高介電常數材料有哪些，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體行業，和二氧化硅相比，介電常數高的材料稱為高介電材料。后來，這個用法擴展到電子電氣行業，并引發了研發高介電材料的熱潮 

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

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

       在交變電場下，電介質的電場響應復雜，這時候材料的介電性能通常用復數形式的介電常數（ε*）表示，如公式 1.1  所示。當給電介質施加交變電場，內部電荷分布的結構會發生相應的變化，正負電荷遷移，或偶極取向，產生極化，相應的可以用介電常數實部（ε′）表征；電荷遷移或偶極取向的過程中，會損失部分電能，可以用介電常數的虛部（ε″）（也有文獻中叫介電損耗因子）來表征。介電常數虛部和實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。電介質的電場響應非常復雜，有時候為了便于分析電介質的極化和松弛現象，人們常采用電模量參數。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。電模量常用復數形式表示，分為實部和虛部，如公式 1.4  所示：

       在兩塊平行的電極中間填入電介質，可以形成最常見的平行板電容器。當一外在電壓施加到兩電極上時，電極上就會聚集相應的電荷。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的介電常數有關，還和電極的幾何形狀有關，符合如下關系：

       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候可以儲存電能，中間的電介質材料也會發生極化。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算：

        儲能密度的大小和電場有關，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：