Диэлектрики, виды, оптические свойства

Что такое диэлектрики?

"Греческое слово "dia" означает сквозь, а "dia-electric" было сокращено, чтобы стать диэлектриком. Это изолятор, защищающий человека от удара электрическим током..."

Полезные статьи:

Что такое фотокатод?

Оптические датчики, виды, принцип работы

Все статьи

История

Вот краткая история диэлектриков:

• Древние времена: Греки заметили, что янтарь может притягивать легкие предметы после натирания, что стало первым наблюдением электрических свойств.
• XVII-XVIII века: Уильям Гилберт (1600) описал электрические свойства минералов. Бенжамен Франклин (XVIII век) проводил эксперименты с электричеством и ввел термины "положительный" и "отрицательный" заряд.
• XIX век: Майкл Фарадей изучил диэлектрическую поляризацию, а Джеймс Клерк Максвелл (1864) сформулировал уравнения, описывающие электромагнетизм, включая поведение диэлектриков.
• XX век: С развитием электроники началось массовое производство диэлектрических материалов (полимеры, керамика). В 1940-50-х годах появились новые синтетические диэлектрики.
• Современное время: Диэлектрики широко применяются в электронике, энергетике и медицине, а исследования в области нанотехнологий открывают новые возможности.

Виды диэлектриков

Диэлектрики — это материалы, которые плохо проводят электрический ток и используются в различных электрических и электронных устройствах для изоляции и хранения электрической энергии. Существует несколько видов диэлектриков, которые можно классифицировать по различным критериям:

По происхождению:

• Природные диэлектрики: дерево, бумага, резина.
• Искусственные диэлектрики: пластмассы, стекло, керамика.

По температурной зависимости:

• Термостабильные: сохраняют свои свойства при высоких температурах (например, стекло).
• Термопластичные: изменяют свои свойства при нагревании (например, некоторые виды пластмасс).

По структуре:

• Однородные: имеют одинаковую структуру по всему объему (например, чистые изоляторы).
• Неоднородные: состоят из различных компонентов (например, композитные материалы).

По диэлектрической проницаемости:

• Высокодиэлектрические: имеют высокую диэлектрическую проницаемость (например, титанат бария).
• Низкодиэлектрические: имеют низкую диэлектрическую проницаемость (например, воздух).

По механическим свойствам:

• Мягкие диэлектрики: легко поддаются деформации (например, резина).
• Жесткие диэлектрики: имеют высокую прочность и жесткость (например, стекло).

Каждый из этих видов диэлектриков имеет свои уникальные характеристики и области применения.

Поляризация диэлектриков

В простых физических моделях диэлектрические материалы (диэлектрики) также содержат электрические заряды, которые, однако, связаны с их атомами. Таким образом, они могут в ответ на приложенное электрическое поле создавать только некоторую локальную поляризацию, определяемую как плотность электрических диполей. 

Характерным свойством диэлектрической среды является ее электрическая восприимчивость χ, которая напрямую связана с ее относительной диэлектрической проницаемостью (= диэлектрической проницаемостью): χ = ε_r − 1.

В линейной оптике индуцированная поляризация задается через P = ε₀ χ E, где восприимчивость берется для оптической частоты (не для низких частот, как в электронике), и в самом общем случае (для анизотропных материалов) описывается как тензор. Обычно это может быть сложным, с мнимой частью, указывающей потери на поглощение, но они часто довольно слабые. 

В нелинейной оптике также рассматриваются нелинейные вклады в поляризацию с терминами, которые содержат произведения (или квадраты) составляющих напряженности электрического поля.

В некоторых областях применения под диэлектриками явно подразумеваются вещества с высокой электрической восприимчивостью, которые могут быть использованы, например, для изготовления электрических конденсаторов. Однако материалы с низкой восприимчивостью предпочтительны в других случаях, например, для минимизации паразитных емкостей.

Запрещенная зона

В физике твердого тела рассматриваются все возможные электронные состояния электронов, имеющих разную энергию, и обнаруживается, что могут существовать запрещенные зоны, т. е.например, области энергии, для которых не существует электронных состояний. Оказывается, что диэлектрические материалы демонстрируют запрещенную зону значительной ширины между их валентной зоной и зоной проводимости. 

Как следствие, валентная зона по существу полностью заполнена, в то время как зона проводимости по существу не заполнена вообще – если нет определенных внешних воздействий, таких как падающий ультрафиолетовый свет или приложенное чрезвычайно сильное электрическое поле, вызывающее электрический пробой.

Зонные структуры легче вычисляются для материалов с периодическими микроскопическими структурами, но также существуют для аморфных материалов, таких как стекла.

Оптические свойства диэлектриков

Описанный тип зонной структуры необходим для электрического изолятора, а также необходим для оптических свойств диэлектриков, в частности для их прозрачности в ближнем инфракрасном и видимом свете. Только при достаточно высокой энергии фотонов носители из валентной зоны могут быть возбуждены в зону проводимости за счет поглощения света (только при очень высоких оптических интенсивностях, где возможны процессы многофотонного поглощения). Этот уровень энергии фотона обычно достигается только в ультрафиолетовой области, или на короткий-длина волны края видимой области спектра (синий свет).

Поглощение света с довольно длинными длинами волн, например, в средней инфракрасной области, все еще возможно - не на основе упомянутого возбуждения электрических носителей, а на возбуждении фононов, т. е. квантованных колебаний решетки. Следовательно, имеется некоторая область прозрачности между поглощением ультрафиолетового излучения на основе электронов и поглощением инфракрасного излучения на основе фононов. 

Часто потери при распространении из-за поглощения и рассеяния света очень малы, что важно, например, для оптических волокон и для диэлектрических сверхзеркал. Однако поглощение ультрафиолетового и инфракрасного излучения влияет на показатель преломления в области прозрачности, включая его частотную зависимость (хроматическая дисперсия).

Диэлектрические материалы для оптики

В оптике используется широкий спектр диэлектрических материалов, обычно использующих их оптическую прозрачность в соответствующих областях длин волн:

• Существуют оптические кристаллы, часто монокристаллы, т. е. с очень широким диапазоном микроскопического порядка. Классическими примерами являются кварц, кальцит, алмаз и сапфир. Некоторые из них (например, со структурой кубической решетки) оптически изотропны, в то время как другие проявляют выраженные анизотропные свойства и двулучепреломление, т.е. зависящий от поляризации показатель преломления. Поликристаллические материалы (например, керамика) реже используются в оптике, поскольку они обычно демонстрируют значительное рассеяние света.
• Оптические стекла, имеющие аморфную микроскопическую структуру и, следовательно, обычно оптически изотропные свойства, использовались с самого начала технической оптики. В зависимости от их дисперсионных свойств, они подразделяются на корончатые стекла и кремневые стекла. Многие из них могут быть изготовлены с хорошим оптическим качеством и не требуют чрезвычайно сложных технологий изготовления. Однако также используются сверхчистые химически обработанные стекла, такие как плавленый диоксид кремния, например, для использования в волоконной оптике.
• Существуют хорошо прозрачные полимерные материалы, которые можно использовать в пластиковой оптике.

Некоторые диэлектрики используются в качестве объемных материалов (например, для линз и призм). В то время как другие используются в качестве диэлектрических покрытий, обычно имеющих довольно небольшую толщину. Есть также случаи, когда начинают с диэлектрического объемного материала и локально модифицируют его для получения волновода или структурируют его для получения дифракционной решетки. 

Кроме того, некоторые фотонные метаматериалы изготавливаются из диэлектриков; здесь для существенного изменения оптических свойств используются наноструктуры.

Оптические свойства диэлектриков

• степень прозрачности, ограниченная остаточным поглощением и рассеянием света;
• показатель преломления на соответствующих длинах волн;
• хроматическая дисперсия в зависимости от длины волны показателя преломления;
• возможно анизотропное поведение и двойное лучепреломление;
• нелинейные оптические свойства, например, нелинейный показатель преломления;
• термооптические свойства, например, температурная зависимость показателя преломления;
• термомеханические свойства, например, пьезооптические коэффициенты.

Не оптичесике свойства

• химическая стойкость и сопротивление;
• плотность;
• механическая твердость и прочность на разрыв;
• простота шлифования и полировки.