SrTiO3材料的掺杂改性研究

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SrTiO3是一种典型的先兆性铁电体,由于其介电常数对直流偏场有很强的依赖性且介电损耗低,在可调谐电子器件应用方面,引起了广泛的关注,特别是几种微波器件的应用,例如过滤器、谐振器、相移器等等。然而,这种应用却受到了一定程度的限制,因为不论对于钛酸锶单晶还是薄膜,只有温度在80K以下的范围内,才具有可应用的可调谐性,且即使温度降低到绝对零度附近0.035K时也不能观测到顺电-铁电相变。很多前人的大量研究结果显示A位阳离子掺杂,可使SrTiO3具有高可调谐性的温度范围扩大,而B位掺杂能够改变其晶体结构,出现新的结构相。根据文献报道,A位Mn掺杂的Sr1-yMnyTiO3陶瓷的介电可调谐的温度范围可扩大到150K,不过,在温度为150K时,其可调谐性只有~10%,且需要施加较大的电压值,不利于实际的器件应用。薄膜与块体材料相比,制作电子器件时易微型化,只需要施加很低的偏电压就能实现可观的介电可调谐性。大量文献详细研究了B位Zr掺杂的锆钛酸锶固溶陶瓷的晶体结构随Zr掺杂量的变化,发现Zr的掺杂可使固溶陶瓷发生相变,而关于锆钛酸锶固溶陶瓷的介电性、热释电性等电学性能的变化却少有报道。  本论文主要工作是对SrTiO3材料分别进行了A位与B位掺杂改性研究。其一研究了A位Mn掺杂Sr1-xMnxTiO3系列薄膜的介电可调谐性和极化行为,其二对B位Zr掺杂SrTi1-yZryO3固溶陶瓷的介电性和热释电性进行了研究。具体结果如下:  (1)采用金属有机物分解法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了Sr1-xMnxTiO3(0<x≤0.03)多晶薄膜。首先为了得到高质量的薄膜,研究了不同退火气氛对薄膜的微结构和结构、介电性能和漏电流密度等的影响,实验结果表明,在氮气氛中退火,晶粒生长起伏度较小、更加均匀,结晶度较高,介电常数较高、低电场漏电流密度较小。系统地研究了不同Mn掺杂量的钛酸锶薄膜在不同频率下的变温介电可调谐行为和极化行为。实验结果表明,介电可调谐性对频率没有呈现依赖性;随着温度的降低和Mn含量的减少,介电可调谐性大大提高。在温度150 K下,可调谐性就可高达31%,可与铁电薄膜(如Sr1-1.5xBixTiO3)的相对可调谐性相媲美。同时,随着温度的降低和Mn掺杂量的减少,P-E回线的“S”型曲线变得更加明显,且剩余极化随电场的变化趋势与铁电体的剩余极化随电场变化趋势类似。分析认为,这种极化行为和可调谐行为变化规律的一致性,可能源于相同的机制,归因于Mn2+偏心替代A位的Sr2+形成的极化微区或极化偶极子。  (2)利用传统固相反应法制备了锆掺杂钛酸锶固溶陶瓷,且对陶瓷材料的晶体结构、微观结构、介电性能和热释电性能进行了系统研究。实验结果显示,随着Zr掺杂量的增加,锆钛酸锶陶瓷出现新的结构相—四方相;晶粒形貌发生明显的变化,晶粒尺寸变大;且锆含量为10%和50%的锆钛酸锶陶瓷的介电行为和热释电行为都有异常,进一步分析实验数据推断,异常的出现可能由于Zr4+的B位掺杂,Zr4+与Ti4+离子半径不同使得氧八面体畸变增大,诱导原来在低温下为顺电相的SrTiO3出现极化相或者铁电相。
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