2022-2023学年高二物理竞赛课件：晶格节点的强系离子

晶格节点的强系离子 2 晶格节点的强系离子 在离子键结合的电介质中，处在晶格结点上的正、负离子，能量最低，也最稳定，离子之间的相互作用力很强，离子被牢固地束缚在晶格结点上，称为强系离子。 在电场作用下，这些强系离子只发生电子位移和离子位移极化。 3 在这里只对下列两种典型的情形加以简单介绍： 热离子弛豫极化 thermal ion relaxation 空间电荷极化 space charge 4 弱系离子 但是当电介质中含有杂质或存在缺陷时，这些杂质离子或处在缺陷位置附近的离子相应的能量状态比较高，是不那么稳定的，容易被激活，这类离子被称为弱系离子。 如在无定形体玻璃电介质中，为了改善某些性能或工艺条件而加入的一价碱金属离子Na+、K+、Li+等，这些离子都是弛豫极化的来源。 5 弱系离子在晶体中被相当高的势垒限制住，它只能在缺陷区域附近振动。缺陷区域的势垒（即离子的激活能）远小于正常格点区的势垒， U>U，如图所示。 6 7 势垒的高度和位置取决于缺陷的性质和数量。在电场作用下，弱系离子的运动仍是有限的，与离子位移极化相比，运动的距离要大的多，已经超出了离子的距离，但是不能贯穿整个电介质，是一种极化，而且极化完成的时间在10-2 10-10秒之间。 8 现在假设弱系离子的势垒高度为U，平衡位置A和B之间的距离为，如图所示。当离子的热运动能量超过其激活能时，便能越过势垒高度的限制发生跃迁。 未加上电场时，离子在A、B两个位置的能量状态时相等的。假设离子在平衡位置的热振动频率为，根据波尔兹曼的能量分布律，在单位时间内，离子由A位置向B位置或从B位置向A位置跃迁的几率是相等的。 9 10 式中，AB为热离子从A位置到B位置的跃迁几率，kB为波尔兹曼（Boltzmann）常数，kB=1.3810-23J/k，T为绝对温度。 11 在没有外电场作用时，离子将在A、B位置之间来回跃迁。平均来说， A、B位置上的离子数目是相等的。若在单位体积中的弱系离子数为N，沿三维空间每一轴向运动的离子数为N/3，其中一半沿正向、一半沿负向运动。所以从A位置向B位置跃迁或从B位置向A位置跃迁的离子数为N/6。从宏观上来看，离子不存在定向跃迁，热离子的随机分布不会被破坏，宏观电矩为零。 12 现在，沿x方向加上电场，离子在电场中的势能曲线沿x轴正方向的变化如图所示。离子的势能曲线是原势能曲线与斜线之和。 离子由A位置跃迁到B位置的势垒高度为U-U，由B位置跃迁到A位置的势垒高度为U+U，其中U为加上电场以后，在距离/2上引起的势能变化。若离子的荷电量为q，则U=qE/2。 $$