基于LabVIEW的介电自动化测试平台搭建及CaCu3Ti4O12介电性质研究

论文摘要

CaCu3Ti4O12因具有介电常数大,使用频率宽,温度稳定性好,并在常规条件下只需一步烧结即可合成等优点成为当前巨介电材料的研究热点。但由于界面问题的复杂性和研究手段的局限性,目前在CaCu3Ti4O12巨介电常数的起源上还存在争议。本文利用matlab对电介质常见等效电路进行了频谱及温谱仿真,加深了对电介质中各种物理过程的认识。利用阻抗温谱、介电温谱及“电容—电压法”等测量方法,以近期在CaCu3Ti4O12陶瓷中观察到的界面弛豫新现象和新效应为基础,基于仿真结果研究缺陷及深、浅能级陷阱对其介电性质的影响,区分电极接触界面和样品内部界面对CaCu3Ti4O12陶瓷介电常数的贡献,建立界面能带模型对CaCu3Ti4O12的介电特性做出理论解释。本文从缺陷、深能级陷阱等新角度初步对CaCu3Ti4O12的介电性质做出较为系统的研究,为CaCu3Ti4O12陶瓷巨介电常数的起源提供新的研究线索。论文的主要内容和结论包括：1、针对我们实验室实际情况,我们自行搭建了介电测试系统。该系统主要由WK-6500B阻抗分析仪、Lakeshore332温控仪和Janis封闭循环低温制冷器系统组成,并使用USB-488卡使阻抗分析仪、温控仪与计算机相连。基于LabVIEW,我们设计了软件对仪器进行程控,并进行数据的自动化采集及处理。该系统可以实现Z-T、Z-ωC-V、交流四线等曲线的数据自动采集和实时显示曲线图。通过软件处理,该系统排除了在频率较高时导线分布参数测量数据的影响,确保了数据的真实、可靠。2、等效电路是研究电介质的常用方法,本文总结了电介质中的基本等效电路及常用电路,并从频率、温度两个角度进行了系统的总结与深入的研究,为后面对CCTO的温谱特性分析奠定了基础。3、本文研究了不同气氛中制备的CaCu3Ti4O12陶瓷材料的温谱特性及电容-电压特性。研究认为,介电温谱中的三个平台分别来看成于晶粒、晶界及氧空位陷阱。晶粒的激活能与烧结气氛有较大关系,由于氧空位引起的电子的短程跳跃电导、极化子是晶粒电导、电容的主要起源。氧空位陷阱的激活能基本与烧结气氛无关,约为0.46eV。由于氧空位陷阱的存在,电容-电压关系出现异常,电容随电压的增大而变大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电介质及电介质极化
• 1.1.1 均匀极化—电子位移极化、离子弹性位移极化、偶极子转向极化
• 1.1.2 非均匀极化——热离子松弛极化、空间电荷极化
• 3Ti₄O₁₂介电材料特性及研究现状'>1.2 CaCu₃Ti₄O₁₂介电材料特性及研究现状
• 1.3 本文研究意义、目标及内容
• 第二章 基于LabVIEW的介电测试系统的搭建
• 2.1 引言
• 2.1.1 LabVIEW及其作用
• 2.1.2 GPIB及测试系统组成
• 2.1.3 SCPI命令
• 2.2 介电测试系统的设计目标
• 2.3 介电测试系统的设计方案
• 2.4 介电测试系统的软件设计
• 2.4.1 软件的设计思想
• 2.4.2 数据处理的理论依据
• 2.4.3 软件的用户接口
• 2.5 介电测试系统的性能分析
• 2.5.1 介电测试系统的控温性能分析
• 2.5.2 介电测试系统的软件系统性能分析
• 2.6 小结
• 第三章 电介质的等效电路及数据分析
• 3.1 电介质材料的等效电路
• 3.1.1 R-C并联电路
• 3.1.2 R-C串联电路
• 3.1.3 R-C并联电路单元串联组成的等效电路
• 3.1.4 R-C并联电路及R-C串联电路混联组成的电路
• 3.2 电介质材料的频谱特性
• 3.2.1 R-C并联电路
• 3.2.2 R-C串联电路
• 3.2.3 RC并联电路单元串联组成的电路
• 3.2.4 R-C并联电路及R-C串联电路混联组成的电路
• 3.3 电介质材料的温谱特性
• 3.3.1 R-C并联电路的阻抗温谱
• 3.3.2 R-C串联电路的阻抗温谱
• 3.3.3 多个R-C并联电路单元串联组成的电路的阻抗温谱
• 3.3.4 R-C并联电路、R-C串联电路混连组成的阻抗温谱
• 3.4 小结
• 3Ti₄O₁₂介电特性研究'>第四章 CaCu₃Ti₄O₁₂介电特性研究
• 4.1 前言
• 4.2 材料的制备及结构表征
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 不同气氛下烧结的样品的阻抗温谱及介电温谱
• 4.3.2 不同气氛下烧结的样品的电容-电压关系
• 4.3.3 CCTO的热刺激去极化电流
• 4.4 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 附录：攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢