滞出现的条件 • 外来离子的影响