Физическое материаловедение. Ч. 1. Пассивные диэлектрики

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 
 
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

В. И. Томилин, Н. П. Томилина, В. А. Бахтина 
 
ФИЗИЧЕСКОЕ  МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 

 
В двух частях 
 
 
Часть 1 
 
ПАССИВНЫЕ  ДИЭЛЕКТРИКИ 
 
 

Рекомендовано УМО вузов РФ по образованию в области радиотех
ники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве 
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных 
средств», 02.06.2011 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2012 

УДК 620.22:621.315.61(07) 
ББК  30.3+22.379.3я73 
Т 564 
 
 
Рецензенты:  

С. Г. Овчинников, доктор физико-математических наук, профессор, 

заместитель директора Института физики СО РАН; 

А. М. Токмин, профессор кафедры «Материаловедение и техноло
гия обработки материалов» Политехнического института СФУ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Томилин, В. И. 
Т 564 
 
Физическое материаловедение : в 2 ч. Ч. 1. Пассивные диэлектрики : учеб. пособие / В. И. Томилин, Н. П. Томилина, В. А. Бахтина. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. – 280 с. 
ISBN 978-5-7638-2510-7 
 
 
Изложены теоретические основы кристаллофизики и кристаллохимии. 
Рассмотрены физические явления и процессы, происходящие в диэлектриках при воздействии на них электрического поля: поляризация, электропроводность, диэлектрические потери и пробой.  
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств». 
 
УДК 620.22:621.315.61(07) 
ББК  30.3+22.379.3я73 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2510-7                              © Сибирский федеральный университет, 2012 

Предисловие 

3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
 
Современный научно-технический прогресс неразрывно связан 
с созданием и изучением новых материалов. Именно с выбора материала на основе глубокого знания его свойств начинается сложнейший 
процесс создания электронной аппаратуры. Поэтому изучению материалов отводится значительное место в системе подготовки не только 
инженеров-конструкторов и инженеров-технологов электронной техники, но и инженеров-разработчиков современных электронных 
средств. Специалисты, работающие в области электроники и микроэлектроники, должны глубоко понимать процессы, происходящие при 
взаимодействии заряженных и нейтральных частиц с веществом, знать 
основы физики твердого тела, физической химии и кристаллографии, 
уметь применять эти знания на практике при разработке и создании 
современных электронных устройств. Ориентироваться во всём этом 
невозможно без знания закономерностей формирования свойств материалов, их зависимости от химического состава, структуры, обработки 
и т. д. Изучение таких закономерностей является задачей обширной 
науки – физического материаловедения. 
Данное учебное пособие предназначено для студентов укрупненной группы 210000 – «Электронная техника, радиотехника и связь», 
изучающих курс «Физическое материаловедение». Целью курса является изучение физической сущности явлений, протекающих в материалах, их свойств, областей использования и правил выбора оптимальных материалов для решения поставленных задач.  
В первой части пособия рассматриваются общие физические 
явления, свойственные широко применяемому в электронике классу 
материалов – пассивным диэлектрикам. Активные диэлектрики рассмотрены во второй части учебного пособия, подготавливаемой 
к печати. В пособии не освещены вопросы, связанные с проводниковыми, полупроводниковыми и магнитными материалами, поскольку 
они традиционно изучаются в рамках специальных дисциплин. 
Первая часть учебного пособия состоит из двух разделов. Первый раздел, включающий в себя главы 1 и 2, посвящен общим вопросам материаловедения. 
В первой главе рассмотрены основные понятия кристаллофизики, строение и кристаллографические структуры твердых тел, элемен

Предисловие 

4 

ты симметрии, дефекты структуры реальных кристаллов и особенности аморфных твердых тел. Особое внимание уделено структурногеометрическим особенностям наноматериалов, роли поверхности 
и поверхностных процессов в формировании особых свойств нанообъектов. 
Вторая глава посвящена элементам кристаллохимии: рассмотрены природа и типы химических связей, характеристики кристаллических структур.  
Во втором разделе, включающем главы 3–6, освещены основные 
физические явления, происходящие в диэлектриках при воздействии 
на них постоянных и (или) переменных электрических полей. В главе 3 
подробно изложены основные положения физики поляризационных 
процессов, определяющих важнейшие характеристики пассивных диэлектриков. 
В четвертой главе рассматриваются особенности электропроводности объемных диэлектриков и тонких диэлектрических пленок 
в постоянном и переменном электрическом поле. Анализируются причины частотной и температурной зависимости электропроводности.  
В пятой главе освещены особенности диэлектрических потерь  
в диэлектриках. Рассмотрены возможные механизмы, температурные 
и частотные зависимости потерь, методы их расчета. 
Заключительная шестая глава посвящена физическим закономерностям пробоя газовых, жидких и твердых сред. 
В конце каждой главы приведены контрольные вопросы и задания. 
Пособие снабжено библиографическим списком. Краткий терминологический словарь и обозначение физических величин приведены в приложении. 
В учебное пособие включены разделы, написанные по различным источникам: основным учебникам, справочникам, статьям, опубликованным в печатных изданиях и размещенным в Интернете.  
В связи с этим авторы не претендуют на оригинальность изложенного 
материала, часть которого скомпилирована из нескольких источников. При написании учебного пособия основными целями являлись 
подборка, структурирование, систематизация и изложение материала 
в рамках требований подготовки инженеров, бакалавров и магистров 
по указанным направлениям. 
 
 

Введение 

5 

ВВЕДЕНИЕ 

 
 
Достижения современной науки и техники трудно представить 
без фундаментальных исследований в области материаловедения. Поэтому, как бы высоки ни были достижения космонавтики, вычислительной техники, приборостроения, ЭВМ, микроэлектроники и т. д., 
необходимо отдать должное развитию материаловедения, благодаря 
которому оказалось возможным создание интегральных микросхем  
и микропроцессоров, сложнейших ЭВМ, радиотехнических устройств 
и систем и т. п. 
Современные отрасли науки и техники, такие как радиосвязь, 
радиолокация, радиоастрономия, радиоспектроскопия, радиофизика, 
кибернетика, микроэлектроника, автоматика, телемеханика и др., 
не могли бы получить столь значительного развития без использования высококачественных материалов и компонентов электронных 
средств на их основе. 
При этом в ряде случаев совершенно необходимо создание новых материалов с особыми свойствами, поскольку именно использование этих свойств позволяет существенно улучшить качественные 
показатели и эксплуатационную надежность оборудования, удешевить и упростить технологию производства. 
Для получения требуемых свойств материалов в настоящее время используют разнообразные, зачастую весьма сложные приемы химического синтеза, искусственного выращивания монокристаллов, 
напыления и осаждения тонких пленок на различные подложки в вакууме и электролите, разнообразные способы особо глубокой очистки 
материалов (в том числе зонную плавку), введение добавок (диффузией и ионно-плазменным легированием), воздействие электромагнитного поля и проникающих излучений, высокого давления и температур и т. п. Всё это свидетельствует о наличии весьма разнообразных 
приемов и методов получения материалов с широким набором требуемых свойств.  
Как правило, выбор материалов для конкретного применения 
является сложной задачей, успешное решение которой в значительной степени зависит от глубины и всесторонности знаний об их свойствах. Для этого необходимо глубоко изучить физические явления, 
происходящие в материалах при воздействии на них электромагнит

Введение 

6 

ного поля, знать количественные параметры, характеризующие их 
свойства, и уметь их рационально использовать.  
Целью настоящего учебного пособия является формирование  
у студентов представлений об основных взаимодействиях, обусловливающих физические свойства диэлектрических материалов, а также 
знакомство с основными методами исследования и расчета физических характеристик твердых тел, необходимых для выполнения самостоятельных научных исследований и лабораторного практикума 
в рамках действующих учебных планов. 
 
 

Глава 1. Элементы кристаллофизики 

7 

Р А З Д Е Л  1  

 
ОСНОВНЫЕ  ПОЛОЖЕНИЯ   
ФИЗИКО­ХИМИЧЕСКОЙ  КРИСТАЛЛОГРАФИИ 

 
 
Развитие физико-химического материаловедения как науки  
о свойствах веществ показало, что создание и внедрение в практику 
новых многофункциональных и наноструктурированных материалов 
и технологий требует от специалистов глубоких знаний в области 
теории твердого тела, квантовой и статистической физики, физической химии и химической физики, а также целого ряда других фундаментальных наук. Поэтому, на наш взгляд, целесообразно начать 
учебное пособие с освещения основных разделов кристаллографии  
и кристаллохимии, анализа внутренних причин, обусловливающих те 
или иные свойства материалов и создаваемых устройств, взаимосвязи 
физико-химических свойств веществ с их структурой, составом, 
строением, структурными дефектами и типом химических связей.  
Не научившись прогнозировать свойства материалов, невозможно 
обеспечить прогресс за счет создания новых, более передовых материалов и технологий. 
 
 
Глава 1.  ЭЛЕМЕНТЫ   КРИСТАЛЛОФИЗИКИ 
 
 
1.1. Основные понятия и определения 
 
В зависимости от внешних условий вещество одного и того же 
химического состава может находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях, называемых агрегатными состояниями. 
Известно и четвертое состояние – плазменное, представляющее собой равновесную «смесь» нейтральных атомов, молекул, положительных 
ионов и свободных электронов. Это состояние имеет место при высоких 
температурах, когда происходит термическая ионизация атомов. 
Твердое тело можно определить как вещество, сохраняющее 
форму и объем в течение достаточно длительного промежутка времени. Ряд веществ в определенном температурном интервале занимает 

Раздел 1. Основные положения физико‐химической кристаллографии 

8 

промежуточное положение между твердыми телами и жидкостями. 
Как твердые тела, они обладают анизотропией различных свойств – 
структурных, электрофизических, оптических и др. Как жидкости, 
они текучи, могут образовывать капли и не имеют определенной 
формы. Это состояние называют жидкокристаллическим или мезоморфным (промежуточным), а вещества – жидкими кристаллами. 
В природе существуют две разновидности твердых тел: кристаллические и аморфные. В кристаллических телах частицы, под 
влиянием действующих между ними сил, имеют возможность для самоорганизации, вследствие чего располагаются упорядоченно в регулярные структуры и образуют пространственную кристаллическую 
решетку. Положение любой частицы в пределах решетки однозначно 
определяется ее взаимодействием с соседними частицами. В области 
устойчивого существования вещества единственной формой движения частиц являются их беспорядочные колебания около положений 
равновесия. Энергия каждого такого теплового колебания квантована 
и называется фононом. 
По определению, кристаллом называется тело, в силу своих 
внутренних свойств ограниченное плоскими поверхностями – гранями. 
Связь между геометрией внешней формы и внутренним строением 
кристаллов, с одной стороны, и их свойствами – с другой, устанавливается физической кристаллографией. Кристаллофизика изучает физические свойства кристаллов посредством специфического метода – 
симметрии, устанавливая связь физических свойств кристаллов с их 
симметрией (см. параграф 1.3). 
Одни и те же атомы или молекулы при различных внешних условиях могут образовывать отличающиеся друг от друга по пространственным характеристикам кристаллические формы или модификации. Это явление называется полиморфизмом (см. параграф 1.5). Например, кристаллические модификации углерода – это алмаз, графит, 
графен, фуллерены, нанотрубки. 
Наиболее общим признаком кристаллов является анизотропия – 
зависимость различных свойств от кристаллографических направлений. 
Отличительный признак кристаллических тел – резко выраженные 
температуры фазовых переходов (твердое жидкое, жидкое газообразное), которые для чистых веществ (при постоянном давлении) являются физическими константами. 
Кристаллические твердые тела могут существовать как в виде 
одиночных кристаллов, называемых монокристаллами, так и в виде 

Глава 1. Элементы кристаллофизики 

9 

множества хаотично сросшихся между собой мелких монокристаллов 
(зерен). Это поликристаллические твердые тела. Поликристаллы 
изотропны, т. е. их свойства одинаковы во всех направлениях. 
Несмотря на то, что, с энергетической точки зрения, кристаллическое состояние термодинамически более устойчиво, продукты многих процессов являются аморфными материалами. 
Твердые вещества, не обладающие кристаллической структурой, 
являются аморфными. При нагреве они размягчаются, не имеют ярко 
выраженных температур фазовых переходов и характеризуются хаотическим расположением частиц. Идеальный газ – предельный случай аморфного состояния. 
Часто аморфное состояние отождествляют со стеклообразным. 
Это представление не совсем верно, поскольку в небольших элементах объема стекол наблюдается упорядоченное расположение частиц. 
Такие микрокристаллические образования называются кристаллитами. Они обладают решеткой, свойственной структуре данного вещества в кристаллическом состоянии. Например, в кварцевом стекле 
структурными элементами являются тетраэдры [
]
4
SiO
, соединенные 
вершинами. 
Вне зависимости от агрегатного состояния физически однородное (гомогенное) вещество или совокупность нескольких тождественных по составу веществ, находящихся в равновесных состояниях, 
называют фазой. В пределах одной фазы вещество может быть неоднородно в химическом отношении. Так, воздух химически неоднороден, поскольку представляет собой смесь кислорода с азотом и другими газами. Однако физически он однороден и является гомогенной 
однофазной системой. Вещества, состоящие более чем из одной фазы, 
называются гетерогенными. 
Гетерогенная система может содержать несколько веществ  
в одном и том же агрегатном состоянии и быть многофазной, из-за 
различия свойств этих фаз (например, смесь воды с бензином и т. п.). 
Многофазная система может быть образована и одним веществом, 
находящимся в разных агрегатных состояниях (например, лед и вода), 
либо  в одном агрегатном состоянии, представляющим собой смесь 
аллотропных модификаций (например, смесь твердого красного и белого фосфора, алмаза и графита и т. п.). 
Таким образом, все гомогенные части гетерогенных тел, одинаковые по химическому составу, строению и агрегатному состоянию, 
составляют одну фазу. 

В

ем. В 
простр
чающ
решет
ное че
макро
лограф
повтор

Р

ции) а
рассто
дичес
2а0, 3а
номер
онным
напра
(рис. 1
вдоль 
мерна

а

крист

Раздел 1

1.2. К

1.2.1

Внешняя
процессе
ранствен
ие мини
тка – абс
ередован
оскопичес
фической
рения в п
Рассмотр
атома тол
ояния, к
ский ряд 
а0 и т. д
рной реш
м вектор
авлении 
1.1, б). 
 третьей
ая решет

 
а       

Рис. 1.1. 

а – одноме
таллическ

1. Основные

 Кристал

и

1. Общая

кр

я форма к
е самоор
нные стр
имуму св
стракция,
ние атомо
скую фор
й систем
простран
рим про
лько в о
кратные м

идентич
. (рис. 1.

шеткой, а

ром. Пер
на рас
И након
й коорди
тка (рис. 

                

Схематич
ерной; б –
кой решетк

е положени

лличес
деальн

я характ
ристалл

кристалл
ганизаци
руктуры 
вободной
, позволя
ов или и
рму крис
е коорди
нстве оди
оцесс пер
дном нап
междуат
чных точ
.1, а). Та
а вектор 
ремещая
сстояние 
нец, при 
натной о
1.1, в).  

                 

ческое изо
– двухмерн
ки. Жирны

ия физико‐х

ская реш
ных кри

теристик
ических

ов обусл
ии атомы

(простр

й энергии
яющая о
ионов и о
сталла. Э
инат путе
наковых 
риодичес
правлени
томным. 
чек, расп
акой пери
элемента
 исходн
b0, по
трансля

оси на р

 

          б   
 
бражение 
ной; в – тр
ыми линия

химической

шетка и
исталло

ка и кла
х структ

ловлена и
ы, молеку
ранствен
и кристал
писать п
однознач

Эта решет
ем бескон
структур
ского пе
ии вдоль
В резул

положенн
иодическ
арного с
ый атом
олучим 
яционном
расстояни

                 

простран

рехмерной
ями выдел

й кристалл

 и струк
ов 

ссифика
ур 

их внутре
улы или и
нные реш
лла. Про
правильн
чно пред
тка строи
нечного 
рных еди
еремещен
ь коорди
льтате по
ных на р
кий ряд н
мещения
м в перп

двухмерн
м перем
ие c0 обр

                

ственных 
й; а0, b0, с0 
лена элеме

ографии 

ктура 

ация 

енним стр
ионы обр
шетки), 
остранств
ое, закон
допределя
ится в кр
закономе
иниц. 
ния (тра
инатной о
олучим п
асстояни
называет
я – тран
пендикул
ную реш
ещении 
разуется 

     в 

решеток: 
– периоды

ентарная яч

роениразуют 
отве
венная 
номеряющая 
ристалерного 

ансляоси на 
периоиях а0, 
тся одсляцилярном 
шетку 
атома 
трех
 

 
ы
чейка