介電材料
關注創建者：YANGCY 創建時間：2019-03-04
介電材料的實例教程
作為一種革命性的能量收集技術，摩擦電納米發電機（Triboelectric Nanogenerator，簡稱TENG）不僅提供了一種可持續、分布式能源供給技術，而且構建了無需外部電源的自供電系統，具有成本低、質量輕、材料選擇廣、低頻下轉換效率高等優勢。然而，高濕環境中水分子形成的導電通路引起的表面電荷耗散，顯著降低TENG的輸出性能，從而影響其能量收集和長期穩定運行。課題組前期通過電荷快速積累技術(Advanced Energy Materials, 2021, 2100050)及雙電容增強技術(Advanced Energy Materials, 2021, 2101958)，已顯著提升TENG高濕環境下輸出性能。但環境濕度對TENG表面電荷的影響機制尚不清楚。因此，需要一種有效的策略來提高TENG在高濕環境下的輸出性能，并進一步研究高濕環境下表面電荷的衰減機理。
近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所王杰研究員與王中林院士領導的科研團隊提出通過介電材料選擇和表面電荷工程，提出了一種新型抗高濕度TENG。以接觸-分離模式TENG為測量工具，系統地研究了相對濕度對常用介電材料表面電荷衰減的影響。結果表明，介電材料表面剩余電荷量隨介電材料疏水性的增加而增加，高濕環境下更為明顯。此外，表面電荷的衰減與電荷種類有關，濕度條件下離子電荷比電子電荷更穩定。通過耦合高疏水介電材料聚四氟乙烯和離子注入法，TENG在90%相對濕度的極端環境下連續運行50000次，仍保持了高達91%的輸出性能。
展開 介電彈性體由于具有質量輕，柔韌性好，高能量密度以及響應迅速等優良特性，在驅動器，軟體機器人，電子皮膚，人工肌肉，能量采集等領域具有重要的應用前景。常規驅動電壓一般 > 1kV，容易使材料發生介電擊穿，同時材料在使用時不可避免地產生內部局部損傷,也會導致材料失效從而縮短使用壽命。采用具有自愈功能的介電智能材料，能使其自發進行自我修復，從而延長電容器使用壽命。
英國華威大學 (University of Warwick)的Chaoying Wan 課題組 (通訊作者)及其博士生Chris Ellingford聯合英國巴斯大學(University of Bath)的張妍博士(Yan Zhang, 第一作者)和 Chris Bowen教授等研究人員，通過一步法改性商品化熱塑性彈性體，制備了一種具有高介電和自愈合功能的新型彈性體材料，首次報道了其電學與機械(圖１)自愈合能力以及驅動性能，研究成果近期發表在Advanced Functional Material上。
圖１MGSBS的力學損傷及其修復過程。
自愈后的材料在“傷口”界面處有一定的雜質或空氣，當對材料施加電壓時，電場會在這些低介電常數的區域集中，使得愈合后的材料在發生介電擊穿時依然在這些“傷口”區域，如圖2的模擬結果所示。將材料在33 %進行預拉伸制成介電驅動器，其驅動性能結果顯示經介電擊穿后并自我修復完的材料有67 %的恢復水平，經力學損傷后并自我修復完的材料具有損傷前材料介電強度的39 %，如圖3。
圖2自愈合聚合物材料介電失效的有限元分析
圖3 基于MGSBS介電聚合物材料的驅動器及其自愈合能力
研究報告發表于《先進功能材料》雜志。
展開 圖2 論文目錄
本綜述首先介紹了薄膜電容器介電材料的相關理論基礎，包括極化、擊穿機理以及介電損耗；然后詳解介紹了從材料到器件的大規模制備流程；接著總結了儲能電容器領域基于全有機聚合物材料的最新研究，從本征聚合物、分子鏈改性聚合物、多相聚合物角度入手，重點關注提高介電性能和儲能性能的策略；最后回顧了計算機輔助計算，包括密度泛函理論、機器學習和材料基因組等，在聚合物電介質的合理設計和性能預測中的應用。基于對近期該領域研究進展的全面總結，作者提出了用于儲能電容器用的全有機聚合物介電材料未來發展的挑戰與展望。
圖3 存在的挑戰和未來的展望
該論文第一作者為清華大學博士生馮啟琨，通訊作者為清華大學電機系黨智敏教授，其他合作者還包括清華大學電機系博士后鐘少龍、清華大學電機系博士生裴家耀、鄭州大學電氣學院講師趙玉、清華大學電機系博士后張冬麗、清華大學電機系博士生劉荻帆和清華大學電機系博士生張涌新。《Chemical Reviews》于1924年由美國化學會（American Chemical Society）發行, 是國際化學化工領域影響力最高的學術期刊之一，2020年影響因子為60.622，在化學類期刊中排名第一。該研究工作得到了國家重點研發計劃基金和國家自然科學基金支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00793
作者簡介：
馮啟琨，清華大學電機系2019屆博士生，導師為黨智敏教授，主要從事高儲能電容器用薄膜電介質以及先進絕緣材料的研究，已在Compos. Sci. Technol., Appl. Phys.
展開 圖2 c-T8B8、c-T10B10和c-T12B12三種材料相應的POSS籠體積和介電常數之間的關系以及基于更大尺寸的T14、T16和T18 POSS的材料的介電常數預測值
研究發現隨著POSS籠子尺寸的增加，材料的k值和損耗都呈現下降趨勢（c-T8B8、c-T10B10和c-T12B12在1 MHz時的k值分別2.24、2.02和1.83，損耗分別為0.003，0.0018和0.0015）。正電子湮滅壽命譜證明增大POSS籠子尺寸能賦予材料更多的孔隙（圖3），這也是k值降低的主要原因。有趣的是，該體系中材料的k值與相應POSS的體積呈現線性關系（如圖2所示）。可以預見的是，使用更大籠子尺寸的T14、T16和T18 POSS有望將材料的k值降低到1.5以下。此外，所得材料還呈現出優異的綜合性能，如高透明性、低表面粗糙度（圖4）、優異的熱穩定性和力學性能、疏水性，即使在水中浸泡3天或在300℃高溫下，這些材料依然能維持優異的介電性能（圖5）。本項工作不僅為綜合性能優異的超低介電常數材料的開發提供了新的思路，也為未來集成電路用超低介電常數材料提供了備選。
展開 因此, 科研工作者一直致力于研究具有耐高溫、低密度、高強度、高韌性等優良性能的吸波材料。這使得介電損耗型吸波材料在電磁波吸收領域飛速發展。
介電損耗性吸波材料有哪些?
介電損耗型吸波材料一般是由高導電性碳質納米粒子、介電陶瓷納米粒子和金屬半導體氧化物組成各種混合型納米結構的復合材料，復合后可產生額外的界面相互作用，且氧空位的存在會引起界面極化和缺陷偶極子，從而使材料表現出更大的介電損耗和高效的微波吸收，同時降低了吸波劑的密度。
01碳基吸波材料
碳基吸波材料因其具有表面性能可調﹑高強度質量比、超強耐腐蝕性能、超薄結構特性、超高載流子遷移率(～200000 cm2? v-1? s-1 )、高的導熱系數(～5300 W?m-1? K-1)等優勢, 使其備受國內外科研人員的關注。碳材料通過結構設計和構造界面層次來提高材料的吸波性能 (例如:碳納米管從單壁到多壁甚至于可垂直排列的陣列) 進而滿足部分設備需求, 但是材料本身存在一定的缺陷和不足, 以至于應用受到限制。
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它們類似于平行板電容器，其中金屬板（電極）由絕緣材料（介電）隔開。這類電容器具有較高的單位面積電容，因此得到了廣泛應用。為了進一步提高電容值，MIM電容器通常由三塊板構成，其中兩層是標準制造工藝的金屬層（通常是最上層），中間是一個特殊金屬層。這種獨特的布局使MIM電容器能夠實現更高的電容密度，同時保持絕緣介電材料的穩定性能和低漏電優勢。
它們類似于平行板電容器，其中金屬板（電極）由絕緣材料（介電）隔開。這類電容器具有較高的單位面積電容，因此得到了廣泛應用。為了進一步提高電容值，MIM電容器通常由三塊板構成，其中兩層是標準制造工藝的金屬層（通常是最上層），中間是一個特殊金屬層。這種獨特的布局使MIM電容器能夠實現更高的電容密度，同時保持絕緣介電材料的穩定性能和低漏電優勢。
c) 采用高介電常數的材料來替代二氧化硅。
但隨著電容的增大，RC回路的3 dB帶寬也將減小，因此設計者需要在調制效率于調制速度間權衡。
5) 結構優缺點：
與PIN結組成的載流子注入型調制器相比，載流子積累型基于多數載流子，更適合高速調制，但相比載流子耗盡型，載流子積累型需要氧化物來充當電容，增加了工藝難度，制造更為復雜。
一期一會 | 什么是電磁學？4個月前
它與自由空間的介電常數成正比，因此，對于板面積A：
介電材料的介電常數增加，會導致電容增加。
電感器
同樣，電感器是在線圈導線內部產生的磁場中存儲能量的電子設備。根據安培定律，流經線圈導線的電流會產生線性磁場。存儲的能量與電流I成正比，與電感L成反比。電感可用于衡量電路對變化的電阻。因此，高電感器件可用于抑制交流電路。
一期一會 | 什么是信號完整性？4個月前
信號的特征、導電及介電材料的材料屬性、幾何結構以及PCB中電路和各層的相對位置決定了在Maxwell的方程中所描述的物理場的大小和影響。
四種類型的信號完整性問題
基于上述基本物理場情況，可以將信號完整性問題分為四類：
1.
步驟 操作
1) 創建一個介電材料：
名稱：guide
相對折射率(Re)：3.3
2) 創建第二個介電材料
名稱： cladding
相對折射率(Re)：3.27
3) 點擊保存來存儲材料
4) 創建以下通道：
名稱：channel
二維剖面定義材料: guide
5 點擊保存來存儲材料。
FDTD中的網格及細化方式9個月前
原始的Yu-Mittra共形網格方法是為了解決理想導體與介電材料界面處的精度計算。理想導體內部電場為零，故有法拉第電磁感應定律
‘
可以得到二維FDTD迭代方程
?進一步的可以將其應用到介質表面的共形網格當中。
參考文獻
[1] Allen Taflove.
仿真描述
矢量有限元法（VFEM）模式求解器接收復介電常數材料，并使用特別適合對高對比度介電界面進行建模的矢量基函數來表示。其中一個很好的例子就是使用VFEM模式求解器來計算表面等離子傳導結構。
該結構在研究中背面顯示為黑色輪廓線，中心范圍的銀由介電常數為4的材料圍繞。材料銀在633nm波長的介電常數是-19-j0.53[1]。
彎曲波導
2.優勢
?VFEM模式求解器可輕松處理高橫縱比的波導
?搜索具有復值模式指數的模態
?高階插值混合向量/節點元素,可以準確地捕捉到金屬與電介質交界面附近的高電場強度
?三角網格尺寸能夠適應高精度材料屬性
?利用波導的對稱性，可以降低仿真域并把具有特定對稱性的模態作為目標
?VFEM快速而且精確
3.仿真描述
矢量有限元法（VFEM）模式求解器接收復介電常數材料
材料和源：可以定義各種材料屬性，例如復雜和各向異性材料介電常數和磁導率張量、分散特性、導熱系數和剛度等。可以通過如平面波、周期性或孤立的偶極子、波束和波導模式來激勵結構。
后處理：特別支持和有效計算光學中所有必需的后處理，如傅立葉變換、遠場、能量通量、重疊積分、光學成像、共振膨脹和Purcell因子等。
