高介電常數(shù)材料有哪些，高介電材料的概述

1 基本概念 

      高介電材料的概念最初來源于半導(dǎo)體行業(yè)，和二氧化硅相比，介電常數(shù)高的材料稱為高介電材料。后來，這個用法擴(kuò)展到電子電氣行業(yè)，并引發(fā)了研發(fā)高介電材料的熱潮 

      電介質(zhì)在外加電場下會發(fā)生極化，如圖 1.1 所示，介電常數(shù)（ε）是電介質(zhì)的核心參數(shù)，可以用來表征電介質(zhì)在外加電場下極化和儲存電荷的能力。材料的介電常數(shù)很小，通常用相對介電常數(shù)來表述，即材料的實(shí)際介電常數(shù)和真空介電常 

數(shù)（ε0，8.85x10-12 F/m）的比值。在本文中，除特別說明外，介電常數(shù)都是指相對介電常數(shù)。 

       在交變電場下，電介質(zhì)的電場響應(yīng)復(fù)雜，這時(shí)候材料的介電性能通常用復(fù)數(shù)形式的介電常數(shù)（ε*）表示，如公式 1.1  所示。當(dāng)給電介質(zhì)施加交變電場，內(nèi)部電荷分布的結(jié)構(gòu)會發(fā)生相應(yīng)的變化，正負(fù)電荷遷移，或偶極取向，產(chǎn)生極化，相應(yīng)的可以用介電常數(shù)實(shí)部（ε′）表征；電荷遷移或偶極取向的過程中，會損失部分電能，可以用介電常數(shù)的虛部（ε″）（也有文獻(xiàn)中叫介電損耗因子）來表征。介電常數(shù)虛部和實(shí)部的比值稱為介電損耗（tan δ），如公式 1.2 所示。介電損耗主要來源有界面極化、偶極松弛和漏電電流，因此損耗因子可以由公式 1.3來表示。電介質(zhì)的電場響應(yīng)非常復(fù)雜，有時(shí)候?yàn)榱吮阌诜治鲭娊橘|(zhì)的極化和松弛現(xiàn)象，人們常采用電模量參數(shù)。電模量可以忽略漏電電流和電極差異的影響，能很好的反映低頻下界面極化和偶極取向的電場響應(yīng)。電模量常用復(fù)數(shù)形式表示，分為實(shí)部和虛部，如公式 1.4  所示：

       在兩塊平行的電極中間填入電介質(zhì)，可以形成最常見的平行板電容器。當(dāng)一外在電壓施加到兩電極上時(shí)，電極上就會聚集相應(yīng)的電荷。其中，電荷的總量和電壓成正比，比值為平板電容器的電容。

      其中，Q 為電量，V 為電壓，C 為電容。電容的大小不僅和電介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，還和電極的幾何形狀有關(guān)，符合如下關(guān)系：

       其中 A  是電極的面積，d 是平板間的距離。平板電容在施加電壓的時(shí)候可以儲存電能，中間的電介質(zhì)材料也會發(fā)生極化。它的極化曲線（電滯曲線）如圖 1.2  所示，電位移隨施加電場的增大而增大。圖中陰影部分為材料的放電能量密度，也叫儲能密度，它也可以用以下公式計(jì)算：

        儲能密度的大小和電場有關(guān)，對線性材料，儲能密度和電場的平方成正比，可以 用如下公式表示：

圖中曲線包圍的區(qū)域（斜線部分）為損耗能量密度，損耗能量密度和放電能量密度之和為充電能量密度，放電能量密度與充電能量密度的比值為儲能效率：