第二章 理論背景
2.1 介電質
物質擁有束縛電荷與自由電荷，傳導行為主要發生於內部具有自由電 荷的導體材料；若物質中的電荷受分子或原子的束縛，導致內部幾乎無自由 電荷存在時，就會產生極化，該物質若受到電場作用而產生電極化行為，此 物質則稱為介電質
12。
2.1.1 介電質極化及類型
介電質通常是指可被高度電極化的物質。在原子與分子層次中，極化性 可以用來衡量微觀的電極化性質，且經由理論計算出介電質之電極化率和 電容率，兩個巨觀的電極化性質。或直接測量出介電質的電極化率和電容率。
在真空平行板電容器的兩電極板間置入介電質，若在電極間外加電場，會引 起介電質表面感應電荷，而正、負極板附近的介質表面上分別感應出正電荷 與負電荷，此電荷稱為感應電荷（或稱為束縛電荷）；現象則稱為介電質之 極化。若置入了具高電容率的介電質，則平行板電容器的電容會大幅增加，
儲存於兩塊金屬平行板的正負電荷也會增加
13,14。
介電質為原子或離子所構成，而兩者均形成於帶正電的原子核和帶負 電的電子，介電質可區分為三類：極性、非極性和離子型之介電質。詳細之
敘述如下：在無外電場作用下之非極性介電質，其分子的正電荷和負電荷中 心相互疊合，則分子的電偶極矩為零，此分子稱為非極性分子；由此類分子 所組成的介電質即稱為非極性介電質。極性介電質則因在無外場作用下，分 子的正電荷和負電荷中心無相互疊合， 所以分子具電偶極矩特性，此分子 為極性分子，由此類分子所組成的電介質稱為極性電介質。離子型介電質均 與前兩類不同；離子型介電質由正、負離子所組成，此時存在於介電質中的 是離子，並無個別之分子
12。
介電質行為是由極化所引起，物質於不同頻率下會產生不同極化行為；
當外加交流電壓時，介電質內部電子、離子會隨外加電場在不同頻率下發生 相異之極化現象；介電質一般極化機制可分為四大類（如圖 2.1）。
分別為電子極化（electronic polarization）、原子或離子極化（atomic or ionic polarization）、取向極化（orientational polarization）、空間電荷極化
（space charge polarization）。說明依序如下
15,16：
(1) 電子極化（如圖 2.2）：鬆弛頻率變化在 1014–1016 Hz 時，無外電場狀 態下，電子雲與原子核會呈現穩定的分布；若外加電場，原子核附近的電子 雲受到電場作用，使電子雲與原子核產生相對位移，造成正負電荷分離，因 而產生極化。
(2) 離子極化（如圖 2.3）：鬆弛頻率變化在 1014−1016 Hz 時，無外電場的狀 態下，陽離子與負離子構成穩定的偶極子；若外加電場，離子偏離初始的穩
定位置，此時陽離子會順著電場偏移，而負離子會向逆電場方向偏移，因而 產生極化。
圖 2.1 不同頻率下所產生之極化示意圖（取自於參考文獻 [14]）。
圖 2.2 電子極化。
圖 2.3 離子極化。
(3) 取向極化（如圖 2.4）：鬆弛頻率變化在 103–108Hz 時，無外電場的狀 態下會存在永久偶極矩，若外加電場，驅使偶極矩轉向，而電偶極的方向會 隨著電場變化之方向，形成介電質的極化。
(4) 空間電荷極化（如圖 2.5）：鬆弛頻率變化在 10-3–102Hz 時，此極化為 介電質中之可移動電荷所造成的行為，這些空間電荷並非由外加電場所提 供，而是介電質材料所擁有。當材料中存在自由離子電荷時，這些可移動電 荷因環境條件會隨電場變化使其產生擴散能力而造成分布不均勻，形成偶 極矩。
圖 2.4 取向極化。
圖 2.5 空間電荷極化。
2.1.2 介電量測
本實驗使用介電頻譜術，研究摻入染料的向列型液晶在液晶盒中之離 子傳輸現象；將液晶盒視為電容器與液晶視為一介電質，即可將液晶盒等同 於電阻和電容器並聯等效電路，藉此探討離子存在對液晶之損耗。下列所使 用之分析方法主要專注在中低頻區段，利用介電量測法取得介電實部
'與介
電虛部 "數值，公式如下：
' j "
(2.1)其測量頻率範圍為 10-1–105 Hz，而在高頻區段對液晶之離子影響已無極化 現象，故不在此加以探討。