纳米级电介质的主要特征.doc

纳米级电介质的主要特征- 界面摘要有人认为，电介质粒子的行为，因为他们在通过规模缩水微米级到纳米级时，由性质越来越多的占主导地位他们与环境的界面。决定这些界面的结构各种原子和分子间力的电性质都通过特别强调它们的的审查。许多在被动和动态的介电性能可溯源到纳米界面性能的情况下予以考虑。它也表明，这种界面是纳米级机电（NEM）系统，集体行动也是在宏观系统解释压电性。界面自然纳米实体必须在纳米技术未来发展的重要作用。在生命系统的中无处不在雇佣注意到和比较，表明协同机会。关键词 - Nanodielectrics，复合材料，界面，界面张力，双层，界面的介电元件，NEM，压电性。1. 简介科学文化的发展中，制度和制度要素的属性被认为是在纳米尺度快速地增长。在一开始，但是，它可以说，很多现代科学技术，如果不整，已经牢固建立在纳米，确实是子纳米概念。特别是化学和很多生物和物理都基于我们认为在规模小的分子和原子水平的属性词汇。在这些已建立的科学不过元素的属性通常集成在宏观量达到解释的宏观性质。经典的电介质的情况，例如，是要考虑的分子的性质ZA偶极子纳米概念。并适当地总结他们获得的介电常数ZA宏观的概念。纳米科学和技术的新发展停止短的最终整合，并考虑哪些特殊的性能是目前在纳米级水平，以及他们可能如何被利用。这是一个在量子和连续的科学之间的中观世界。在电介质的情况下，这项工作涉及到基本单元，如大分子，单层和膜和纳米和mesometric粒子的性质。造型设备和渺小的这个命令的系统元素意味着，他们开始采取在日常的现实，但实际上这与常规经验相距甚远。这是惊人的表现在实现将1g100纳米直径的球形铝粒子就足以提供每个人今天活着约3105粒子和一个3纳米簇直径比一个句号在打印一个典型的线路更小的106倍。不过，在这些方面的集成电路设备，甚至更小的常规使用在无数的数字。为电介质的系统，其中的长度尺度是下面200纳米左右。纳米电介质W1X或nanodielectrics，介电元件之间的表面和界面，自己纳米尺寸，越来越突出。微观和宏观世界的正常标度律不再能够用于预测性能和力，如常见于胶体系统接管。由于界面主宰介质的情况下在这个水平，nanodielectrics和界面成为不可分割的。在平衡电界面一个特点是，他们很可能会承受较大的电场。但是很少承认是从机械力和化学和熵产生的梯度在其中等互动领域的存在。这些都得到了很好的强调不过在目前的在配置和订购的界面组合场中生命系统的细胞内外界面的情况下产生的离子和分子生命的必要通量。 分子组织和非炫酷对称性，这是电介质界面的共同特点和性质，从这些它派生，使他们成为对感测和转换角色有吸引力的候选人。MEMS和NEMS机电问世在微纳米尺度器件凸显认可的界面技术可开发的潜力。在下面的界面介电特性进行审查，并在他们的系统在规模小的纳米尺度的主导地位将被强调。2. 纳米级条件考虑设立两个其他材质均匀阶段A和B之间的界面。在两相系统中的每个原子或分子会与周边平衡通过套短和长程力。深藏在每个阶段的势力，虽然在原子间距波动，基本上是恒定的并且相位的特性。与其它相的界面但是接近它们将变得越来越修改。超过该力是从“散装”的值不同的范围定义了一个界面AB与力有关的任何性能的强度I会改变。界面的范围，由I的变化定义并取决于有利的性能。这可能是该系统中，诸如分子，原子或离子物种或电子浓度的成分的浓度，但也可以是任何物理或化学性能如能量密度或电介质极化。一个密集的属性I1的更新可能被作为如图1所示，其中它从一个值I1A在甲由于I1的在其甲限制的渐近性质改变为I1B在B，历经其通常不明确的有效距离t1和B。一个组成部分，它是有点表面活性的性质，可能是由具有不同轮廓和厚度t2 I2来表示。（因为从A的属性，以那些B的转变发生在一个有限的物理区域AB界面或许应该被称为相间，但前者是比较常见的名字。）有效厚度可以小于1纳米，如果只有短程力存在，但多达10纳米或更大，如果界面被充电。图1是一些常见情况的概括。一个例子将是一个金属 - 电介质接触，其中该属性是自由电子的浓度。其他可能是在半导体pn结的电子或空穴浓度，穿过一个硅二氧化硅中的氧浓度接触或在一种氧化的金属如铝的表面。另一个是将水分子或离子中的一个绝缘层 - 空气界面的浓度。非电气的情况可能是机械应力或界面（表面）的能量。图1表示沿特定正常条件到界面和如果作为很可能在许多情况下，有是变化的结构在界面的横向面积这些都可以在所选择的正常强烈依赖。因而虽然界面纳米的法线方向，它是在界面面广泛，所以定义与特性由不同的散装的片状AB区域A或B，并根据当地的地形特征。这个横向准相位已接收相对较少的关注，但其性能可能在某些显著情况是重要的，这将在下面讨论。界面性质日益凸显，如果A相为有限大小的颗粒，并经B与它们之间的AB界面包围4。这是一个复合电介质的情况，正如图2所示，总界面贡献可以变得非常显著随着粒径减小。如果接口只有短程力量决定，并0.5纳米厚，其量超过当粒径减小到低于5nm的整个的50。如果该接口扩展到10nm或更大，因为它们可能会做当界面被充电时，它们将成为主导，当d小于100纳米。很显然界面的性质可以强烈地影响复合材料的整体介电性能。这是一种情况完全不同于一个假设在传统的麦克斯韦 - 瓦格纳处理这些系统。各种复合的情况下可以得到承认。微粒A可以是固体，液体或气体浸没介质可以是固体，液体或气体相。许多这些组合将如下所述表现出胶体性质的特殊功能。他人其中B为固相可以在制备过程中要经过的胶体形式。图3显示了从在纳米系统有限维的界面的存在而产生的另一个重要特征。由于颗粒在缩小尺寸和更多的粒子来存在于界面态从大量力不同界面力的影响下的元素的属性典型的大部分A的将逐渐丧失。两种截然不同的例子，它说明了这种情况，都值得详细描述。在第一阶段，即所谓的量子点5，这个功能是由颗粒大小来调整发光。在硒化镉晶体的价带和导带的数目和电子能态的分布开始取决于晶体大小时，它是小于10纳米。作为原子被除去的频带不再状态的连续体和由量子化能级被替换和带隙增大。当适当地用UV光照射这些小晶体或“量子点”的发光的颜色变成直接相关的大小，从红色变为蓝色，当尺寸从6纳米缩小到2纳米。不必要的特征是，一些被吸收的紫外线能量的劣化在通过电子 - 声子相互作用和热辐射到周围环境的界面。这成为随着粒径的缩小更加严重，但可以通过涂覆颗粒硫化锌它修改的界面的原子环境被反击。第二个非常不同的界面影响的例子是出现在下一代微电子硅集成电路技术的发展中。对于不断增加的电路密度的需求，需要晶体管尺寸缩小，但后果是再该减少的信道长度和栅极电介质区域是必需的。后者是特别麻烦的，因为它降低了器件的电容和限制驱动电流，这是不可接受的。情况可能通过降低栅极电介质的厚度来补救对付面积减小，但这种介质对栅极和硅通道的接口，那么变得越来越占优势。该情况示于图4。在SiO2栅极电介质界面与多晶硅在一侧上的栅极和在另一硅衬底的场致通道。“散装”的完全绝缘带隙的SiO2要求至少2细胞单层的氧化物存在，厚度为0.35至0.4纳米。在从Si沟道小于这个距离有氧原子不足和氧化物的带隙被降解。在界面上出现类似情况的多晶硅栅。对于氧化层厚度小于这个结果将是道和浇口之间的有效短。由于电荷的两个质心与在沟道的栅极和反相层相关联的分别增加多达0.40.6毫微米的电厚度，栅极系统保持绝缘完整性的有效最小宽度变为约1.4纳米。替代电介质具有较高的介电常数（例如氧化铝或二元氧化物，例如氧化锆的SiO 2）。正在考虑中，但此功能必须通过密切与界面相关的因素进行平衡。电介质必须具有低的缺陷浓度，诱导一些界面状态和稳定，反应性与硅接触。来控制漏电流和击穿它也有以提供大的障碍，电子隧穿穿过界面。目前钛酸锶表明承诺，生产与Si和电子能量势垒大于1.2电子伏特的突然两颗原子弹层接口7。对于需要高permittivy栅介质的对比生动地与另一个同样举足轻重的要求微电子的未来，互连延迟时间即减少。电介质与整体介电常数要求小于2 8。基于涉及有机-无机聚合物，各种溶胶-凝胶系多孔系统硅与孔径大小在纳米级范围内被考虑，因为有完全的有机聚合物。周期性介孔有机硅酸酯与介电常数低至2是有希望的候选9。这些是上述（图2）所讨论的两相体系的实例。其中A相现共有在矩阵B持有的空隙。纳米孔隙复合材料界面性能的充分利用需要访问空隙，这使孔隙连通成为一个关键因素。这种情况是由沸石例证10。这些都是基于SiO44-和具有纳米尺寸的空腔AlO4 4-四面体的三维蜂窝状结构成分子阳离子可以通过连接的纳米尺寸的通道也被吸附。许多吸附剂之中，水具有这些材料具有强亲和力的事实，暗示，以及作为强大的吸附剂，它们具有潜在的能够承载活性介质分子的复合物。3 界面力强度的空间变化我一个组成部分的属性（图1）来自原子和分子间力的网络中的变化会W11X从A相到B相通过接口AB。这些力有几种。有硬核力，是非常短的范围内，量子力学和排斥性的。它们产生于单个原子的电子云重叠的相互作用。所有其他的力是涉及负电子和系统的阳性细胞核基本上吸引力/排斥力的静电相互作用。他们采取的形式取决于单个原子或分子是否是中性的或有净电荷，使它们成为供体或受体离子。中性形式的电子和原子核中的分子或原子的任何不对称分布将产生多极势力的偶极子元件将成为主导。几种相互作用是可能的。离子之间的力是强的库仑和远距离。当永久偶极子的存在将有弱iondipole和偶极 - 偶极力和各种离子和偶极诱导偶极力量。德拜和Keesom力12是这一类。所有的偶极相关的偏光力是温和的范围内，一般有吸引力在自然界中和被统称为范德华力。一个特别的短程静电力，但是特殊结构的重要性高度定向的，因此，是一种给予体（一个氢气原子共价键合到电负性原子和受电负性原子）之间的氢键。重要的是在纳米尺度确定介电现象电荷存在时而发生了强烈的长程相互作用。一个带电部件会导致两个电子极化（离子（诱导偶极子）interactionx和任何永久偶极子的方向，离子偶极相互作用。与这些相关的能量由两部分组成：一个内一项涉及量子力学相互作用与近邻原子和分子和一个外，可以在电容方面经典的考虑。在后者的改变在通过A到B之间的界面可以为电介质界面的图像法来评价12。一种常见的情况在纳米介系统是其中的表面或颗粒A的表面的至少一部分变成有效的充电及周边B相响应，建立一个筛选相反电荷，面对A上的电荷。粒子A和电荷计数器电荷在B中的发展是可区分的过程中，将被单独考虑。假设为A被收取的那一刻，筛选相反电荷可以通过两种方式获得。第一是由偏振乙及同时涉及电子极化和任何永久偶极的取向。这是电化学的所谓的重组过程13，并且是当B具有极性组分尤其显著。在AB界面的相互作用能有上面所述的内量子力学和经典外组件。后者通常是由表达式表示： 其中a（小）是纳米颗粒离子的有效半径。Q是其电荷量。0是自由空间的介电常数r是B的相对介电常数。在成立画面在瞬态条件下，r 值介于光频下和稳态下s值之间。重组和订购这引起了r涉及熵因素以及B相分子的能量。内和外组件可以通过任何空间要求被显着地影响期B周围A的分子堆积。如果B包含移动的离子，这下库仑力，将迁移到周围建立粒子A的扩散双电层发生第二次筛选作用。当A具有密度正电荷的情况示于图5a（为清楚起见，A的表面的一部分膨胀并显示平面）。双电层由负一热活化波动分布反击和积极的合作，离子和相应的波动局部场。这是习惯用平均场近似来代替后者，并确定一个电位分布函数，（图5b）必须同时满足泊松和波尔兹曼方程。分配的属性，然后方便地假设有横向对称的（至少在大尺寸与双电层相比A的表面被均匀充电），只有在法线方向向外A的表面出现变化说明。合并后泊松 - 玻尔兹曼方程变为：其中，（r）表示电位分布，是到A表面距离r的函数，Zi是化合价，ni（）是距离界面A较远的B中的离子浓度，等式（2）使用渐近法的三维溶液已经给出14但是，如果在从A和B远端电荷中性可以假定然后在适用于单一离子和1:1电解质的Gouy-查普曼形式的溶液获得11。对于非对称电解质的溶液也是可能的。对于案件没有在A的表面导致的潜在的（0）的高值，该解决方案可进一步以简单的德拜形式减少其中，k-1徳拜长度，定义了双电层的指数衰减的程度。K-1的值取决于批量离子浓度和大约30纳米的10 -4M电解质。在双电层对应的电荷浓度可表示为一个简单的表达式收费和混合他们的熵之间的相互排斥的复杂组合。在颗粒表面，R=0时，“接触”的值是和经由格雷厄姆方程12相关的表面电势0其中是表面的离子的电荷密度。为1:1的电解质的计数器和共同离子浓度会发生变化，如图6所示。如上述在出生偏振层的情况下所讨论的，人们认识到，有可能是通过力结合到表面的分子尺寸的离子层不同于通常比扩散层的静电那些强。这是跨越时产生的电位差小的所谓斯特恩层。在表面处的电势变得s和电势0的双层正确，这将是略微不同的，开始于从A的表面上的分子距离。在情况下，B相是液体，这是传统上认为，在相对于A的B面侧向运动只有在从A（剪切面）。这个距离成为可能和0被称为电动或电势。有新的证据然而，在斯特恩层离子可以确切向地移动，并且围绕每一粒子的双电层的范围。在胶体情况可具有良好的颗粒的标称半径以外的流体动力学影响15。如上一个稳定的双电层的存在提的是队伍在那里是不完全中和的电荷反诉的粒子A。最初上的电荷可能会出现adventitiously，例如通过在与外部接触的电子转移代理B相和的，随后中通过短距离“接触”电荷转移是大力非常不利的。的情况的原则，一个明显的例子是在硅稳定的pn结的，因为能量状态，电子在n型的差异，相位都无法消除在p型相孔至少在正常的温度和过现实的寿命。另一种情况是，当粒子A的统称单个或多个极性结构域和接口问题是域的一极，另一极是足够远是相对不产生影响。在这种情况下，双层成立由B计数器充电非常稳定的，因为中和只有成为可能破坏极地领域。在另一极域，如果它暴露A的表面上，并且相B的电解质含量是合适的，双相反极性的层可以形成。请注意，由于粒子A在缩小尺寸和对立的两极走到一起的双层将会减弱。这些特性成为重要在优化的机电性质复合材料，这将在第5章的说明。该微流体越来越大的兴趣，尤其是16在传感器应用中，也强调了重要性的泊松玻尔兹曼条件和电双层微通道。这些通道，准备通过微机械加工，具有矩形横截面其表面支持双电层。二维PB方程此溶液的几何形状，特别是在角部区域是困难的，但可用17。它表明，在拐角处的双层很可能会提供一个强大的阻力。当另外，这是常有的情况下，机加工，盖板微通道是从静止不同的材料，zeta电势，双层的条件和相应的液体的流动变得极其复杂。一纳米介电复合材料的制备将频繁涉及纳米粒子A的混合在液体矩阵B的相位。如果颗粒保持电中性那么有吸引力颗粒间的范德华力将鼓励和聚结的均匀性纳米结构将受到损害。如果它们不过充电，由筛分双层包围，干扰双层之间的排斥力会产生如颗粒相互接近。这种情况示于图7。取决于相对范德华的优势和双层迫使它可以看出，结合力可以稳定的复合在对应于一个最小能量在一个间距M。当德拜长度是这样的情况，鼓励大（小k）随后的B凝固，然后可能以产生一种均匀的复合材料，其中的电荷在A和周围的双层依然存在，并且将继续以稳定该系统。当然，ALS在注量该复合材料的介电性能。该平衡吸引力的极化和排斥双层势力给一个稳定的能量最小的是所谓的Derjaguin，朗多，维尔威和胶体理论Overbeek的精髓18。纳米粒子的介电复合材料所用的相同的方式加以考虑。电介质在高温下的极化是在制作有源器件的一个通用程序。对于复合电介质，这将增加在B相移动电荷载体的浓度，从而提高稳定大约A颗粒双层的产生。这将进一步在第5节中讨论。一个立体性的几个界面相互作用会干扰与DLVO力量。其中的一些已经上面提到的。如果B的分子具有结构导致其在A颗粒的表面有序结合，两个A粒子的close方法会干扰这个顺序，改变的力量在分子的距离。这种类型的介质情况下意义的情况是在水化A的水分子存在于B相表面。如果该粒子的表面是亲水性的，他们将保持一个有序的水层，这将削弱它们之间的吸引力，因为他们走到一起（图8）。另一方面，如果它们是疏水性的，水将被排除和吸引力增强。在B相因而残留的水可以在影响复合结构是重要的。在科学活动有关纳米系统的增加导致了在水的邻位的方面在界面重新产生了兴趣。尤其令人惊奇的性质时产生的粒子相接触的表面水的轮廓包围密闭空间界面纳米尺寸。例如单个文件通道水分子被发现发生在2纳米直径碳纳米管，这是疏水性的。氢键水分子链滑倒来来回回在管中19。类似的合作现象的发生沿横向界面被用来解释在生物膜蛋白纳米孔内衬选择性功能20。横向界面过程中的重要作用将在与介电连接在下面进一步考虑复合材料的性能。这可能是说顺便指出似乎有水在纳米管和水树聚乙烯的实际情况之间有一些惊人的相似之处。聚乙烯球晶的间层状空间延伸的纳米尺寸的疏水性通道，沿着该水分子的合作运动可以预料在所述碳纳米管。在许多复合材料的B相将有机聚合物，这引入了重要的空间特征在与A颗粒的界面，特别是在当复合被构成阶段。在这一点上，聚合物很可能是高于玻璃化转变温度在这一点上聚合物很可能是高于玻璃化转变温度，聚合物链（也许100nm以上）的回转半径Rg，很可能是大于有效范围范德华力和双电层的力。因此，即使在聚合物链只作弱（但多个）键合与颗粒表面2颗粒的附近方法很可能诱发大量失真在干预的聚合物链（图9）。随之而来的要求在增加的构象熵的链将导致颗粒之间的斥力。A颗粒的分散液从而取决于Rg和因此，在B相的溶剂性能的控制链延伸。A的分散会进一步影响，如果有聚合物之间的特异性结合组和所述颗粒的表面，从而可以改变链的配置。当B相是聚电解质，如在例如生物的情况下，与聚离子相关的静电引力会造成任何相反电荷的表面集体互动在A相和聚电解质的将作为巨抗衡。4 作为被动介质的界面以上已经建立了纳米尺寸的颗粒的性质在很大程度上，如果不是完全，通过其与环境的界面相互作用来确定。由于这些相互作用的结果是一定程度的界面中的极化和电荷分离，纳米粒子确实nanodielectrics。颗粒也弥补了更多种类的宏观复合系统中可被利用的A，B相（并不总是电器）集体性质。当颗粒是纳米尺寸的，并在界面使该复合材料的显著体积贡献（图2），可以预见，该界面的属性将极大地影响介电行为。在这些情况下，有必要考虑如何nanodielectrics即接口将要留下深刻的印象电场作出反应。之前专门考虑界面方面，应该注意的是，已经有相当发展，介电复合材料的理论分析超越了传统的麦克斯韦 - 瓦格纳法21这源于由MaxwellGarnett22专门为纳米复合材料提供的分析金属球在眼镜。因此，高和古23已考虑双组分体系中的介电常数其中随机分布的颗粒椭圆形分布。相关的治疗已经由Sareni等人给出。在微观结构和拓扑随机和定期有序复合材料，包括触摸球方面24,25。在位于聚合物的无定形相中特定的碳纳米颗粒，其中界面效应可能是重要的考虑了25。最近已经提供由薛26模型，用于计算包含在均相矩阵随机分布和薄薄地涂覆椭圆颗粒复合材料的有效介电常数。该涂层被表示为有限厚度的被动界面与指定介电常数。尽管该简化行为的一个不同的范围取决于电介质的颗粒，涂层和基体和对颗粒形状，大小，体积分数和涂层的厚度常量预测与实验一致。如预期的涂层施加在宏观有效介电常数，这也变化非线性地与颗粒的体积分数有很大的影响。复合材料组成的玻璃基质，古典研究法拉第27的主题，后来由麦克斯韦-加内特22金属纳米粒子，已收到重新关注作为新的光学系统局部发展的一部分282930。在这些复合材料产生时，受到电磁辐射的强烈的颜色是自由电子的金属颗粒和诱导在其表面上的相关联的极化电荷场致集体振荡的结果。粒子经营作为一个集体偶极子。振荡的波长，因此颜色不仅取决于金属（如金，银或铜），但是灵敏地也对粒径和球形度从任何偏离。椭球形纳米粒子与极化的两轴可以呈现两种颜色29。如可预期的，因为该方法依赖于偏振面，在确定颜色和强度，与周围的介质的界面的性质也很重要30。最后的颗粒间力开始发挥作用，通过粒子之间的相对远距离dipoler/偶极相互作用，使得金属基体中的体积分数是重要的。金属纳米粒子掺入复合材料给设计师特有的属性的许多变化的一个非常有用的总结已经由翁给予等31。例如15nm的Au颗粒包封在二氧化硅壳和包封在颜色的聚电解质的变化从蓝色到红色的粒子浓度下降。更多的工作需要做，以了解形状影响，颗粒/基体界面和颗粒间的相互作用之前，这些光学纳米介系统可以充分利用。金属纳米球掺入在一个电介质基体的技术31被转移在一个有趣的和潜在的重要方式进入该集成电路域。一个最新的这些关注基于MOSFET的几何形状的存储装置32。金纳米粒子包埋在SiO2基质中的一个层沉积到所述晶体管的Si沟道和覆盖绝缘有机LB膜膜和Al栅。这样的安排是这样类似于图4的。在栅极之间的电压脉冲和通道，否则绝缘Au颗粒变得传导充电并生成该移动设备的操作阈值，并创建一个存储器中的字段。反向脉冲放电粒子和擦除内存。那些关注与电介质的高电压极化，形成驻极体可以在这里认识了相同的基本机制，但精确确定的条件下。在同一时间的空间电荷积聚在绝缘性在高场，这从根本上也必须是纳米介情况工业聚合物的相关的问题，可能会更好地通过在纳米类似实验，或至少一个微米级尺度的理解。5 作为主动介质的界面到目前为止，重点一直放在界面处于相对被动的角色。在活跃纳米介情况其响应于外加电场，必须考虑到。在这方面的界面的双电荷层组件具有两个非常重要的特征。在横向方向上它是一个高度可极化的区域。如方程表示（4）双电层的电荷浓度至电势0非常敏感，因此，该字段。在横向方向上的层，这将是主要的抗衡离子（图6）中，离子可被预期具有显著流动性。这两个功能被连接在一个横向感应电流i可接着由电位进行调制整个升0双电层（图10），一个重要的但至今很少利用情况，另一个相似之处是一个场效应管的。双层活动已经突出了一些关于复合材料的介电行为的贡献。OKonski33作出关于界面传导的一个随机悬浮球形颗粒的每一个具有规定的表面导电性的整体介电性能的影响早期的贡献。复合系统的参数示于图11。在低频率或高的表面电导率S，电荷载流子被有效地的界面周围由导致的感应极化在其中成为一个大偶极如图11中的粒子的极性端的字段传送。有效介电常数s，就可以大大超过1。在高频率或低S这不会发生和s具有1和s和颗粒的体积浓度的相对值所决定的常规值。这种模式已经发展更加进一步通过媒体及森34。强调在双层反离子的主导地位，这些都显示，除了到极化电荷的粒子的中性云电荷也产生双电层，如图12之外。充电，然后通过扩散和传导的组合转移到周围散。在低频率的扩散云是大和的相位与施加的场。其结果是沿圆周电流和电荷聚集也有异相成分，并以一个不同相的偶极矩会导致。当频率增加时，扩散云减轻和与它不同相的偶极矩。显著的频率响应比德拜型更宽。该模型提供了针对其介电常数通常安装在实证科尔 - 科尔型方程的许多复合系统中的物理解释。有趣的是，在互补的复合结构体，即固体与液体“粒子”，例如可能代表一个水浸渍的多孔岩石似乎表现出类似的特征35。低频介电常数幅度大于该介电常数的订单岩石或水和它随频率的增加而增加。本着上述这种行为的模型已被归因于偏振状态的岩石和水之间的界面的压倒性影响。该结果强调了模型，只要求有两种不同的介电质，一在分散的颗粒形式的普遍适用性，并且有它们之间有显著电介质界面。这覆盖了很宽的范围内的胶体系统18，包括液体和固体气雾剂，液体乳剂，固体悬浮物和膨胀的固体，高分子凝胶和生物实体。该列表可以被扩展而不很大的困难，以实际使用的许多绝缘材料，这通常是无定形或半结晶的。这些包括对比介质聚乙烯和SiO2通常与添加剂和杂质。当颗粒浓度足够高这将是可能的扩散云和最终的双层重叠。新的形势，然后产生是因为在系统中离子迁移可以发生完全通过纳米级的双层（图13）。现在有相当多的文献处理的纳米尺寸（碳纳米管为原型）的刻意建造的渠道和管道，通过它传导将完全由横向运动，通过双层（图14）。简明摘要已经被Vorrey和Teeters36给谁也描述了含有孔隙400和30纳米到其中引入了干聚合物电解质，聚氧化乙烯的分子直径之间的聚碳酸酯膜的测量。密闭，在纳米孔中这样的电解质会随着孔尺寸减小的导电率和30纳米的孔的大小几乎两个数量级大于所述非承压电解质。在其中传导似乎是一个相关的系统局限于分子更小的毛孔，而不是纳米尺寸是所述的LiI-P（EO.）n系聚合物电解质37。通过拉伸该系统也可以命令该聚合物的结构，以形成对准纤维状微相。在纵向的离子传导性引起的拉伸40倍的增长归因于LIQ阳离子的轻便交通工具，由氧配位溶剂化，创建B中的PEO链的螺旋结构排列的圆柱形通道内。这类分子尺度系统提供新的视野纳米以下并建议在生物膜孔隙通道传输的可能的协同关系20。传导局限于双电层，如图13也可以是细胞间相互作用的一个重要特征和生物细胞之间的通信。多注意了在蜂窝系统中反式膜分离过程，但也有明显的细胞外纳米途径，其中双层强度，因此定向传导可能是由细胞活性的FET般的方式来介导。相比之下水引起的泄漏电流的严重现实问题以及外部和内部的宏观绝缘子表面可以是振振有词追溯到一个微观或纳米确实一项涉及双电层在绝缘表面。这种规模的传导显然取决于表面拓扑结构，而且在界面和水的邻位的层存在的结构的疏水 - 亲水特性。有证据表明，水被命令在一充电表面形成一层约3分子厚，并与由表面电荷38完全不同于该散水的极性所决定的结构。离子传导沿着表面，尤其是如果涉及质子水分子之间的跳跃可能会预期到这样子的纳米有序敏感。6 作为转换器的界面也许对于纳米电介质的发展潜力最大的在于一个事实，即界面的机电换能器的开发。电场的界面不仅是上述的偏振和传导现象的驱动力，但也同时诱导机械应力场。一个纳米尺寸范围内的电气和机械领域的这种耦合是迄今为止很差赞赏，并因此开发不足。压电和相关现象已被发现的，当然，在各种单晶，多晶陶瓷，陶瓷 - 聚合物复合材料，许多有机聚合物，包括生物聚合物和液体系统，宏观系统的组件。可以显示这些系统的明显的宏观行为从相关联的纳米级界面的合作活动引起的。由电场E中的电介质中产生的机械力是由亥姆霍兹方程39给出其中第一项是由电荷在介质中产生的力，从均一性的介电常数和第三份F二是与电致伸缩应变相关联的身体力量。采用一个坐标系统，其中，电场矢量E是在X3的方向和只与该系统是均匀的，则X1 X3的一个函数，X2平面，则主要电诱导应力其中r为介电常数均匀的X1，X2，A3S2 R E3表达了增量，由于在电场方向的3倍和a1sa2s2 R E1S2 R E2 E3应变由于应变在X1，X2平面。A3的参数和A1是由电介质的结构和其中的变形将改变的polarisability的方式来确定电参数介电39,40,41。如可预期的，电致伸缩性质的分子很大影响结构；所有三个电参数A3，A2，A1的通过各向异性决定的，而A1和A2也由偶极子数密度的影响。值得注意的是，虽然T33是压力（如可能已被解除诱导从一个简单的麦克斯韦假设）T11和T22是牵引应力。为简单起见，在X1以下的均匀性，X2平面已经假定，但可能不总是有效的，尤其是对于一些聚合物系统。在均衡状态下的诱导应力会产生机械应变与主值。其中，Y是杨氏模量，为泊松比。使用等式（8）和（9）的应变变得其中q31和q33是电致伸缩系数。在该电场的方向的3倍的应变S33是一个收缩（应力为压），但S11和S22是牵引力并且将导致在X1 X2平面扩张介质的。的重要特征是，该应变是二次的电场强度E，因此将要强调的地方的字段是强。其结果是相之间AB界面，尤其是当由一个强大的定义偏振双层例如由德拜 - 休克尔方程3给出，自然是电致伸缩元件（图15）。他们也压电式。有趣的是注意到，虽然纳米，它们是非中心对称的系统中，基本的原则用于获得电致伸缩和压电性。如果双层极化增强，由A，B相之间施加一个额外的电势差说，与外地E从一个稳态值E0的数额变化E（图15），然后，从式（11）。在X3方向的应变变得-Q33（E0 +E）2。当EE0的额外的压力，是一个很好的近似。其中，d33是现在的压电系数。与 和 有相似系数，可以发现在x1和x2方向引起的额外压力。注意，该系数是成正比的稳定极化场E0和对AB界面的通过Q33和Q31系数的机械性能。在许多实际情况42改写方程（12）的形式，它是比较有用的其中k33为弹性模量，e33为压电系数。相关系数e31和e32可以类似得出。当薄膜被用作压电装置，它常常是有利地利用，因为更大的位移有关，在这种情况下，横向的系数D31或E31成为重要的侧向，而不是在膜中的正常位移42。平均压应变在正常，X3的方向中总结了一个 等效于德拜长度 距离的界面由场致是类似的表达方式可以得到用于诱导在x1和x2方向的应变，这些将导致扩展而不是压缩。此侧向或横向效应是在许多情况下非常显著。这意味着，一个领域，适用于垂直于界面总是趋于弱化其横向凝聚力。如果该字段是循环的效果是鼓励疲劳的界面结构和失败。这可能是在二氧化硅栅氧化层43和在其上的纳米尺度发展进一步限定的时间依赖性破裂的重要因素。效果可以通过考虑场对界面张力的影响，或者在液体的表面张力的情况下最容易理解的。在李普曼效果的形式，后者在电化学方面12有着悠久的历史。界面张力可以表示为如下形式44其中界面的边界内的压力被认为是正常的和切向分量pn和角张量。如果象经常是这种情况，界面包括一个充电双层然后将所得的场将有助于通过方程（8）给出的附加应力和（9）。假设该界面是均匀的平面为x1，x2方向，使T11= T22，情况则如图16和表面张力的场致贡献是应用方程（8）和（9）可以表示为对于液体它表示39，只能维持各向同性变形，a3为0，因此这是二次领域E和的李普曼电毛细管作用的基础上在一个界面。 涉及两个界面一个简单的例子是，一个非中心的对称单晶如石英，这是沿着一定的晶轴自然极化和可切开，露出极性面。当应用金属电极两个相对稳定的双层界面接触产生这成为NEM元素，并且是场致位移来源的石英装置45。石英装置的有效性显然是由只具有两个活性金属电极界面接触到它多么有限。压电和相关现象已经观察和利用然而在各种无机和有机的宏观的固体。这些措施包括多晶陶瓷像PbZrTi.O3PZT。象聚偏氟乙烯，陶瓷 - 聚合物复合材料和生物聚合物的有机结晶，无定形聚合物和最近的蜂窝聚合物。所有这些材料的特点是，它们将有许多纳米界面w46，各有机电活性的潜在的描述以上，虽然最初的接口可能是无序和错误活性定向。在解释活动然而传统的假设是，一的极性基团的排列和结构域形成高程度的关键因素。所谓的极化方法，其中所述材料，已知的极性构成分子，同时受到高温和高场已针对实现该端47，48。这已经盖过考虑同样重要的增强型单极传导是必然伴随的极化过程。高温和场不仅帮助对齐的极性基团，但也赋予增强的流动性和扩散性，以离子，电子和在某些情况下，孔具有类似的方向性。与此同时，他们放松了聚合物结构施加的立体构象限制(图19）。这种情况示于图17。极化前的材料可被表示为一组弱极性非对齐结构域的粒子A中的低导电性的矩阵B，并与相对较弱的双电层界面AB。极化过程中，A相域鼓励在该领域的方向与偏振成长。这个偏振将由电荷在B阶段（现在移动在较高的温度下，通过注入电荷在电极也许增大）而移动，以形成增强了很多双层特别是在结构域的极点被反击。电荷周围的界面AB如第5和图11所示的横向移动将加强这一点。现在，结果一组加强了双层界面，每一个适当导向，以强化别人纳米机电元件。必须强调，这是在这些界面中的最高场将存在并且将主要负责由方程8和9中给出的二次场依赖性张力从该电致伸缩和压电而得。两套电荷形成每个双电层的性质不同是很重要的双电荷层的稳定性。充电造成的粒子A的极点是束缚电荷和来自A的如第3节中描述的分子的电子轨道的集体极化。在B，双电层散射部分计数电荷，由单极子，正或负的离子状态，这是不能破坏的两极分化，但达到与它的整体稳定状态的交互。（回想DLVO条件，图7）。当字段被删除的双层很大程度上将予以保留，并在温度降低时，一个重要的要求是B的固有绝缘（电荷捕获）属性恢复正常温度。该段高于平均值EM在双层AB增强和降低在A相和B相。在最佳条件下，其中有大量的面向界面有被建立时，双电层可以支持极化电压的很大一部分。其中一些功能是带出了对陶瓷铅（ZrTi.O3）可以种植工作，无论是作为外延（单域）或polcrystalline（多域）在合适的基材2-3nm，电影和是一个重要的压电对于微传感器应用。只有电极界面的外延膜具有弱的响应，而该多晶薄膜具有许多更多个界面的要大得多，并以散装的PZT陶瓷相媲美。在许多情况下，现场根据域的取向可以通过拉伸前的极化大大提高。例如，在聚偏氟乙烯的情况下，一个三倍扩展是可能的48，这极大地对齐的聚合物链，并给出偏振的优选轴。它也当然会导致整个的双层可建立界面的等效对齐。 最近发现，在细胞形态几种聚合物电介质的发展非常显著的压电性能，当适当极化引起有关的效应的起源问题。由蒙塔纳50的文件应征询引用对象的简洁列表。这些材料包括聚合物的剥离片材如聚丙烯在层流形式与交错气体填充的微腔的高密度的。基本特征示于图18a中。的关键在于产生驻极体和压电性能是极材料下足够的电场，以导致在腔体放电。此沉积在表面电荷状态的相邻的聚合物层的相对的表面上，使极化反转后的状态，可以假定是由于在图18b。聚合物薄膜的表面充电的一般经验表明，电荷强烈被困。在极化放电强场与能量的光子也必须留下深刻印象的聚合物层，诱导极化和传导在其中。其结果只会是每个聚合物层整体变成一个微小的双层（图18C）或纳米级的双电层在各生产层的表面（图18D）。既会导致电和压电性能符合上面描述的机制。一个附加的功能可能提高效果是较大的伸长率在经由D31系数的层的X1，X2平面42将，因为在所述层（图18A），导致在X3的方向增强的机械位移锚点的。这些移动膜是重要的，这表明用人界面过程的新方法。7 展望一旦界面被认为是有吸引力的介质实体没有必要大量的设备潜力，虽然经常不幸，侵入，否则无可挑剔的品质电介质系统，其独特的品质可以得到承认和利用。他们是在纳米尺度，这一事实符合纳米技术的新风潮。如果他们的电化学特性，这还没有考虑这里，都加上自己的机电那些他们真正对接的电气，机械化学世界。到目前为止，有一个主要的和压倒例外，很少有关于他们在横向方向上的属性公开。唯一的例外，当然，是集成电路技术，其中，有一种很大的资源支出，已经利用硅的平面表面界面特性与相当大的成功。许多聚合材料表现出自然的平面层状有序等有机极性大分子可以在表面上自有序。许多有机材料的带隙大，电荷俘获国之内他们长寿命的存在开辟了多种interfacially控制内存的情况32基于局部空间电荷。在这些系统中横向有序平面电荷动作可能是比较浅显不过并允许平面内存传输。在前述又有了机会改头换面引用界面在生物领域。接口在其基础物理到那些在这里被认为是大致相同的复杂控制一个生命系统。无所不在的生物膜，其中间隔化和控制所有生命过程，是一个背到后端对双层。这是一个A相收缩子纳米尺寸与水的电解矩阵B介面。在横向平面然而，膜还具有非常特殊的地方生活调节孔的属性，它现在才被发现和了解20。一个突出的特点是，所述膜是柔性的，并保持其性质，即使当严重强调。它是一种柔软的界面。开发仿生界面与其中的一些横向51，尤其是横向性能的潜力是相当大的，将是一个及时应用电介质界面的概念。8 参考文献