常见的热电材料有哪些(《中国大百科全书（第2版）》读书笔记9133-电介质物理)

Posted 2023-05-25

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常见的热电材料有哪些(《中国大百科全书（第2版）》读书笔记9133-电介质物理)

电介质物理 dielectrics physics

凝聚态物理学的分支。物质对外加电场的响应有两种基本的形式：电传导和电极化。电极化是正负电荷重心相对偏离而使物质呈现极性亦即极化强度不为零的现象。极化强度（简称极化）P是单位体积内电偶极矩的矢量和：

是电偶极矩，是电荷至的矢量。在电场作用下可建立极化或极化状态发生变化的物质称为电介质。电介质物理的研究内容主要有两方面：

①极化的微观机制和极化过程；②在各种外界条件作用下极化状态的变化以及由此引起的物理性能的变化。通过这些研究，力图从原子和分子水平上阐明电极化的过程和规律，阐明介质的宏观性质与微观结构的关系，以改进电介质的性能，发展新的电介质材料和扩展电介质的应用。

1.发展简史

人类对电介质的认识是从电绝缘开始的，电介质正是作为电绝缘材料而在很早就得到应用。随着电工和电子技术的发展，电介质又被广泛用作电容器材料。与这两大应用相适应，人们开始从物理学的角度研究电介质，逐步形成了以极化、损耗、电导和击穿四大参数为基本内容的电介质物理学。

虽然1880年发现了压电性，1920年发现了铁电性，但大约到20世纪年代以后铁电体等新型电介质及其应用的出现，电介质物理才有了长足的进展。

人们力图从统一的观点阐明极化（包括自发极化）的微观机制以及极化状态在各种外界条件下的变化，并采用了各种实验手段和理论方法，这就深化和丰富了电介质物理的研究，使之突破了传统的四大参数的范围。

2.电容率和极化率

在电场作用下出现极化或极化发生变化是电介的最基本特性，所以描写电介质的最主要参量是电容率（即介电常量）和介电极化率。电容率ε是介质中电位移对电场下的变化率。在各向同性的线性电介质中，，这里是极化，是真空电容率。叫相对电容率。

极化过程中有能量损耗，一般情况下电容率要用一个复量来表示：。单位时间单位体积内的能量损耗正比于，称为介电损耗正切。介电极化率正比于极化对电场的变化率：，显然。

极化的产生和变化是原子或分子中正负电荷相对偏移的结果，从微观上描写极化需要引入原子极化率或分子极化率，，是作用于该原子或分子的电场，是该电场引起的电偶极矩。

3.介质中的电场

电介质中的电场是外加电场与极化了的电介质所产生的电场之和。一个微观大宏观小的试验电荷在电场中所受的力与其电荷量之比给出的电场叫宏观电场。出现于宏观性质参量（如电容率和介电极化率等）中的电场是宏观电场。

电介质中的宏观电场等于外加电场与退极化场之和，后者是电介质的贡献。极化了的电介质在其表面出现束缚电荷，该电荷在介质内部产生的电场总是与极化的方向相反，故名退极化场。

从微观上描写电介质（如计算原子极化率或分子极化率）时，需要知道作用于某一原子或分子上使之极化的有效电场。它是在微观尺度上来表征的，通常随所考虑位置的不同而有显著的差别。这是一种微观场。为强调它随位置而不同的特点，常称为电介质局域场。

极化了的电介质是由许多偶极子组成的，因为每个极化了的原子或分子都是偶极子。这些偶极子都将在所考虑点产生电场。局域场等于外加电场加上除开所考虑的那个原子或分子以外介质中全部电偶极子在该点所产生的电场。

为了计算后者，H.A.洛伦兹提出了一种方法。设想在介质中以所考虑点为中心挖一个宏观小微观大的球形空腔。对球体如实考虑原子或分子的排列情况，球内偶极子在所考虑点产生的电场用逐个求和法计算。对球外则作为连续介质处理。

计算表明，如果偶极子的排列有立方对称性或是完全无规的，则球内偶极子在所考虑点的电场为零，局域场等于外加电场、退极化场与之和，即宏观场与之和。不过这里的电偶极子都是电场诱发的，对于分子具有固有电偶极矩的极性介质，洛伦兹的结果不适用。总起来看，局域场问题迄今还没有得到很好的解决。

4.极化机制

电介质的极化有三种主要的机制，即电子极化、离子极化和偶极子转向极化。

电子极化是在所有材料中普遍存在的极化机制。电场作用下电子相对于原子核发生偏移，使电子云的负电荷重心与原子核的正电荷重心不相重合，形成电偶极子。

电子质量很小，电子运动对光频电场仍能响应，所以电子极化在直流至光频范围都存在。事实上光频电场是电子极化唯一的极化机制。电介质光频的极化特性用折射率表示。非磁性电介质的折射率等于相对电容率的平方根：。

离子极化是指离子晶体中正负离子在电场作用下分别偏离平衡位置而产生电偶极子。这种极化在低频电场中可认为是瞬时的，但频率升高到红外区时离子运动已跟不上电场的变化，所以在红外和更高频的电场中这种极化不再存在。

有些物质（如水等）中由于分子结构的不对称性存在着固有偶极子。电场中电偶极子受到一个力矩的作用转到与电场平行的方向。除开这种分子结构本身造成的偶极子外，更常见的是所谓“缺陷偶极子"。它由带电的点缺陷形成，在电场作用下也发生转向运动。偶极子在电场中的转向运动是一个热激活过程，因此响应比较慢。响应时间取决于激活能和温度，通常在秒或更长。

上述三种极化都是在电场作用下出现的。有一些电介质，如钛酸钡（）和磷酸二氢钾（）等，在其各自的特征温度以下不需要任何电场的作用即具有自发极化，而且自发极化可在电场作用下改变方向。这类电介质称为铁电体。

铁电体的电容率较普通电介质大很多，在电场较强时极化与电场呈电滞回线。深入阐明极化的机制待别是自发极化的起因是电介质物理的一个主要方面。

5.功能效应

各种外界条件作用下，电介质的极化状态发生变化，从而导致其性能改变并出现一些新的性能，这就是电介质的功能效应。

电场作用下介质出现极化且极化发生变化，介质对直流电起隔离作用，但交流电可借助感应而顺利通过。电容率越大，电极表面出现的电荷就越多，介质内储存的能量也越多。根据这个特性电介质被大量用作电容器材料。

铁电体中自发极化取向相反的状态是两个稳定的状态。足够强的交变电场可引起自发极化反转，从而在电极上交替出现数量相等的正负电荷。这种正负电荷与双稳态对应的特性可用来存储信息。这是当前广为研究的非挥发性铁电存储器的基础。

一些不具有对称中心的电介质，如α-石英晶体和所有的铁电体中，电场可诱发与之成正比的应变，应力可诱发与之成正比的极化，这就是压电效应。利用压电效应发展了许多传感器和换能器，在高新技术中占有重要地位。

任何电介质中电场均可导致与其平方成正比的应变，称为电致伸缩效应。有些电介质如一些弛豫铁电体中该应变相当大，据此发展了电致伸缩材料，制成了精密位移器等器件。

电介质的自发极化是温度的函数。温度改变时极化的变化将使与电介质相连接的外电路中出现电荷的释放和吸收，称为热电效应。热电材料在红、外探测和热电成像方面有重要的应用。

驻极体是一类具有长期存储电荷能力的电介质材料，兼具压电和热电等功能效应，己广泛用于声电和电声传感器和静电复印技术。

光频电场作用下电介质的极化过程表现为电子相对于原子核的光频振动，被极化的物质成为电磁波（光波）的发射源。如果入射光频电场很强将引起非线地极化，即发射的光波中有二倍于或多倍于入射光频率的成分。这是非线性光学效应的表现。非线性光学效应是激光倍频等技术的基础。

光频范围极化的难易程度用折射率表示，等于光频相对电容率的平方根。折射率可因各种外场发生变化。直流或低频强电场作用下折射率的变化称为电光效应。应力作用下折射率的变化称为声光效应。光频强电场作用下折射率的变化称为光折变效应。基于这些效应分别发展了电光材料、声光材料和光折变材料。它们在光学和光电子技术中有重要应用。

6.介电击穿

电绝缘特性与上述各种性能不同，指的是电介质对强电场的耐受能力，主要指标是击穿强度，即介质不被击穿的最大电场。击穿是强电场下空间电荷的大量激发、强烈转移并导致结构破坏的现象。

电绝缘材料虽然关系到束缚电荷在强电场下的极化限度，但它涉及的主要不是极化问题。历史上电介质与绝缘体几乎是同义词，那时电介质只是作为绝缘材料得到实用。后来在电介质中发现了多种功能效应，大大扩展了电介质的应用范围。

但由于电的使用离不开绝缘材料，无论过去、现在或将来电绝缘材料都是不可或缺的，所以电绝缘特性也是电介质物理的研究内容。

固体电介质的击穿有电击穿、热击穿和化学击穿三种类型。电击穿又称本征击穿。介质中总是存在少量的传导电子，当它们在强电场中被加速，所得到的能量超过其与晶格碰撞失去的能量并被继续加速时，可在介质中产生碰撞电离，结果电导急剧上升导致击穿。

介质中由电导和介电损耗所产生的热量超过试样通过传导、对流和辐射所散发的热量时，试样中的热平衡就被破坏，温度不断上升造成介质永久性破坏，这就是热击穿。

化学击穿起源于电化学反应。介质中强电场产生的电流在高温等条件下可弓起电化学反应，如出现电解、还原等。分离出来的物质在两电极间构成导电通路，或介质中的气泡放电形成一氧化碳之类的有害物质使气泡与壁接触处腐蚀，使局部电导增加导致局部击穿，最后扩展成完全击穿。

电介质的击穿涉及材料的结构、杂质、缺陷、电子与声子以及电子与电子的相互作用，虽经多年努力，但仍没有得到很好的解决。

推荐书目

钟维烈. 铁电体物理学. 北京：科学出版社，1996.

夏钟福. 驻极体. 北京：科学出版社，2001.

殷之文，方俊鑫. 电介质物理学. 北京：科学出版社，2003.

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第5册，中国大百科全书出版社，2009年