新型巨介电常数电介质材料的设计与性能研究

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巨介电常数电介质材料(εr>103)是一种重要的功能材料,在高密度能量存储和微电子器件领域有着广阔的应用前景。基于铁电性、空间电荷极化和电荷密度波等机制的传统巨介电材料存在着温度稳定性差、损耗大等缺点。最新提出的钉扎电子-缺陷偶极子模型为巨介电常数材料的设计提供了新方向。通过施受主共掺杂,将电子束缚在掺杂形成的缺陷团簇当中,从而形成钉扎电子-缺陷偶极子,进而获得的巨介电材料具有良好的温度、频率稳定性和低介电损耗,成为目前研究的热点。基于钉扎电子-缺陷偶极子模型,本论文对BaTiO3、SrTiO3和ZnO基陶瓷的巨介电效应开展了研究。  1)利用施受主共掺杂和调节Ba/Ti比例,设计制备了BaTi1-x(Nb0.5M0.5)xO3(BTNM-x,M=Ga、Al,0<x<0.04)和Ba0.99Ti1-x(Nb0.5M0.5)xO3(BTNM099-x,M=Ga、Al,0<x<0.04)陶瓷。BTNM-x和BTNM099-x陶瓷在室温下都表现出巨介电性,但对比于BTNG-x陶瓷,BTNA-x和BTNM099-x陶瓷具有更高的介电常数,更好的温度稳定性,其中BTNG099-0.02陶瓷的巨介电性最优,在室温、1kHz下,εr~105、tanδ~0.07。介温、介频和阻抗分析表明BTNG-x陶瓷巨介电性主要来源于BaTiO3的铁电性,而BTNA-x和BTNM099-x陶瓷的巨介电效应是由三种不同的极化机制所贡献,分别为低频电极界面极化、中频内晶界层效应以及高频钉扎电子-缺陷偶极子极化。BTNM-x和BTNM099-x陶瓷的研究表明,钉扎电子-缺陷偶极子极化效应能够在BaTiO3基钙钛矿陶瓷中实现。  2)研究了施受主共掺SrTi1-x(Nb0.5M0.5)xO3(STNM-x,M=Al、Ga、In、Fe)陶瓷的介电性能。SrTi1-xNb0.5M0.5)xO3陶瓷(M=Ga、 In、Fe)随着掺杂浓度的提高介电常数逐渐减小,而SrTi1-x(Nb0.5Al0.5)xO3陶瓷在0.01<x<0.05范围内,介电常数在500-700波动,相比于纯SrTiO3陶瓷介电常数增加了一倍。冷等静压能够显著提高STNA-x陶瓷的介电常数,相比于单轴压STNA-0.01和STNA-0.03陶瓷,冷等静压STNA-0.01(IP)和STNA-0.03(IP)陶瓷的介电常数分别从640、690增加到了939和902,介电常数接近103。介温和介频分析表明在STNA-0.03(IP)陶瓷中存在两个弛豫峰,分别对应于氧空位的跳跃传导和氧空位在V(o)-AlTi缺陷团簇沿外场取向。  3)研究了Li、In共掺Zn1-x(Li0.5In0.5)xO(LIZ-x,0<x<0.03)陶瓷的介电性能。所有LIZ-x陶瓷在适当的条件下都表现出巨介电效应。1573 K下烧结的LIZ-0.005、LIZ-0.01和LIZ-0.02陶瓷在室温、1kHz下对应的介电常数分别为2190、4440和1800;对应的介电损耗分别为0.05、0.10、0.09。同时介温和介频谱显示,从室温到473K,LIZ-0.005陶瓷的介电常数变化大于2000@1 kHz;从20 Hz到106 Hz,LIZ-0.005陶瓷的介电常数并没有明显的介电台阶和介电弛豫峰,介电常数大于1300,损耗小于10%@298 K。
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