高介电常数材料有哪些，高介电材料的概述

1 基本概念 

      高介电材料的概念最初来源于半导体行业，和二氧化硅相比，介电常数高的材料称为高介电材料。后来，这个用法扩展到电子电气行业，并引发了研发高介电材料的热潮 

      电介质在外加电场下会发生极化，如图 1.1 所示，介电常数（ε）是电介质的核心参数，可以用来表征电介质在外加电场下极化和储存电荷的能力。材料的介电常数很小，通常用相对介电常数来表述，即材料的实际介电常数和真空介电常 

数（ε0，8.85x10-12 F/m）的比值。在本文中，除特别说明外，介电常数都是指相对介电常数。 

       在交变电场下，电介质的电场响应复杂，这时候材料的介电性能通常用复数形式的介电常数（ε*）表示，如公式 1.1  所示。当给电介质施加交变电场，内部电荷分布的结构会发生相应的变化，正负电荷迁移，或偶极取向，产生极化，相应的可以用介电常数实部（ε′）表征；电荷迁移或偶极取向的过程中，会损失部分电能，可以用介电常数的虚部（ε″）（也有文献中叫介电损耗因子）来表征。介电常数虚部和实部的比值称为介电损耗（tan δ），如公式 1.2 所示。介电损耗主要来源有界面极化、偶极松弛和漏电电流，因此损耗因子可以由公式 1.3来表示。电介质的电场响应非常复杂，有时候为了便于分析电介质的极化和松弛现象，人们常采用电模量参数。电模量可以忽略漏电电流和电极差异的影响，能很好的反映低频下界面极化和偶极取向的电场响应。电模量常用复数形式表示，分为实部和虚部，如公式 1.4  所示：

       在两块平行的电极中间填入电介质，可以形成最常见的平行板电容器。当一外在电压施加到两电极上时，电极上就会聚集相应的电荷。其中，电荷的总量和电压成正比，比值为平板电容器的电容。

      其中，Q 为电量，V 为电压，C 为电容。电容的大小不仅和电介质的介电常数有关，还和电极的几何形状有关，符合如下关系：

       其中 A  是电极的面积，d 是平板间的距离。平板电容在施加电压的时候可以储存电能，中间的电介质材料也会发生极化。它的极化曲线（电滞曲线）如图 1.2  所示，电位移随施加电场的增大而增大。图中阴影部分为材料的放电能量密度，也叫储能密度，它也可以用以下公式计算：

        储能密度的大小和电场有关，对线性材料，储能密度和电场的平方成正比，可以 用如下公式表示：

图中曲线包围的区域（斜线部分）为损耗能量密度，损耗能量密度和放电能量密度之和为充电能量密度，放电能量密度与充电能量密度的比值为储能效率：