第一章 緒論
1.2 簡介介電材料
1.2 簡介介電材料(dielectrics)
介電材料是電的絕緣體，並在電場出現時易於極化。此種現象依據界電體電 容電荷儲存能力的增加，可以用介電常數來表示。介電質中的電子被原子核束縛 的很緊，加了電場之後，電子雖然也想逆著電場方向移動，但卻只能在自己所屬 的原子附近做小幅度位移。雖然運動幅度不大，但每顆原子因為正負電荷分離，
而形成許多「電偶極矩」(Dipole Moment)，我們稱這種現象為「介電質的極化」。
材料中極化源自原子或分子偶極於電場下取向而得之誘導;偶極的存在是當有一淨 的空間分離於正負電荷實體所成。
1.2.1 二氧化矽（SiO
2）SiO2晶體有多種晶型，基本結構單元是四面體，每個Si周圍結合4個O，Si在中 心，O在四個頂角；這樣的四面體又通過頂角的O相互連接，每個O為兩個四面體 所共有，即每個O與2個Si相結合。實際上，SiO2晶體是由Si和O按1：2的比例所組
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成的立體網狀結構的晶體，如圖1-1所示。因此，通常用SiO2來表示二氧化矽的組 成。SiO4四面體不僅存在於SiO2晶體中，而且存在於所有矽酸鹽礦石中。SiO2的網 狀結構決定了它具有優良的物理和化學性質，加上SiO2在自然界的廣泛存在，從古 到今都被人類廣泛地應用著。 二氧化矽與其它化合物在高溫下熔融，快速冷卻可 以製得玻璃。[11]
圖1-1 二氧化矽（SiO2）結構圖[11]
化學式 SiO2
分子量 60.1 g．mol-1
密度 2.2
熔點 1650（±75）℃
沸點 2230℃
溶解度 0.012 g/100ml
分子結構 四方晶系
能隙 9eV
表1-1 二氧化矽（SiO2）物理特性[11]
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1.2.2二氧化鈦（TiO
2）二氧化鈦（化學式：TiO₂），白色固體或粉末狀的兩性氧化物，分子量：79.87，
是一種白色無機顏料，具有無毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度，被認為 是目前世界上性能最好的一種白色顏料。鈦白的粘附力強，不易起化學變化，永 遠是雪白的。廣泛應用於塗料、塑料、造紙、印刷油墨、化纖、橡膠、化妝品等 工業。它的熔點很高，也被用來製造耐火玻璃，釉料，琺瑯、陶土、耐高溫的實 驗器皿等。二氧化鈦可由金紅石用酸分解提取，或由四氯化鈦分解得到。二氧化 鈦性質穩定，大量用作油漆中的白色顏料，它具有良好的遮蓋能力，和鉛白相似，
但不像鉛白會變黑；它又具有鋅白一樣的持久性。二氧化鈦還用作搪瓷的消光劑，
可以產生一種很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。
TiO2一般常用於塗漆，橡、塑膠中作為顏料，但在 1972 年後，TiO2在光能源 更新、儲藏、催化上則有另一番嶄新的面貌。TiO2有兩種主要晶型結構：銳鈦礦 (anatase)和金紅石(rutile) 如圖 1-2，這兩種晶體結構中，每一 Ti4+離子皆為六個形 成扭曲八面體的 O2-離子所包圍，rutile 的八面體稍微具有斜方(orthorhombic)變形，
而 anatase 的八面體變形較大，因此其對稱性比斜方低。以八面體為結構單元來觀 察，rutile 結構中，每一八面體接鄰了十個八面體，其中二個共用八面體的邊，八 個共用八面體頂點的氧原子，其具體連結的方式顯示於圖 1-3。Anatase 的結構中，
每一八面體接鄰了八個八面體，其中四個共用邊而另外四個則共用頂點，這些幾 何結構的差異致使這兩種晶型有不同的密度、電子結構和性質。[12-16]
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晶型 銳鈦礦 金紅石礦
結晶系 正方晶系 正方晶系
能隙（energy gap） 3.2eV 3.0eV
密度（g/cm3） 3.89 4.25
分子量（g/mol） 79.866 79.866
折射率（air） 2.55 2.7
對應 UV 光波長 385 410
熔點（℃） 高溫時轉相為 rutile 1855
比熱（KJ/℃kg） 0.7 0.7
Moh’s 硬度 5.5~6.0 6.0~7.0 表 1-2 銳鈦礦與金紅石礦物理性質比較表[16]
圖 1-2 二氧化鈦（TiO2）（a）銳鈦礦表面結構圖（b）金紅石礦表面結構圖[22]
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材料 介電常數（K） Eg(eV) Si to Ec(eV)
SiO2 3.9 8.9 3.2
Al2O3 9 8.7 2.3
Ta2O5 26 4.5 1~1.5
La2O3 30 4 2.3
TiO2 80 3.5 1.2
HfO2 25~40 5.7 1.5
ZrO2 25 7.8 1.4
HfSixOy 15~25 ~6 1.5
ZrSixOy 12~25 6.5 1.5
表 1-3 各種高介電薄膜物理特性之比較[16]
(a) (b)
圖 1-3 (a)銳鈦礦 (b)金紅石礦晶型構造和八面體的連結方式[21]