还原气氛烧结钛酸钡基介质材料的研究

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多层陶瓷电容器(MLCC)作为电子产业的基石,广泛应用于汽车电子、智能手机等终端设备中。近年来,5G技术普及使终端设备的功能大幅度提升,进而对MLCC的介电性能、可靠性及成本等提出了更高要求,以满足终端设备对其低成本及高性能化的应用需求。目前,采用贱金属(镍)取代传统贵金属(钯-银合金)作为MLCC的内电极可以降低制备成本并提升电容器性能。而采用镍电极的MLCC制备过程需在还原气氛下完成,由此必须使介质层满足抗还原特性并保持较高介电性能。因此,基于还原气氛烧结的介质材料研究成为当下热点,在高性能MLCC的研发方面具有较高的理论和应用价值。钛酸钡(BaTiO3)因较高的介电常数和较低的损耗被广泛应用于MLCC介质材料中,而纯相BaTiO3由于还原气氛的影响,内部Ti4+离子易变价发生N型半导化,丧失绝缘性。为此本文将从离子掺杂改性机理出发,解决还原气氛下BaTiO3丧失绝缘特性问题,进一步添加施主掺杂剂及展宽剂提升综合介电性能。在此基础上,引入助烧剂对体系烧结温度进行调控,并探究其“芯-壳”结构作用机理。本文的主要工作内容如下:(1)还原气氛下绝缘特性改善机理研究:以不同半径稀土离子(La3+、Ho3+、Y3+、Yb3+)与Mn2+离子共掺体系为研究对象,通过晶体场结构模型及容差因子计算结果,确定阳离子占位机制,判断缺陷结构,并提出缺陷偶极子对载流子分布的影响机制,分析得到其与介电性能间的内在关联。在此基础上,研究预合成工艺、不同烧结气氛对氧空位分布及内部缺陷结构的作用机理,为解决BaTiO3在还原气氛下烧结的半导化问题提供理论指导。(2)高介、低损耗、温度稳定性综合调控机理研究:基于上述体系,采用Nb2O5和CaZrO3共掺进一步调控其综合介电性能。分析不同含量Nb2O5引起的载流子分布变化,建立体系内部极化机制与介电性能之间的关系;探究不同含量CaZrO3引起的介电性能变化,建立晶体结构对缺陷结构、缺陷结构对极化机制的作用关系模型,实现综合介电性能的提升,满足X7R型介质材料应用要求。(3)助烧剂掺杂降温烧结体系机理研究:以CaSi O3助烧剂掺杂体系为研究对象,分析不同烧结温度下介电性能的变化,建立载流子分布状态同“芯-壳”结构之间的关联机制,进而通过调控“芯-壳”结构改变界面极化强度,实现降低烧结温度的同时保持良好的综合介电性能,满足工艺制备过程中节约能源的需求。
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