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电容器作为集成电路上的重要元件,其尺寸的减小对于提高集成电路的集成度起着非常重要的作用。高介电常数材料可以使得电容器在减少尺度的同时仍然保持高的电容量,因此寻找新的具有高介电常数的电介质材料成为目前非常迫切的一项研究工作。近年来,CaCu3Ti4O12(CCTO)由于具有热稳定的高介电常数(～104)而得到了大家的广泛关注,然而关于其高介电常数的产生机理尚存争议,而且其较大的介电损耗(～0.1)也大大地限制了其实用化。本论文在已有的研究基础上,对CCTO巨介电响应机理进行了研究,并通过掺杂有效的减小了其介电损耗,此外,我们还发现了CCTO具有对湿度敏感的特性,并对其湿敏特性进行了表征。
首先,研究了电极接触效应和晶粒边界效应对CCTO介电性能的影响。分辨了电极接触响应和晶粒边界响应:电极接触电容随着外加直流偏压的增加先减小后增加,而晶粒边界电容随着外加直流偏压的增加逐渐减小。它们皆对CCTO的介电性能有一定贡献。研究了晶界电阻对CCTO的介电性能和电极接触效应的影响,研究发现晶界电阻越大,介电常数越小,电极接触效应越不明显。研究了电极类型对CCTO介电常数的影响,结果表明,电极的功函数越大,测得的介电常数越大。利用等效电路法对一些实验现象进行了解释。
其次,对CCTO体系进行了掺杂改性的研究。结果表明,Mg在Cu位上的掺杂可以有效的减小CCTO的介电损耗,同时还提高了其介电常数,因此Mg的掺杂有效的改善了CCTO的介电性能,其介电常数增加的因为可能与Mg2+的掺杂引起Cu3+的增加或氧空位的减少有关。Eu在Ca位上的掺杂以及Eu、Tb、Na在Ca位上的替代都有效的减小了CCTO的介电损耗,然而其介电常数也有不同幅度的下降,Ca位替代掺杂样品介电性能的变化与样品微结构的变化、电极接触响应的消失以及晶界电阻的增加等有一定的关系。
最后,我们在实验中发现了CCTO的介电性能对湿度敏感的特性,并对其湿敏性能进行表征。研究了掺杂对于CCTO湿敏特性的影响。结果表明Mg在Cu位的掺杂可以有效的提高样品的灵敏度,Ca位的掺杂替代可以改善样品对湿度响应的线性度。最后,为了改善样品的响应和恢复特性,我们分别通过溶胶.凝胶法和磁控溅射法做了CCTO薄膜,并对其湿敏特性进行了研究。结果表明,薄膜样品的响应和恢复特性与块状样品相比有较大的改善。此外我们还发现,Ag粒子可以有效的改善CCTO薄膜的湿敏特性。