Ho2O3掺杂钛酸锶钡(BST)基陶瓷的缺陷行为及介电性能研究

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作为电子产品重要组件的陶瓷电容器需要在更小尺寸上具备更优越、更稳定的性能。本文旨在获得具有高介电常数,低介电损耗以及低电容变化率的钛酸锶钡(BST)基陶瓷电容器材料。本实验采用固相反应法制备010wt%Ho2O3掺杂(Ba1-xSrx)Ti1±δO3±2δ(δ=00.030,x=0.050.25)陶瓷,系统地研究改性剂含量,主晶相组成以及烧结工艺对BST基陶瓷微观结构与宏观性能的影响。通过X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM)以及能谱仪(EDS)分析了BST基陶瓷的物相组成和表面微观形貌。结果表明,随着Ho2O3掺杂量增加,BST基陶瓷从钙钛矿型单相固溶体转变为多相多晶体;而不同δ值和Sr含量的BST基陶瓷均为钙钛矿型单相固溶体。此外,适量的Ho2O3可以细化BST基陶瓷的晶粒。通过介电性能测试系统获得BST基陶瓷的多频高低温介电性能,并将缺陷行为与室温介电性能变化规律相联系。结果发现,随着Ho2O3掺杂量的增加,Ho3+首先占据钙钛矿晶格A位,产生阳离子空位或电子,其中电子进一步为Ti4+弱束缚形成Ti3+使室温介电损耗增加;之后Ho3+开始占据钙钛矿晶格B位,产生氧空位使室温介电损耗降低。δ值可以控制BST基陶瓷的点缺陷类型及缺陷行为。在Ho2O3掺杂富钛型BST陶瓷中,随着δ值增大,A位离子空位和氧空位浓度增加,更多Ho3+填充A位离子空位,导致晶胞体积收缩,内应力增大,使得室温介电常数增加;在Ho2O3掺杂贫钛型BST陶瓷中,随着δ值增大,B位离子空位和氧空位浓度增加,更多Ho3+填充B位离子空位,导致晶胞体积膨胀,内应力减小,使得室温介电常数降低。提高烧结温度或延长保温时间使BST基陶瓷的室温介电常数增加,但不利于改善其温度稳定性。在适当的烧结工艺下,增加Ho2O3掺杂量、提高非化学计量水平以及减少Sr含量,有利于获得介电常数温度稳定性高的BST基陶瓷电容器材料。高浓度Ho2O3掺杂BST陶瓷同时具有弥散相变和频率色散的特点,因此随着Ho2O3掺杂量增加,陶瓷逐渐实现了从具有弥散相变的铁电体向弛豫铁电体的转变。δ值和Sr含量变化并不引起贫钛型BST陶瓷铁电体类型的转变,均为弛豫铁电体。5wt%Ho2O3掺杂(Ba0.95Sr0.05)Ti0.97O2.94陶瓷的室温介电常数较高(εr=3412)、介电损耗较低(tanδ=0.01066)且电容变化率较低(ΔC/C=-36.38+1.18%,-3085℃),有望作为环境友好的温度稳定型陶瓷材料应用于电容器行业。
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