介电功能材料是以电极化为基本电学特征的功能材料。所谓电极化就是指在电场（包括光频电场）作用下，正负电荷中心相对移动从而出现电矩的现象。电极化随材料的组分和结构、电场的频率和强度以及温度、压强等外界条件的改变而发生变化，所以介电功能材料表现出各种有实用意义的性质，成为电子和光电子技术中重要的材料。

介电功能材料按化学分类有无机材料、有机材料以及无机与有机的复合材料；按形态分类有三维（块体）材料、二维（薄膜）材料和一维（纤维）材料；按结晶状态有单晶、多晶和非晶材料。从实用的观点看，按物理效应分类是有效的，表9.2中列出了各类材料最主要的应用领域。

表9.2　介电功能材料按物理效应的分类及其主要应用

压电效应是指由应力引起极化或电场的变化，而且力学量与电学量之间呈线性关系。电致伸缩效应是指由电场引起应变，而且应变与电场的平方成正比。热释电（也称为热电）效应是温度改变导致电荷释放的现象，具有自发极化的材料都具有热释电效应。具有自发极化，而且自发极化可在电场作用下反转的材料称为铁电材料。电光效应和声光效应分别表示折射率依赖于偏置电场和弹性波的现象。折射率的变化与电场的一次方成正比时称为线性电光效应，与电场的平方成正比时称为二次电光效应。某些晶体在强激光照射下折射率（主要是非常光折射率）发生变化，从而使双折射率发生变化，这就是光折变效应。材料的极化与光频电场之间的非线性关系称为非线性光学效应。

在同一种材料中往往存在多种物理效应。以下将按照化学，形态和结晶状态的不同分别介绍块体材料（单晶和陶瓷）、薄膜和纤维。

1.无机单晶材料

在介电功能材料中，绝缘材料和电容材料以陶瓷为主，其它材料都至少有一部分是单晶。声光效应、电致伸缩效应和二次电光效应对晶体对称性没有要求。压电效应、线性电光效应和二阶非线性光学效应要求晶体无对称中心。光折变效应对晶体对称性的要求与线性电光效应的相同。铁电性和热释电性要求晶体具有唯一的极轴。由此可知，铁电和热释电材料可以具有上述全部效应，是典型的多功能材料。

高效率、高质量的光折变晶体主要有如下三类：①钛酸钡、铌酸钾、铌酸锶钡、铌酸锶钡钾钠、钽铌酸钾等铁电晶体；②锗酸铋、钛酸铋、硅酸铋等非铁电型电光晶体；③砷化镓、磷化铟、碲化镉等化合物半导体。其中铌酸钾、钛酸钡和铌酸锶钡钾钠属于较好的光折变晶体。光折变晶体主要用在全息存贮器、实时双曝光全息干涉量度计，集成光学器件、四波混频、相位共轭波的产生和相干图像的放大等方面。

从光电子学的角度来看，非线性光学晶体是无机介电功能晶体中最重要的一类晶体。非线性光学晶体在光电子技术中的应用主要有两方面：一是频率转换（如和频、差频、倍频、四波混频、光学参量振荡以及利用受激辐射新光源）；二是信号处理（如波前畸变补偿、光调制、光开关（图像放大、光计算、光记忆、光纤通信）。无机非线性光学晶体主要有如下五类：①磷酸盐和砷酸盐；②铌酸盐；③硼酸盐；④碘酸盐；⑤半导体类晶体。

2.陶瓷材料(www.daowen.com)

陶瓷在介电功能材料中有重要地位。主要的介电功能陶瓷有以下几类：

图9.1　多层陶瓷电容器的结构示意图

（1）高介电常量电容器陶瓷　陶瓷电容器品种多、用量大，对陶瓷的要求主要是介电常量大，介电损耗小，温度稳定性好。多层陶瓷电容器（MLC）或称独石电容器具有高比容、高可靠性、频率特性好等特点，是在相当长一段时间内将持续发展的一种量大面广、市场急需的电子元件。多层陶瓷电容器的结构如图9.1所示。目前使用的陶瓷材料基本上是以BaTiO3或Sr-TiO3为基的材料。以Pb（Mg1/3Nb2/3）O3和Pb（Zn1/3Nb2/3）O3等为代表的驰豫型铁电陶瓷的介电常量比BaTiO3或SrTiO3为基的高得多，烧成温度也可基本满足全银内电极的要求，很有可能成为下一代高比容MLC的主要村料。

（2）压电陶瓷和电致伸缩陶瓷　在超声换能器、水声换能器、电声换能器以及滤波器、延迟线等方面，大量使用压电陶瓷。目前主要的压电陶瓷是以Pb（Zr，Ti）O3（简称为PZT）为基的材料，通过改变Zr/Ti比、掺杂，取代以及形成三元系等办法，使这类陶瓷具有多样化的优良性能。此外，具有钨青铜结构的压电陶瓷（如铌酸铅钡钠）和含铋尼状结构压电陶瓷（如铌酸铅铋）也有较大的发展。电致伸缩陶瓷主要也用于机电转换，其灵敏度虽低于压电陶瓷的，但具有无滞后和重复性好的优点，在微位移计、步进电机、精密加工和自动控制等方面正发挥重要作用。目前主要的电致伸缩陶瓷材料是Pb（Mg13Nb2/3）O3-PbTiO3（简记为PWN-PT）和（Pb，La）（Zr，Ti）O3（简记为PLZT）。

（3）正电阻温度系数（PTCR）陶瓷　某些铁电陶瓷经适当掺杂后可实现半导体化，而且在相变温度附近，随着温度上升，其电阻率陡增3～7个数量计。这一正电阻温度系数（PTCR）特性使之在限流、恒温、自控等方面得到广泛应用。这类陶瓷以BaTiO3基为主，另外还有PbTiO3—TiO2以及KBO3。

（4）热释电陶瓷和电光陶瓷　热释电陶瓷主要有两类，一是以PbTiO3为基的陶瓷，另一类是以Pb（Zr，Ti）O3为基的陶瓷。透明铁电陶瓷PLZT制造的电控光阀已实用化，还可用于存贮，显示和空间光调制等方面。

3.无机薄膜和纤维

在光电子技术中，光电信息材料起核心作用，其实用化的主要形式是薄膜和纤维以及它们的集成。除金刚石薄膜外，无机介电功能薄膜有：Al2O3、Ta2O5、TiO2、ZrO2、CrO2和MgF2等光学薄膜，ZnO和AlN等压电薄膜，同时具有压电、热释电或电光性能的PbTiO3，Pb（Zr，Ti）O3，（Pb，La）TiO3，（Pb，La）（Zr，Ti）O3，BaTiO3，（Ba，Sr）TiO3，Ba（Ti，Sn）O3和KNbO3薄膜等。介电功能纤维包括石英光通信纤维，氟化物光通信纤维，LiNbO3，Nd：YAG，LiB3O3，α—Al2O3等功能晶体纤维。采用激光加热基座法（LHPG），以多晶或原料粉压棒作源棒，可以直接拉制功能单晶光纤。

铁电薄膜的应用倍受重视。应用方面有高比容电容器、非挥发性记忆器件、压电器件、热释电器件、场效应晶体管、光开关、光波导、二次谐波发生器等。此外，铁电薄膜可望在微型传感器、微型激励器和压电微型马达等方面获得应用。如果把铁电薄膜淀积在硅和砷化镓衬底上，还可实现介电功能薄膜与微电子电路的集成，以及外延铁电单晶薄膜或高度择优取向的铁电薄膜在光电子技术和集成光学中的应用。