铋基焦绿石介质材料的制备与改性研究

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电子元器件向着小型化、高集成化、高品质化方向不断发展,促使介质材料不断优化设计,对材料介电常数(εr)、介电损耗(tanδ)和介电常数温度系数(τε)的改善和创新成为目前主要解决方式。本论文通过对铋基焦绿石Bi2O3-ZnO-Nb2O5系介质材料进行离子掺杂改性,深入研究了不同离子掺杂材料的烧结特性、相组成、微观结构、化学键性质和介电性能的影响。制备出多种新型温度稳定性铋基焦绿石电介质材料,其介电常数温度系数近零,能够满足工程化应用。主要研究结果如下:首先,采用传统固相烧结法,对立方相结构Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7系铋基焦绿石介质材料A位Zn2+(0.90?,CN=8)离子取代,采用大极化率且半径相似Mn2+(0.96?,CN=8)进行掺杂改性。探究掺杂引起的微观化学键、晶体结构变化规律,以及对宏观电介质材料介电性能的影响。950°C下烧结,(Bi1.5Mn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7介质材料的?r=135.46,tanδ=2.4?10-3,??=-16 ppm/°C,符合美国EIA标准的NP0温度特性要求。其次,对立方相结构Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7系介质材料选取0.1mol比例的不同半径二价离子(Sr2+、Ca2+、Mn2+)进行掺杂改性研究,制备(Bi1.5Zn0..4M0.1)(Zn0.5Nb1.5)O7(M=Sr、Ca、Mn、Zn)介质陶瓷材料,探究不同半径二价离子掺杂对键长、微观结构以及物相含量的影响。通过对晶体结构精修,计算出体系晶格参数、键能等微观参数,探讨与材料宏观介电性能之间的关系,深入分析影响该介质材料介电性能的主要因素。再次,采用二价离子对单斜结构Bi2Zn2/3Nb4/3O7系介质材料进行掺杂改性,通过Ni2+离子掺杂,制备了Bi2(Zn1-xNix)2/3Nb4/3O7(0.0≤x≤0.5)介质材料,深入分析引入Ni2+离子,形成固溶体,对体系组分、晶体结构、相含量、介电性能的影响。随着Ni2+离子掺杂比例的增大,单斜相焦绿石结构发生变化,逐渐由单斜相结构向立方相结构过渡。950°C下烧结,Bi2(Zn0.65Ni0.35)2/3Nb4/3O7介质材料的?r=98.46,tanδ=7.6?10-4,??=-0.96 ppm/°C,能够满足工程化应用。最后,将具有相反温度系数的立方相Bi1.5ZnNb1.5O7(α-BZN)与单斜相Bi2Zn2/3Nb4/3O7(β-BZN)在一定比例下混合,制备(Bi1.8Zn0.2)(Zn0.6Nb1.4)O7介质材料。在此基础上,采用Sn4+与W6+离子联合取代B位上的Nb5+离子,随着掺杂量的增加,体系中立方相含量逐渐减少,但其介电性能得到优化。其中,当x=0.05时,得到?r=110,tanδ=5.4?10-4,??=-21ppm/°C。
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