納米級電介質的主要特征.doc

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納米級電介質的主要特征- 界面 摘要 有人認為，電介質粒子的行為，因為他們在通過規(guī)?？s水微米級到納米級時，由性質越來越多的占主導地位他們與環(huán)境的界面。決定這些界面的結構各種原子和分子間力的電性質都通過特別強調它們的的審查。許多在被動和動態(tài)的介電性能可溯源到納米界面性能的情況下予以考慮。它也表明，這種界面是納米級機電（NEM）系統(tǒng)，集體行動也是在宏觀系統(tǒng)解釋壓電性。界面自然納米實體必須在納米技術未來發(fā)展的重要作用。在生命系統(tǒng)的中無處不在雇傭注意到和比較，表明協(xié)同機會。 關鍵詞 - Nanodielectrics，復合材料，界面，界面張力，雙層，界面的介電元件，NEM，壓電性。 1. 簡介 科學文化的發(fā)展中，制度和制度要素的屬性被認為是在納米尺度快速地增長。在一開始，但是，它可以說，很多現代科學技術，如果不整，已經牢固建立在納米，確實是子納米概念。 特別是化學和很多生物和物理都基于我們認為在規(guī)模小的分子和原子水平的屬性詞匯。在這些已建立的科學不過元素的屬性通常集成在宏觀量達到解釋的宏觀性質。經典的電介質的情況，例如，是要考慮的分子的性質ZA偶極子納米概念。并適當地總結他們獲得的介電常數ZA宏觀的概念。納米科學和技術的新發(fā)展停止短的最終整合，并考慮哪些特殊的性能是目前在納米級水平，以及他們可能如何被利用。這是一個在量子和連續(xù)的科學之間的中觀世界。 在電介質的情況下，這項工作涉及到基本單元，如大分子，單層和膜和納米和mesometric粒子的性質。造型設備和渺小的這個命令的系統(tǒng)元素意味著，他們開始采取在日常的現實，但實際上這與常規(guī)經驗相距甚遠。這是驚人的表現在實現將1g100納米直徑的球形鋁粒子就足以提供每個人今天活著約3105粒子和一個3納米簇直徑比一個句號在打印一個典型的線路更小的106倍。不過，在這些方面的集成電路設備，甚至更小的常規(guī)使用在無數的數字。為電介質的系統(tǒng)，其中的長度尺度是下面200納米左右。納米電介質W1X或nanodielectrics，介電元件之間的表面和界面，自己納米尺寸，越來越突出。微觀和宏觀世界的正常標度律不再能夠用于預測性能和力，如常見于膠體系統(tǒng)接管。由于界面主宰介質的情況下在這個水平，nanodielectrics和界面成為不可分割的。在平衡電界面一個特點是，他們很可能會承受較大的電場。但是很少承認是從機械力和化學和熵產生的梯度在其中等互動領域的存在。這些都得到了很好的強調不過在目前的在配置和訂購的界面組合場中生命系統(tǒng)的細胞內外界面的情況下產生的離子和分子生命的必要通量。 分子組織和非炫酷對稱性，這是電介質界面的共同特點和性質，從這些它派生，使他們成為對感測和轉換角色有吸引力的候選人。MEMS和NEMS機電問世在微納米尺度器件凸顯認可的界面技術可開發(fā)的潛力。在下面的界面介電特性進行審查，并在他們的系統(tǒng)在規(guī)模小的納米尺度的主導地位將被強調。 2. 納米級條件 考慮設立兩個其他材質均勻階段A和B之間的界面。在兩相系統(tǒng)中的每個原子或分子會與周邊平衡通過套短和長程力。深藏在每個階段的勢力，雖然在原子間距波動，基本上是恒定的并且相位的特性。與其它相的界面但是接近它們將變得越來越修改。超過該力是從“散裝”的值不同的范圍定義了一個界面AB與力有關的任何性能的強度I會改變。界面的范圍，由I的變化定義并取決于有利的性能。這可能是該系統(tǒng)中，諸如分子，原子或離子物種或電子濃度的成分的濃度，但也可以是任何物理或化學性能如能量密度或電介質極化。一個密集的屬性I1的更新可能被作為如圖1所示，其中它從一個值I1A在甲由于I1的在其甲限制的漸近性質改變?yōu)镮1B在B，歷經其通常不明確的有效距離t1和B。一個組成部分，它是有點表面活性的性質，可能是由具有不同輪廓和厚度t2 I2來表示。（因為從A的屬性，以那些B的轉變發(fā)生在一個有限的物理區(qū)域AB界面或許應該被稱為相間，但前者是比較常見的名字。）有效厚度可以小于1納米，如果只有短程力存在，但多達10納米或更大，如果界面被充電。圖1是一些常見情況的概括。一個例子將是一個金屬 - 電介質接觸，其中該屬性是自由電子的濃度。其他可能是在半導體pn結的電子或空穴濃度，穿過一個硅二氧化硅中的氧濃度接觸或在一種氧化的金屬如鋁的表面。另一個是將水分子或離子中的一個絕緣層 - 空氣界面的濃度。非電氣的情況可能是機械應力或界面（表面）的能量。圖1表示沿特定正常條件到界面和如果作為很可能在許多情況下，有是變化的結構在界面的橫向面積這些都可以在所選擇的正常強烈依賴。因而雖然界面納米的法線方向，它是在界面面廣泛，所以定義與特性由不同的散裝的片狀AB區(qū)域A或B，并根據當地的地形特征。這個橫向準相位已接收相對較少的關注，但其性能可能在某些顯著情況是重要的，這將在下面討論。 界面性質日益凸顯，如果A相為有限大小的顆粒，并經B與它們之間的AB界面包圍[4]。這是一個復合電介質的情況，正如圖2所示，總界面貢獻可以變得非常顯著隨著粒徑減小。如果接口只有短程力量決定，并0.5納米厚，其量超過當粒徑減小到低于5nm的整個的50％。如果該接口擴展到10nm或更大，因為它們可能會做當界面被充電時，它們將成為主導，當d小于100納米。很顯然界面的性質可以強烈地影響復合材料的整體介電性能。這是一種情況完全不同于一個假設在傳統(tǒng)的麥克斯韋 - 瓦格納處理這些系統(tǒng)。各種復合的情況下可以得到承認。微粒A可以是固體，液體或氣體浸沒介質可以是固體，液體或氣體相。許多這些組合將如下所述表現出膠體性質的特殊功能。他人其中B為固相可以在制備過程中要經過的膠體形式。 圖3顯示了從在納米系統(tǒng)有限維的界面的存在而產生的另一個重要特征。由于顆粒在縮小尺寸和更多的粒子來存在于界面態(tài)從大量力不同界面力的影響下的元素的屬性典型的大部分A的將逐漸喪失。兩種截然不同的例子，它說明了這種情況，都值得詳細描述。在第一階段，即所謂的量子點[5]，這個功能是由顆粒大小來調整發(fā)光。在硒化鎘晶體的價帶和導帶的數目和電子能態(tài)的分布開始取決于晶體大小時，它是小于≤10納米。作為原子被除去的頻帶不再狀態(tài)的連續(xù)體和由量子化能級被替換和帶隙增大。當適當地用UV光照射這些小晶體或“量子點”的發(fā)光的顏色變成直接相關的大小，從紅色變?yōu)樗{色，當尺寸從6納米縮小到2納米。不必要的特征是，一些被吸收的紫外線能量的劣化在通過電子 - 聲子相互作用和熱輻射到周圍環(huán)境的界面。這成為隨著粒徑的縮小更加嚴重，但可以通過涂覆顆粒硫化鋅它修改的界面的原子環(huán)境被反擊。 第二個非常不同的界面影響的例子是出現在下一代微電子硅集成電路技術的發(fā)展中。對于不斷增加的電路密度的需求，需要晶體管尺寸縮小，但后果是再該減少的信道長度和柵極電介質區(qū)域是必需的。后者是特別麻煩的，因為它降低了器件的電容和限制驅動電流，這是不可接受的。情況可能通過降低柵極電介質的厚度來補救對付面積減小，但這種介質對柵極和硅通道的接口，那么變得越來越占優(yōu)勢。該情況示于圖4。在SiO2柵極電介質界面與多晶硅在一側上的柵極和在另一硅襯底的場致通道?！吧⒀b”的完全絕緣帶隙的SiO2要求至少2細胞單層的氧化物存在，厚度為0.35至0.4納米。在從Si溝道小于這個距離有氧原子不足和氧化物的帶隙被降解。在界面上出現類似情況的多晶硅柵。對于氧化層厚度小于這個結果將是道和澆口之間的有效短。由于電荷的兩個質心與在溝道的柵極和反相層相關聯(lián)的分別增加多達0.4?0.6毫微米的電厚度，柵極系統(tǒng)保持絕緣完整性的有效最小寬度變?yōu)榧s1.4納米。替代電介質具有較高的介電常數（例如氧化鋁或二元氧化物，例如氧化鋯的SiO 2）。正在考慮中，但此功能必須通過密切與界面相關的因素進行平衡。電介質必須具有低的缺陷濃度，誘導一些界面狀態(tài)和穩(wěn)定，反應性與硅接觸。來控制漏電流和擊穿它也有以提供大的障礙，電子隧穿穿過界面。目前鈦酸鍶表明承諾，生產與Si和電子能量勢壘大于1.2電子伏特的突然兩顆原子彈層接口[7]。 對于需要高permittivy柵介質的對比生動地與另一個同樣舉足輕重的要求微電子的未來，互連延遲時間即減少。電介質與整體介電常數要求小于2 [8]?；谏婕坝袡C-無機聚合物，各種溶膠-凝膠系多孔系統(tǒng)硅與孔徑大小在納米級范圍內被考慮，因為有完全的有機聚合物。周期性介孔有機硅酸酯與介電常數低至2是有希望的候選[9]。這些是上述（圖2）所討論的兩相體系的實例。其中A相現共有在矩陣B持有的空隙。 納米孔隙復合材料界面性能的充分利用需要訪問空隙，這使孔隙連通成為一個關鍵因素。這種情況是由沸石例證[10]。這些都是基于[SiO4]4-和具有納米尺寸的空腔[AlO4 ]4-四面體的三維蜂窩狀結構成分子陽離子可以通過連接的納米尺寸的通道也被吸附。許多吸附劑之中，水具有這些材料具有強親和力的事實，暗示，以及作為強大的吸附劑，它們具有潛在的能夠承載活性介質分子的復合物。 3 界面力 強度的空間變化我一個組成部分的屬性（圖1）來自原子和分子間力的網絡中的變化會W11X從A相到B相通過接口AB。這些力有幾種。有硬核力，是非常短的范圍內，量子力學和排斥性的。它們產生于單個原子的電子云重疊的相互作用。所有其他的力是涉及負電子和系統(tǒng)的陽性細胞核基本上吸引力/排斥力的靜電相互作用。他們采取的形式取決于單個原子或分子是否是中性的或有凈電荷，使它們成為供體或受體離子。中性形式的電子和原子核中的分子或原子的任何不對稱分布將產生多極勢力的偶極子元件將成為主導。幾種相互作用是可能的。離子之間的力是強的庫侖和遠距離。當永久偶極子的存在將有弱iondipole和偶極 - 偶極力和各種離子和偶極誘導偶極力量。德拜和Keesom力[12]是這一類。所有的偶極相關的偏光力是溫和的范圍內，一般有吸引力在自然界中和被統(tǒng)稱為范德華力。一個特別的短程靜電力，但是特殊結構的重要性高度定向的，因此，是一種給予體（一個氫氣原子共價鍵合到電負性原子和受電負性原子）之間的氫鍵。重要的是在納米尺度確定介電現象電荷存在時而發(fā)生了強烈的長程相互作用。一個帶電部件會導致兩個電子極化（離子（誘導偶極子）interactionx和任何永久偶極子的方向，[離子偶極相互作用]。與這些相關的能量由兩部分組成：一個內一項涉及量子力學相互作用與近鄰原子和分子和一個外，可以在電容方面經典的考慮。在后者的改變在通過A到B之間的界面可以為電介質界面的圖像法來評價[12]。 一種常見的情況在納米介系統(tǒng)是其中的表面或顆粒A的表面的至少一部分變成有效的充電及周邊B相響應，建立一個篩選相反電荷，面對A上的電荷。粒子A和電荷計數器電荷在B中的發(fā)展是可區(qū)分的過程中，將被單獨考慮。假設為A被收取的那一刻，篩選相反電荷可以通過兩種方式獲得。第一是由偏振乙及同時涉及電子極化和任何永久偶極的取向。這是電化學的所謂的重組過程[13]，并且是當B具有極性組分尤其顯著。在AB界面的相互作用能有上面所述的內量子力學和經典外組件。后者通常是由表達式表示： 其中a（?。┦羌{米顆粒離子的有效半徑。Q是其電荷量。ε0是自由空間的介電常數εr是B的相對介電常數。在成立畫面在瞬態(tài)條件下，εr 值介于光頻下ε和穩(wěn)態(tài)下εs值之間。重組和訂購這引起了εr涉及熵因素以及B相分子的能量。內和外組件可以通過任何空間要求被顯著地影響期B周圍A的分子堆積。 如果B包含移動的離子，這下庫侖力，將遷移到周圍建立粒子A的擴散雙電層發(fā)生第二次篩選作用。當A具有密度正電荷的情況示于圖5a（為清楚起見，A的表面的一部分膨脹并顯示平面）。雙電層由負一熱活化波動分布反擊和積極的合作，離子和相應的波動局部場。這是習慣用平均場近似來代替后者，并確定一個電位分布函數，（圖5b）必須同時滿足泊松和波爾茲曼方程。分配的屬性，然后方便地假設有橫向對稱的（至少在大尺寸與雙電層相比A的表面被均勻充電），只有在法線方向向外A的表面出現變化說明。合并后泊松 - 玻爾茲曼方程變?yōu)椋? 其中，Ψ（r）表示電位分布，是到A表面距離r的函數，Zi是化合價，ni（）是距離界面A較遠的B中的離子濃度，等式（2）使用漸近法的三維溶液已經給出[14]但是，如果在從A和B遠端電荷中性可以假定然后在適用于單一離子和1:1電解質的Gouy-查普曼形式的溶液獲得[11]。對于非對稱電解質的溶液也是可能的。對于案件沒有在A的表面導致的潛在的Ψ（0）的高值，該解決方案可進一步以簡單的德拜形式減少 其中，k-1徳拜長度，定義了雙電層的指數衰減的程度。K-1的值取決于批量離子濃度和大約30納米的10 -4M電解質。在雙電層對應的電荷濃度可表示為 一個簡單的表達式收費和混合他們的熵之間的相互排斥的復雜組合。在顆粒表面，R=0時，“接觸”的值是 和經由格雷厄姆方程[12]相關的表面電勢φ0 其中σ是表面的離子的電荷密度。為1:1的電解質的計數器和共同離子濃度會發(fā)生變化，如圖6所示。如上述在出生偏振層的情況下所討論的，人們認識到，有可能是通過力結合到表面的分子尺寸的離子層不同于通常比擴散層的靜電那些強。這是跨越時產生的電位差小的所謂斯特恩層。在表面處的電勢變得≠s和電勢φ0的雙層正確，這將是略微不同的，開始于從A的表面上的分子距離。在情況下，B相是液體，這是傳統(tǒng)上認為，在相對于A的B面?zhèn)认蜻\動只有在從A（剪切面）。這個距離成為可能和θ0被稱為電動或ζ電勢。有新的證據然而，在斯特恩層離子可以確切向地移動，并且圍繞每一粒子的雙電層的范圍。在膠體情況可具有良好的顆粒的標稱半徑以外的流體動力學影響[15]。 如上一個穩(wěn)定的雙電層的存在提的是隊伍在那里是不完全中和的電荷反訴的粒子A。最初上的電荷可能會出現adventitiously，例如通過在與外部接觸的電子轉移 代理B相和的，隨后中通過短距離“接觸”電荷轉移是大力非常不利的。的情況的原則，一個明顯的例子是在硅穩(wěn)定的pn結的，因為能量狀態(tài)，電子在n型的差異，相位都無法消除在p型相孔至少在正常的溫度和過現實的壽命。 另一種情況是，當粒子A的統(tǒng)稱單個或多個極性結構域和接口問題是域的一極，另一極是足夠遠是相對不產生影響。在這種情況下，雙層成立由B計數器充電非常穩(wěn)定的，因為中和只有成為可能破壞極地領域。在另一極域，如果它暴露A的表面上，并且相B的電解質含量是合適的，雙相反極性的層可以形成。請注意，由于粒子A在縮小尺寸和對立的兩極走到一起的雙層將會減弱。這些特性成為重要在優(yōu)化的機電性質復合材料，這將在第5章的說明。 該微流體越來越大的興趣，尤其是[16]在傳感器應用中，也強調了重要性的泊松玻爾茲曼條件和電雙層微通道。這些通道，準備通過微機械加工，具有矩形橫截面其表面支持雙電層。二維PB方程此溶液的幾何形狀，特別是在角部區(qū)域是困難的，但可用[17]。它表明，在拐角處的雙層很可能會提供一個強大的阻力。當另外，這是常有的情況下，機加工，蓋板微通道是從靜止不同的材料，zeta電勢，雙層的條件和相應的液體的流動變得極其復雜。 一納米介電復合材料的制備將頻繁涉及納米粒子A的混合在液體矩陣B的相位。如果顆粒保持電中性那么有吸引力顆粒間的范德華力將鼓勵和聚結的均勻性納米結構將受到損害。如果它們不過充電，由篩分雙層包圍，干擾雙層之間的排斥力會產生如顆粒相互接近。這種情況示于圖7。取決于相對范德華的優(yōu)勢和雙層迫使它可以看出，結合力可以穩(wěn)定的復合在對應于一個最小能量在一個間距M。當德拜長度是這樣的情況，鼓勵大（小k）隨后的B凝固，然后可能以產生一種均勻的復合材料，其中的電荷在A和周圍的雙層依然存在，并且將繼續(xù)以穩(wěn)定該系統(tǒng)。當然，ALS在注量該復合材料的介電性能。該平衡吸引力的極化和排斥雙層勢力給一個穩(wěn)定的能量最小的是所謂的Derjaguin，朗多，維爾威和膠體理論Overbeek的精髓[18]。納米粒子的介電復合材料所用的相同的方式加以考慮。 電介質在高溫下的極化是在制作有源器件的一個通用程序。對于復合電介質，這將增加在B相移動電荷載體的濃度，從而提高穩(wěn)定大約A顆粒雙層的產生。這將進一步在第5節(jié)中討論。 一個立體性的幾個界面相互作用會干擾與DLVO力量。其中的一些已經上面提到的。如果B的分子具有結構導致其在A顆粒的表面有序結合，兩個A粒子的close方法會干擾這個順序，改變的力量在分子的距離。這種類型的介質情況下意義的情況是在水化A的水分子存在于B相表面。如果該粒子的表面是親水性的，他們將保持一個有序的水層，這將削弱它們之間的吸引力，因為他們走到一起（圖8）。另一方面，如果它們是疏水性的，水將被排除和吸引力增強。在B相因而殘留的水可以在影響復合結構是重要的。 在科學活動有關納米系統(tǒng)的增加導致了在水的鄰位的方面在界面重新產生了興趣。尤其令人驚奇的性質時產生的粒子相接觸的表面水的輪廓包圍密閉空間界面納米尺寸。例如單個文件通道水分子被發(fā)現發(fā)生在2納米直徑碳納米管，這是疏水性的。氫鍵水分子鏈滑倒來來回回在管中[19]。類似的合作現象的發(fā)生沿橫向界面被用來解釋在生物膜蛋白納米孔內襯選擇性功能[20]。橫向界面過程中的重要作用將在與介電連接在下面進一步考慮復合材料的性能。這可能是說順便指出似乎有水在納米管和水樹聚乙烯的實際情況之間有一些驚人的相似之處。聚乙烯球晶的間層狀空間延伸的納米尺寸的疏水性通道，沿著該水分子的合作運動可以預料在所述碳納米管。 在許多復合材料的B相將有機聚合物，這引入了重要的空間特征在與A顆粒的界面，特別是在當復合被構成階段。在這一點上，聚合物很可能是高于玻璃化轉變溫度 在這一點上聚合物很可能是高于玻璃化轉變溫度，聚合物鏈（也許100nm以上）的回轉半徑Rg，很可能是大于有效范圍范德華力和雙電層的力。因此，即使在聚合物鏈只作弱（但多個）鍵合與顆粒表面2顆粒的附近方法很可能誘發(fā)大量失真在干預的聚合物鏈（圖9）。隨之而來的要求在增加的構象熵的鏈將導致顆粒之間的斥力。A顆粒的分散液從而取決于Rg和因此，在B相的溶劑性能的控制鏈延伸。A的分散會進一步影響，如果有聚合物之間的特異性結合組和所述顆粒的表面，從而可以改變鏈的配置。當B相是聚電解質，如在例如生物的情況下，與聚離子相關的靜電引力會造成任何相反電荷的表面集體互動在A相和聚電解質的將作為巨抗衡。 4 作為被動介質的界面 以上已經建立了納米尺寸的顆粒的性質在很大程度上，如果不是完全，通過其與環(huán)境的界面相互作用來確定。由于這些相互作用的結果是一定程度的界面中的極化和電荷分離，納米粒子確實nanodielectrics。顆粒也彌補了更多種類的宏觀復合系統(tǒng)中可被利用的A，B相（并不總是電器）集體性質。當顆粒是納米尺寸的，并在界面使該復合材料的顯著體積貢獻（圖2），可以預見，該界面的屬性將極大地影響介電行為。在這些情況下，有必要考慮如何nanodielectrics即接口將要留下深刻的印象電場作出反應。 之前專門考慮界面方面，應該注意的是，已經有相當發(fā)展，介電復合材料的理論分析超越了傳統(tǒng)的麥克斯韋 - 瓦格納法[21]這源于由MaxwellGarnett[22]專門為納米復合材料提供的分析金屬球在眼鏡。因此，高和古[23]已考慮雙組分體系中的介電常數其中隨機分布的顆粒橢圓形分布。相關的治療已經由Sareni等人給出。在微觀結構和拓撲隨機和定期有序復合材料，包括觸摸球方面[24,25]。在位于聚合物的無定形相中特定的碳納米顆粒，其中界面效應可能是重要的考慮了[25]。最近已經提供由薛[26]模型，用于計算包含在均相矩陣隨機分布和薄薄地涂覆橢圓顆粒復合材料的有效介電常數。該涂層被表示為有限厚度的被動界面與指定介電常數。盡管該簡化行為的一個不同的范圍取決于電介質的顆粒，涂層和基體和對顆粒形狀，大小，體積分數和涂層的厚度常量預測與實驗一致。如預期的涂層施加在宏觀有效介電常數，這也變化非線性地與顆粒的體積分數有很大的影響。 復合材料組成的玻璃基質，古典研究法拉第[27]的主題，后來由麥克斯韋-加內特[22]金屬納米粒子，已收到重新關注作為新的光學系統(tǒng)局部發(fā)展的一部分[28][29][30]。在這些復合材料產生時，受到電磁輻射的強烈的顏色是自由電子的金屬顆粒和誘導在其表面上的相關聯(lián)的極化電荷場致集體振蕩的結果。粒子經營作為一個集體偶極子。振蕩的波長，因此顏色不僅取決于金屬（如金，銀或銅），但是靈敏地也對粒徑和球形度從任何偏離。橢球形納米粒子與極化的兩軸可以呈現兩種顏色[29]。如可預期的，因為該方法依賴于偏振面，在確定顏色和強度，與周圍的介質的界面的性質也很重要[30]。最后的顆粒間力開始發(fā)揮作用，通過粒子之間的相對遠距離dipoler/偶極相互作用，使得金屬基體中的體積分數是重要的。金屬納米粒子摻入復合材料給設計師特有的屬性的許多變化的一個非常有用的總結已經由翁給予等[31]。例如15nm的Au顆粒包封在二氧化硅殼和包封在顏色的聚電解質的變化從藍色到紅色的粒子濃度下降。更多的工作需要做，以了解形狀影響，顆粒/基體界面和顆粒間的相互作用之前，這些光學納米介系統(tǒng)可以充分利用。 金屬納米球摻入在一個電介質基體的技術[31]被轉移在一個有趣的和潛在的重要方式進入該集成電路域。一個最新的這些關注基于MOSFET的幾何形狀的存儲裝置[32]。金納米粒子包埋在SiO2基質中的一個層沉積到所述晶體管的Si溝道和覆蓋絕緣有機LB膜膜和Al柵。這樣的安排是這樣類似于圖4的。在柵極之間的電壓脈沖和通道，否則絕緣Au顆粒變得傳導充電并生成該移動設備的操作閾值，并創(chuàng)建一個存儲器中的字段。反向脈沖放電粒子和擦除內存。那些關注與電介質的高電壓極化，形成駐極體可以在這里認識了相同的基本機制，但精確確定的條件下。在同一時間的空間電荷積聚在絕緣性在高場，這從根本上也必須是納米介情況工業(yè)聚合物的相關的問題，可能會更好地通過在納米類似實驗，或至少一個微米級尺度的理解。 5 作為主動介質的界面 到目前為止，重點一直放在界面處于相對被動的角色。在活躍納米介情況其響應于外加電場，必須考慮到。在這方面的界面的雙電荷層組件具有兩個非常重要的特征。在橫向方向上它是一個高度可極化的區(qū)域。如方程表示（4）雙電層的電荷濃度至電勢φ0非常敏感，因此，該字段。在橫向方向上的層，這將是主要的抗衡離子（圖6）中，離子可被預期具有顯著流動性。這兩個功能被連接在一個橫向感應電流i可接著由電位進行調制整個升0雙電層（圖10），一個重要的但至今很少利用情況，另一個相似之處是一個場效應管的。 雙層活動已經突出了一些關于復合材料的介電行為的貢獻。OKonski[33]作出關于界面?zhèn)鲗У囊粋€隨機懸浮球形顆粒的每一個具有規(guī)定的表面導電性的整體介電性能的影響早期的貢獻。復合系統(tǒng)的參數示于圖11。在低頻率或高的表面電導率σS，電荷載流子被有效地的界面周圍由導致的感應極化在其中成為一個大偶極如圖11中的粒子的極性端的字段傳送。有效介電常數εs，就可以大大超過1。在高頻率或低σS這不會發(fā)生和εs具有ε1和εs和顆粒的體積濃度的相對值所決定的常規(guī)值。這種模式已經發(fā)展更加進一步通過媒體及森[34]。強調在雙層反離子的主導地位，這些都顯示，除了到極化電荷的粒子的中性云電荷也產生雙電層，如圖12之外。充電，然后通過擴散和傳導的組合轉移到周圍散。在低頻率的擴散云是大和的相位與施加的場。其結果是沿圓周電流和電荷聚集也有異相成分，并以一個不同相的偶極矩會導致。當頻率增加時，擴散云減輕和與它不同相的偶極矩。顯著的頻率響應比德拜型更寬。該模型提供了針對其介電常數通常安裝在實證科爾 - 科爾型方程的許多復合系統(tǒng)中的物理解釋。 有趣的是，在互補的復合結構體，即固體與液體“粒子”，例如可能代表一個水浸漬的多孔巖石似乎表現出類似的特征[35]。低頻介電常數幅度大于該介電常數的訂單巖石或水和它隨頻率的增加而增加。本著上述這種行為的模型已被歸因于偏振狀態(tài)的巖石和水之間的界面的壓倒性影響。該結果強調了模型，只要求有兩種不同的介電質，一在分散的顆粒形式的普遍適用性，并且有它們之間有顯著電介質界面。這覆蓋了很寬的范圍內的膠體系統(tǒng)[18]，包括液體和固體氣霧劑，液體乳劑，固體懸浮物和膨脹的固體，高分子凝膠和生物實體。該列表可以被擴展而不很大的困難，以實際使用的許多絕緣材料，這通常是無定形或半結晶的。這些包括對比介質聚乙烯和SiO2通常與添加劑和雜質。 當顆粒濃度足夠高這將是可能的擴散云和最終的雙層重疊。新的形勢，然后產生是因為在系統(tǒng)中離子遷移可以發(fā)生完全通過納米級的雙層（圖13）?，F在有相當多的文獻處理的納米尺寸（碳納米管為原型）的刻意建造的渠道和管道，通過它傳導將完全由橫向運動，通過雙層（圖14）。簡明摘要已經被Vorrey和Teeters[36]給誰也描述了含有孔隙400和30納米到其中引入了干聚合物電解質，聚氧化乙烯的分子直徑之間的聚碳酸酯膜的測量。密閉，在納米孔中這樣的電解質會隨著孔尺寸減小的導電率和30納米的孔的大小幾乎兩個數量級大于所述非承壓電解質。 在其中傳導似乎是一個相關的系統(tǒng)局限于分子更小的毛孔，而不是納米尺寸是所述的LiI-P（EO.）n系聚合物電解質[37]。通過拉伸該系統(tǒng)也可以命令該聚合物的結構，以形成對準纖維狀微相。在縱向的離子傳導性引起的拉伸40倍的增長歸因于LIQ陽離子的輕便交通工具，由氧配位溶劑化，創(chuàng)建B中的PEO鏈的螺旋結構排列的圓柱形通道內。這類分子尺度系統(tǒng)提供新的視野納米以下并建議在生物膜孔隙通道傳輸的可能的協(xié)同關系[20]。 傳導局限于雙電層，如圖13也可以是細胞間相互作用的一個重要特征和生物細胞之間的通信。多注意了在蜂窩系統(tǒng)中反式膜分離過程，但也有明顯的細胞外納米途徑，其中雙層強度，因此定向傳導可能是由細胞活性的FET般的方式來介導。 相比之下水引起的泄漏電流的嚴重現實問題以及外部和內部的宏觀絕緣子表面可以是振振有詞追溯到一個微觀或納米確實一項涉及雙電層在絕緣表面。這種規(guī)模的傳導顯然取決于表面拓撲結構，而且在界面和水的鄰位的層存在的結構的疏水 - 親水特性。有證據表明，水被命令在一充電表面形成一層約3分子厚，并與由表面電荷[38]完全不同于該散水的極性所決定的結構。離子傳導沿著表面，尤其是如果涉及質子水分子之間的跳躍可能會預期到這樣子的納米有序敏感。 6 作為轉換器的界面 也許對于納米電介質的發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮脑谟谝粋€事實，即界面的機電換能器的開發(fā)。電場的界面不僅是上述的偏振和傳導現象的驅動力，但也同時誘導機械應力場。一個納米尺寸范圍內的電氣和機械領域的這種耦合是迄今為止很差贊賞，并因此開發(fā)不足。壓電和相關現象已被發(fā)現的，當然，在各種單晶，多晶陶瓷，陶瓷 - 聚合物復合材料，許多有機聚合物，包括生物聚合物和液體系統(tǒng)，宏觀系統(tǒng)的組件?？梢燥@示這些系統(tǒng)的明顯的宏觀行為從相關聯(lián)的納米級界面的合作活動引起的。 由電場E中的電介質中產生的機械力是由亥姆霍茲方程[39]給出 其中第一項是由電荷在介質中產生的力，從均一性的介電常數和第三份F二是與電致伸縮應變相關聯(lián)的身體力量。采用一個坐標系統(tǒng)，其中，電場矢量E是在X3的方向和只與該系統(tǒng)是均勻的，則X1 X3的一個函數，X2平面，則主要電誘導應力 其中r為介電常數均勻的X1，X2，A3S2 R E3表達了增量，由于在電場方向的3倍和a1sa2s2 R E1S2 R E2 E3應變由于應變在X1，X2平面。A3的參數和A1是由電介質的結構和其中的變形將改變的polarisability的方式來確定電參數介電[39,40,41]。如可預期的，電致伸縮性質的分子很大影響結構；所有三個電參數A3，A2，A1的通過各向異性決定的，而A1和A2也由偶極子數密度的影響。值得注意的是，雖然T33是壓力（如可能已被解除誘導從一個簡單的麥克斯韋假設）T11和T22是牽引應力。為簡單起見，在X1以下的均勻性，X2平面已經假定，但可能不總是有效的，尤其是對于一些聚合物系統(tǒng)。在均衡狀態(tài)下的誘導應力會產生機械應變與主值。 其中，Y是楊氏模量，σ為泊松比。 使用等式（8）和（9）的應變變得 其中q31和q33是電致伸縮系數。在該電場的方向的3倍的應變S33是一個收縮（應力為壓），但S11和S22是牽引力并且將導致在X1 X2平面擴張介質的。的重要特征是，該應變是二次的電場強度E，因此將要強調的地方的字段是強。其結果是相之間AB界面，尤其是當由一個強大的定義偏振雙層例如由德拜 - 休克爾方程3給出，自然是電致伸縮元件（圖15）。他們也壓電式。有趣的是注意到，雖然納米，它們是非中心對稱的系統(tǒng)中，基本的原則用于獲得電致伸縮和壓電性。如果雙層極化增強，由A，B相之間施加一個額外的電勢差說，與外地E從一個穩(wěn)態(tài)值E0的數額變化ΔE（圖15），然后，從式（11）。在X3方向的應變變得-Q33（E0 +ΔE）2。當ΔE《E0的額外的壓力，是一個很好的近似。 其中，d33是現在的壓電系數。與 和 有相似系數，可以發(fā)現在x1和x2方向引起的額外壓力。注意，該系數是成正比的穩(wěn)定極化場E0和對AB界面的通過Q33和Q31系數的機械性能。在許多實際情況[42]改寫方程（12）的形式，它是比較有用的 其中k33為彈性模量，e33為壓電系數。相關系數e31和e32可以類似得出。當薄膜被用作壓電裝置，它常常是有利地利用，因為更大的位移有關，在這種情況下，橫向的系數D31或E31成為重要的側向，而不是在膜中的正常位移[42]。 平均壓應變在正常，X3的方向中總結了一個 等效于德拜長度 距離的界面由場致是 類似的表達方式可以得到用于誘導在x1和x2方向的應變，這些將導致擴展而不是壓縮。此側向或橫向效應是在許多情況下非常顯著。這意味著，一個領域，適用于垂直于界面總是趨于弱化其橫向凝聚力。如果該字段是循環(huán)的效果是鼓勵疲勞的界面結構和失敗。這可能是在二氧化硅柵氧化層[43]和在其上的納米尺度發(fā)展進一步限定的時間依賴性破裂的重要因素。 效果可以通過考慮場對界面張力的影響，或者在液體的表面張力的情況下最容易理解的。在李普曼效果的形式，后者在電化學方面[12]有著悠久的歷史。界面張力可以表示為如下形式[44] 其中界面的邊界內的壓力被認為是正常的和切向分量pn和角張量。如果象經常是這種情況，界面包括一個充電雙層然后將所得的場將有助于通過方程（8）給出的附加應力和（9）。假設該界面是均勻的平面為x1，x2方向，使T11= T22，情況則如圖16和表面張力的場致貢獻是 應用方程（8）和（9）可以表示為 對于液體它表示[39]，只能維持各向同性變形，a3為0，因此 這是二次領域E和的李普曼電毛細管作用的基礎上在一個界面。 涉及兩個界面一個簡單的例子是，一個非中心的對稱單晶如石英，這是 沿著一定的晶軸自然極化和可切開，露出極性面。當應用金屬電極兩個相對穩(wěn)定的雙層界面接觸產生這成為NEM元素，并且是場致位移來源的石英裝置[45]。石英裝置的有效性顯然是由只具有兩個活性金屬電極界面接觸到它多么有限。 壓電和相關現象已經觀察和利用然而在各種無機和有機的宏觀的固體。這些措施包括多晶陶瓷像Pb?ZrTi.O3?PZT。象聚偏氟乙烯，陶瓷 - 聚合物復合材料和生物聚合物的有機結晶，無定形聚合物和最近的蜂窩聚合物。所有這些材料的特點是，它們將有許多納米界面w[46]，各有機電活性的潛在的描述以上，雖然最初的接口可能是無序和錯誤活性定向。在解釋活動然而傳統(tǒng)的假設是，一的極性基團的排列和結構域形成高程度的關鍵因素。所謂的極化方法，其中所述材料，已知的極性構成分子，同時受到高溫和高場已針對實現該端[47，48]。這已經蓋過考慮同樣重要的增強型單極傳導是必然伴隨的極化過程。高溫和場不僅幫助對齊的極性基團，但也賦予增強的流動性和擴散性，以離子，電子和在某些情況下，孔具有類似的方向性。與此同時，他們放松了聚合物結構施加的立體構象限制(圖19）。這種情況示于圖17。極化前的材料可被表示為一組弱極性非對齊結構域的粒子A中的低導電性的矩陣B，并與相對較弱的雙電層界面AB。極化過程中，A相域鼓勵在該領域的方向與偏振成長。這個偏振將由電荷在B階段（現在移動在較高的溫度下，通過注入電荷在電極也許增大）而移動，以形成增強了很多雙層特別是在結構域的極點被反擊。電荷周圍的界面AB如第5和圖11所示的橫向移動將加強這一點?，F在，結果一組加強了雙層界面，每一個適當導向，以強化別人納米機電元件。必須強調，這是在這些界面中的最高場將存在并且將主要負責由方程8和9中給出的二次場依賴性張力從該電致伸縮和壓電而得。 兩套電荷形成每個雙電層的性質不同是很重要的雙電荷層的穩(wěn)定性。充電造成的粒子A的極點是束縛電荷和來自A的如第3節(jié)中描述的分子的電子軌道的集體極化。在B，雙電層散射部分計數電荷，由單極子，正或負的離子狀態(tài)，這是不能破壞的兩極分化，但達到與它的整體穩(wěn)定狀態(tài)的交互。（回想DLVO條件，圖7）。當字段被刪除的雙層很大程度上將予以保留，并在溫度降低時，一個重要的要求是B的固有絕緣（電荷捕獲）屬性恢復正常溫度。該段高于平均值EM在雙層AB增強和降低在A相和B相。在最佳條件下，其中有大量的面向界面有被建立時，雙電層可以支持極化電壓的很大一部分。 其中一些功能是帶出了對陶瓷鉛（ZrTi.O3）可以種植工作，無論是作為外延（單域）或polcrystalline（多域）在合適的基材2-3nm，電影和是一個重要的壓電對于微傳感器應用。只有電極界面的外延膜具有弱的響應，而該多晶薄膜具有許多更多個界面的要大得多，并以散裝的PZT陶瓷相媲美。在許多情況下，現場根據域的取向可以通過拉伸前的極化大大提高。例如，在聚偏氟乙烯的情況下，一個三倍擴展是可能的[48]，這極大地對齊的聚合物鏈，并給出偏振的優(yōu)選軸。它也當然會導致整個的雙層可建立界面的等效對齊。 最近發(fā)現，在細胞形態(tài)幾種聚合物電介質的發(fā)展非常顯著的壓電性能，當適當極化引起有關的效應的起源問題。由蒙塔納[50]的文件應征詢引用對象的簡潔列表。這些材料包括聚合物的剝離片材如聚丙烯在層流形式與交錯氣體填充的微腔的高密度的?；咎卣魇居趫D18a中。的關鍵在于產生駐極體和壓電性能是極材料下足夠的電場，以導致在腔體放電。此沉積在表面電荷狀態(tài)的相鄰的聚合物層的相對的表面上，使極化反轉后的狀態(tài)，可以假定是由于在圖18b。聚合物薄膜的表面充電的一般經驗表明，電荷強烈被困。在極化放電強場與能量的光子也必須留下深刻印象的聚合物層，誘導極化和傳導在其中。其結果只會是每個聚合物層整體變成一個微小的雙層（圖18C）或納米級的雙電層在各生產層的表面（圖18D）。既會導致電和壓電性能符合上面描述的機制。一個附加的功能可能提高效果是較大的伸長率 在經由D31系數的層的X1，X2平面[42]將，因為在所述層（圖18A），導致在X3的方向增強的機械位移錨點的。這些移動膜是重要的，這表明用人界面過程的新方法。 7 展望 一旦界面被認為是有吸引力的介質實體沒有必要大量的設備潛力，雖然經常不幸，侵入，否則無可挑剔的品質電介質系統(tǒng)，其獨特的品質可以得到承認和利用。他們是在納米尺度，這一事實符合納米技術的新風潮。如果他們的電化學特性，這還沒有考慮這里，都加上自己的機電那些他們真正對接的電氣，機械化學世界。 到目前為止，有一個主要的和壓倒例外，很少有關于他們在橫向方向上的屬性公開。唯一的例外，當然，是集成電路技術，其中，有一種很大的資源支出，已經利用硅的平面表面界面特性與相當大的成功。許多聚合材料表現出自然的平面層狀有序等有機極性大分子可以在表面上自有序。許多有機材料的帶隙大，電荷俘獲國之內他們長壽命的存在開辟了多種interfacially控制內存的情況[32]基于局部空間電荷。在這些系統(tǒng)中橫向有序平面電荷動作可能是比較淺顯不過并允許平面內存?zhèn)鬏敗? 在前述又有了機會改頭換面引用界面在生物領域。接口在其基礎物理到那些在這里被認為是大致相同的復雜控制一個生命系統(tǒng)。無所不在的生物膜，其中間隔化和控制所有生命過程，是一個背到后端對雙層。這是一個A相收縮子納米尺寸與水的電解矩陣B介面。在橫向平面然而，膜還具有非常特殊的地方生活調節(jié)孔的屬性，它現在才被發(fā)現和了解[20]。一個突出的特點是，所述膜是柔性的，并保持其性質，即使當嚴重強調。它是一種柔軟的界面。 開發(fā)仿生界面與其中的一些橫向[51]，尤其是橫向性能的潛力是相當大的，將是一個及時應用電介質界面的概念。 8 參考文獻