CaCu3Ti4O12型晶体结构氧化物陶瓷材料的高介电物性研究

论文摘要

介电材料是一类利用材料的介电性质来制造电子器件的电子材料,被广泛应用在电容器、谐振器、滤波器、存储器等重要电子器件方面。随着电子器件向高性能化和尺寸微型化方向的发展,高介电材料受到越来越多的关注。在前述背景下,本论文主要展开了钛酸铜钙（CaCu3Ti4O12,简称CCTO）类型高介电陶瓷材料的制备、物性及相关机理的研究。CCTO是一种具有钙钛矿型衍生结构的氧化物,该氧化物不论在单晶还是多晶状态下都呈现异常高的介电常数。这类材料在低频范围（40 Hz～1 MHz）内的室温介电常数可以达到104量级且几乎保持不变,而且在较宽的温度区域（100 K～380 K）内几乎不随温度的变化而改变。关于CCTO的巨介电现象的起源,有人认为来源于样品内部的晶格结构,也有人认为起因于内部阻挡层电容效应,还有人归结为与样品电极有关的电极效应,因此在机制解释方面存在着很大的争议。通常制备的CCTO陶瓷的介电损耗很大,在实际应用中会导致信号衰减、器件或电路的发热而工作不稳定,不利于作为电子材料的应用。因此,探寻一种可以同时提高CCTO介电常数并降低其损耗的有效途径,对进一步提升CCTO的应用价值是很有帮助的。另一方面,目前已知的晶体结构及化学组分和CCTO很类似的氧化物多达20种以上,它们可以用化学组分式ACu3Ti4O12进行描述,这里A对应Sr、Cd、Bi2／3、Na0.5Bi0.5或其他稀土元素。进一步开展对此类陶瓷材料的研究在学术方面有助于人们对CCTO和其类氧化物之间的通性以及高介电性机理的深入认识和理解。最后,由于某些客观原因,我们发现在其它原料不变的情况下,利用不同TiO2原料制备出的CCTO陶瓷的电学性能有着较为明显的差别。因此,系统研究不同TiO2原料对CCTO陶瓷样品的电学性能的影响,不仅有助于选择合适的材料制备出性能良好的样品,也可以加深我们对CCTO巨介电性内在机制的理本论文以传统固相反应法制备的CCTO类型高介电陶瓷为研究对象。考察了不同TiO2原料和掺杂改性对CCTO基陶瓷介电性能的影响以及NBCTO陶瓷的晶体结构、微观组织结构以及不同温度下的介电和复阻抗谱电学性质。一、制备了xCaSiO3-CaCu3Ti4O12组分的陶瓷样品,系统地研究了CaSiO3掺杂CCTO陶瓷的介电和复阻抗频谱电学性质、电热输运性质以及晶体结构和微观组织结构,并与未掺杂的CaCu3Ti4O12陶瓷的相应物性进行了比较。结果表明,CaSiO3掺杂有助于抑制低频率段介电常数随频率的变化和起到降低介电损耗以及增大晶粒和晶界电阻的作用,而且使得CCTO陶瓷样品晶粒尺寸的分布变的更加均一。其中晶界电阻的增大归因于附着在晶界上的SiO2超高的电阻率。我们在同种烧结温度下增加保温时间制备样品并进行测量后发现,该方法有助于进一步改善降低样品的损耗。掺入CaSiO3后,在整个测试温度范围内,样品中低频范围内的弛豫特征频率有所降低,弛豫强度明显变小。并且样品的Seebeck系数略有降低,导电类型为n型。二、制备了一系列不同烧结温度条件的NBCTO陶瓷样品,系统地考察了它们的晶体结构、微观组织结构、介电频谱和复阻抗频谱的电学性质及其随测试温度的变化。实验发现,与CCTO陶瓷相比,NBCTO陶瓷的烧结温度低。NBCTO陶瓷的微观组织结构随烧结温度的改变会发生一定的变化,但不如CCTO陶瓷的微观组织结构随烧结温度改变所发生的变化显著。低烧结温度的NBCTO陶瓷样品的微观组织结构中存在着两种粒径尺寸大小不同的晶粒,随着烧结温度的上升晶粒大小分布逐渐变为均一。NBCTO陶瓷的介电和复阻抗电学性质与CCTO陶瓷的相应性质非常类似。烧结温度为990℃至1060℃范围的NBCTO陶瓷样品的室温低频介电常数ε′均大于10000,其中烧结温度为1030℃的样品ε′高达33000。室温和低温下的介电频谱只呈现一个介电弛豫,在较高测试温度条件下低频率段内会出现另一个介电弛豫,根据我们所做的实验结果及相关文献报道来看,此介电弛豫的大小与电极效应有关。两个介电弛豫的特征频率均随测试温度的升高而向高频端移动。NBCTO陶瓷样品的复阻抗谱呈现两个或者三个半圆弧。利用由三组RC相串联而构成的电学等效电路模型可以解释实验上观测到的NBCTO陶瓷的介电和复阻抗电学性质。三、使用不同的TiO2原料制备了CaCu3Ti4O12陶瓷样品,系统地研究了该原料对CCTO陶瓷的电学性能的影响。实验结果表明,所有结构的TiO2在经过1100℃的热处理后,都转化成金红石结晶结构。由此我们推测,锐钛型的TiO2具有比金红石型的TiO2更高的活性。单一型TiO2制备的CCTO预烧粉具有比混合型制备的预烧粉更大的晶粒和更高的致密度,我们推测,这是导致单一型TiO2制备的CCTO陶瓷样品具有更高介电常数性质的原因。综合对比所有样品的介电常数和介电损耗可以得知,纯度为99.8%的金红石型TiO2原料有助于保证样品的高介电性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 电介质和电介质极化
• 3Ti₄O₁₂)类型高介电材料'>1.2 钛酸铜钙(CaCu₃Ti₄O₁₂)类型高介电材料
• 1.2.1 高介电材料
• 3Ti₄O₁₂高介电材料的研究现状'>1.2.2 CaCu₃Ti₄O₁₂高介电材料的研究现状
• 1.3 电子陶瓷材料的制备工艺
• 1.4 介电陶瓷材料有关的主要性能参数
• 1.5 论文概要
• 参考文献
• 3掺杂对CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷的物性影响'>第二章 CaSiO₃掺杂对CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷的物性影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.3 实验结果和讨论
• 2.4 结论
• 参考文献
• 1/2Bi_1/2)Cu₃Ti₄O₁₂陶瓷的微观结构和电学性质'>第三章 (Na_1/2Bi_1/2)Cu₃Ti₄O₁₂陶瓷的微观结构和电学性质
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.4 结论
• 参考文献
• 2原料对CCTO陶瓷材料的电学性能的影响'>第四章 不同TiO₂原料对CCTO陶瓷材料的电学性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.3 实验结果和讨论
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表