随着电子器件不断向小型化、集成化及高性能化的方向发展,开发具有高介电常数,低介电损耗,且具有良好频率和温度稳定性的高介电材料受到越来越多研究者的关注。最近研究发现,施主Nb元素和受主In元素共掺杂TiO₂陶瓷表现出良好的介电性能,该材料在宽频范围内介电常数维持在10⁴,介电损耗低至0.05,且在100-400K温度范围内,介电性能比较稳定。由于共掺杂TiO₂具有优异的性能,一经发现便成为巨介电材料领域研究的热点。对共掺杂TiO₂陶瓷的研究大多为三价受主元素和五价Nb元素,而对二价元素的研究比较少,且目前对于二价受主体系的巨介电机理、制备工艺及不同掺杂离子组合对介电性能的影响还不明确。因此系统地研究二价受主元素和五价元素共掺杂TiO₂的微观形貌、介电性能及机理具有重要的意义。本文利用传统固相法制备了第二主族元素（Ca,Sr,Ba）与Ta元素共掺杂TiO₂陶瓷,研究了各掺杂体系的微观形貌及介电性能,揭示了其巨介电机理。首先,通过传统固相法成功制备了（Ca,Ta）共掺杂TiO₂陶瓷。考察了掺杂量对其晶体结构、微观形貌及介电性能的影响。研究表明,在1400°C下经过4h退火烧结出致密的(Ca_1/3Ta_2/3)_xTi_1-xO₂陶瓷。所有掺杂量的(Ca_1/3Ta_2/3)_xTi_1-xO₂陶瓷都具有巨介电常数,随掺杂量的增加,介电常数先增加后减少,而介电损耗先较少后增加;当掺杂量x=3%时,(Ca_1/3Ta_2/3)_xTi_1-x-x O₂陶瓷获得相对较优的介电性能和压敏性能,1kHz下测得的介电常数高达2.1×10⁵,介电损耗低至0.15,同时非线性系数最高达到7.3,漏电流低至124μA,阀值电压3.02V/mm。通过XPS分析,发现Ta⁵⁺掺杂使得材料内部产生电子,Ca²⁺掺杂有助于空位的产生,生成的缺陷偶极子簇有助于介电性能的提高。随后,考虑到较大离子半径将可能产生较大的缺陷,进而可以改善介电性能。本实验尝试利用与Ca同一主族的Sr元素和Ta元素共掺杂TiO₂陶瓷。介电性能测试发现,相比于(Ca_1/3Ta_2/3)_xTi_1-xO₂陶瓷,(Sr_1/3Ta_2/3)_xTi_1-xO₂陶瓷的介电性能得到显著提高,介电常数随掺杂量的增加呈现先增加后缓慢减少,介电损耗先减少后逐渐增加。当x=3%时,介电性能最佳:1kHz下介电常数ε_r=3.2×10⁵,介电损耗tanδ=0.12,温度稳定性系数为-10.56%¹1.4%,整体稳定性好于(Ca_1/3Ta_2/3)_xTi_1-x-x O₂陶瓷,已满足电子器件的使用需求。通过XPS能谱分析发现,随着共掺杂量的增加,Ti³⁺的含量逐渐增加,而氧空位的含量逐渐减少,这主要是由于氧空位捕获电子而被局限在晶格中,使得材料内部存在缺陷复合体。最后,利用离子半径更大的Ba元素和Ta元素共掺杂TiO₂陶瓷,目的是通过产生更大的缺陷进而来改善介电性能。实验结果表明,(Ba_1/3Ta_2/3)_xTi_1-xO₂陶瓷的介电性能略差于(Ca_1/3Ta_2/3)_xTi_1-xO₂、(Sr_1/3Ta_2/3)_xTi_1-xO₂陶瓷。介电常数和介电损耗随掺杂量的增加呈现出和(Ca_1/3Ta_2/3)_xTi_1-xO₂、(Sr_1/3Ta_2/3)_xTi_1-xO₂陶瓷相同的趋势。当x=7%时,介电常数为ε_r=2.4×10⁵,介电损耗tanδ=0.2。通过XRD和SEM测试分析发现介电性能的下降可能与第二相含量有关。利用XPS进一步分析发现,与相同掺杂量的(Sr_1/3Ta_2/3)_x Ti_1-x-x O₂陶瓷相比,(Ba_1/3Ta_2/3)_xTi_1-xO₂陶瓷中的Ti³⁺与氧空位含量明显减少,这主要是由于Ba²⁺半径过大,导致大部分掺杂离子形成第二相聚集在晶界,而不是形成置换固溶体。实验证明缺陷的含量与离子半径并不成正比,适当离子半径可以使共掺杂TiO₂陶瓷同时具有高介电常数、低介电损耗。