电介质迷思(8): 无限风光在远山

    研究材料往往被戏称为“炒菜”，而材料学家们往往被戏称为“厨师”。陶瓷尤其如此，电介质陶瓷自不例外。言下之意，材料科学谈不上科学、充其量算是一门高级手艺或技艺；材料性能好坏很大程度上取决于我们这些厨师的技艺高低、“火候”掌握如何、“调料”加得是否合适；倘若材料性能不如预期，则马上想到的是调整“火候”、或添加“酱油”与“味精”。而面对如此戏言，我们这些以材料科学为生的人似乎很难反驳，于是乎，自己也不时以此自嘲。呜呼！

上述戏言，算是不满，算是无奈，也算是期待。材料学科的发展历史显然可以追溯到最原始的陶器制造，而后有了铜器、铁器的制造(这里有了早期的冶炼、铸造与塑性加工技术)，最后发展出了现代冶金技术(化学冶金、物理冶金、力学冶金即塑性加工)、精密陶瓷制造技术、单晶生长技术以及高分子生产技术。化学冶金与物理冶金有化学与物理化学为基础，还是称得上科学的。塑性加工虽被俗称为打铁，然其建立在塑性力学与位错理论基础上的金属变形理论、以及建立在物理化学与位错理论基础上的材料微结构与力学性能控制理论，谁又能说仅仅是厨艺呢？

对于功能材料而言，磁性材料与半导体似乎也不应该被戏称为炒菜。根据铁磁理论，磁性材料的磁导率等性能指标都能准确地计算出来。而能带理论很好地解决了半导体的导电机制问题，通过缺陷浓度及其分布的控制，可以有效地控制单晶硅的电导率。如此说来，最无可奈何地承受炒菜戏称的，似乎非电介质材料莫属。对此，我们这些以电介质为生的人，难道就真的认命了吗？我们是否可以拒绝“炒菜”的帽子？是否可以将电介质材料做成真正的科学、而非“厨艺”？或者退而求其次，能否做到即便是炒菜，也是炒西餐而非中餐？

依我浅见，在电介质材料研究中拒绝“炒菜”并非完全梦想。而欲将电介质材料做成真正的科学，必须做到如下两点：1)能够做到真正意义上的材料设计，并准确预测材料性能；2)能够在一定的理论指导下，根据一定指南，通过微结构调控，有目的地改善材料的介电、铁电或压电性能。而关于这两点，显然都是任重道远。首先，经典电介质理论中虽有克拉休斯-莫索蒂方程将材料之宏观介电性能与微观极化机制联系在一起，却很难依此进行介电常数之理论计算，而且该方程本身只适用于高对称性的体系。至于铁电与压电性能之理论计算，则更困难。其次，由于陶瓷材料本身的特点，其物理性能往往表现出显著的工艺与微结构敏感性。但问题也并非完全无解，其可能的途径可设想为：将电介质陶瓷的性能分解成本征与非本征两部分，先通过合适形式的理论计算预测出其本征介电性能及其结构依赖性，给出通过成分与晶体结构裁剪进行材料设计的依据；同时，通过介电性能理论值与实测之比较分析，把握通过微结构调控改善材料性能的可能性。最后，在实验研究揭示各性能指标随微结构变化规律的基础上，利用其微结构敏感性的差异，通过微结构优化实现介电性能的优化。关于介电性能的理论计算，可通过第一性原理或光谱分析实现。通过第一性原理，可以实现纯理论计算，无须借助实验。然其计算的是绝对零度下的结构与性能，难以计算结构与性能随温度的变化规律。同时，考虑到计算量庞大，复杂化合物的第一性原理计算很难。而若利用经典谐振子理论等对红外反射光谱或太拉赫兹反射光谱进行拟合分析，则可方便地计算出复杂体系的本征介电常数与介电损耗、以及各声子对介电响应的贡献。光谱分析方法的局限是，其介电性能特别是介电常数计算值之精度受光谱分析试样的表面状态影响较大。同时，拟合模型的选取也需要特别谨慎。然可以肯定的是，通过光谱分析给出的各声子对介电响应的相对贡献是可信的。因此，至少可以根据光谱分析的结果，找出对介电响应产生主要贡献的声子，进而为寻找新材料、以及通过结构裁剪实现介电性能调倥提供理论指南。换言之，也许路途遥远，然光明定在前头……

至此，此迷思系列介电材料部分也暂告一段落，聊以七绝一首为结。待产生新的灵感、再重启此迷思系列。

介电迷思

简约从来不简单，为伊思入水云寒。

凭栏望尽天涯路，无限风光在远山。

 

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