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2低介电系数电介质薄膜材料课案
低介电系数电介质薄膜材料 介电系数及其影响因素 低介电系数电介质薄膜材料 降低材料介电系数的方法 有机高分子薄膜国内外研究现状 有机高分子类低介电系数材料 介电系数及其影响因素 极 化 电介质在电场作用下发生 极化 时 其 极化程度 的量度 介电系数 ε 在外电场的作用下 分子中电荷分布所发生的相应变化 特点:不随温度变化,仅取决于分子中电子云的分布情况 电子极化 分子极化类型 电子极化:在外电场作用下每个原子中 价电子云 相对于原子核的位移 原子极化:外加电场所引起的 原子核 之间的相对位移 原子极化 取向极化 电子极化 原子极化 变形极化(亦称诱导极化) 介电系数及其影响因素 介电系数及其影响因素 具有永久偶极矩的极性分子 置于均匀外电场时 除诱导极化外,还能发生取向极化。 特点: 偶极子的取向与温度有关 分子的热运动总是使偶极子取向趋于杂乱 取向极化:偶极子沿电场方向进行排列 高 分 子 材 料 的 极 化 在外电场作用下 高分子链内偶极基团沿外电场方向排列取向 (a)无电场时 (b)有电场时 高分子链内偶极子在外电场中取向示意图 介电系数及其影响因素 均相聚合物的极化——偶极极化 界面两边的组分介电系数和导电率不同 引起电荷在两相界面处聚集——界面极化 非均相聚合物体系 均质高聚物中含有杂质或缺陷 晶态高聚物中,晶区与非晶区存在界面 发生界面极化的条件: 界面极化所需时间长,一般发生在低频下 (0.001~1000Hz) 非均相聚合物的极化 介电系数及其影响因素 偶极极化 界面极化 非极性介质——以电子极化为主 离 子 晶 体——以离子极化为主 强极性介质——以偶极子取向极化为主 电介质材料组分、结构不同,其极化类型不同 极化程度影响因素: 电介质组分、结构 温度 外电场频率 低介电常数的测试频率通常是1MHz 介电系数及其影响因素 降低材料介电系数的理论途径 降低材料电子密度 1 减少材料离子键数目 2 减少材料极性基团数量 3 降低材料密度 4 1、降低构成材料中偶极子的极化率 降低材料介电系数的方法 降低材料介电系数的方法 2、降低单位体积内偶极子的密度 在材料中引入空气气隙 电介质和空气隙形成 多孔复合材料 ——获得超低介电系数材料的重要途径 电介质理论 在均匀介质中通过降低偶极子的极化率 使介电系数降低的程度是有限的 降低材料介电系数的方法 采用复合材料是降低材料介电系数的可能途径 空气的介电系数 k = 1 有机高分子类低介电系数材料 降低聚合物介电常数的方法和原理 降低聚合物材料介电常数常用方法 ——增加聚合物材料的自由体积 ——引入氟原子 ——生成纳米微孔材料 有机高分子类低介电系数材料 降低聚合物介电常数的方法和原理 增加聚合物材料的自由体积 介电系数降低原理 —— 聚合物的自由体积增大可以降低单位 体积内极化基团的数量 ◆ 增加聚合物材料自由体积方法 —— 短的侧链 —— 柔性的桥结构 —— 能限制链间相互吸引的大的基团 有机高分子类低介电系数材料 降低聚合物介电常数的方法和原理 引入氟原子 介电系数降低原理 —— C-F 较C-H 键有较小偶极和较低的极化率 同时氟原子还能增加自由体积 ◆ 氟原子引入方法 —— 利用含氟单体合成聚合物 —— 在聚合物链上引入含氟侧基 有机高分子类低介电系数材料 降低聚合物介电常数的方法和原理 制备纳米微孔材料 介电系数降低原理 —— 空气介电系数最低ε=1 ◆ 纳米微孔材料制备方法 —— 添加造孔剂 —— 添加含微孔结构的材料
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