钛酸锶钡铁电可调微波介质材料的研究

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钛酸锶钡具有优良的压电性、铁电性、介电性、热释电性等性能。钛酸钡的居里温度较高,约为120℃。立方钛酸钡属于m3m点群。可用于热释电探测器、谐振器、存储器、滤波器、移相器等。钛酸锶的居里温度较低,室温时,钛酸锶晶体为立方相。通过改变Ba/Sr比例,可以调节钛酸锶钡(Ba1-xSrxTiO3,BST)的居里温度。此外,不同Ba/Sr比例还可影响晶格参数等因素。一般而言,随着Ba含量的增加,BST陶瓷的晶格常数逐渐增大。BST具有较高的介电常数,同时损耗也高。MgO具有较低的介电损耗。为了进一步提高材料的介电常数,并同时降低损耗,可在BST中掺杂具有低损耗的氧化物(如MgO、Al2O3等)。钛酸锶钡在室温条件下具有居里温度可调、漏电流小、非线性强等特点,因而得到广泛应用。本文研究了MgO掺杂量、不同工艺条件对BST微观结构、铁电性能、介电性能的影响。本文采用直接固相烧结法在Ba0.25Sr0.75TiO3(BST)中掺杂氧化镁(MgO),优化了制备BST陶瓷的工艺参数,研究了BST陶瓷的铁电、介电等性能。随着烧结温度从1250℃上升到1450℃,样品的颗粒逐渐增大。所有样品均具有四方钙钛矿结构,并出现了杂相。同时,随着烧结温度的增加,衍射峰的强度逐渐增强,表明烧结温度的升高促进了晶粒的生长。随着掺杂浓度的增大,衍射峰逐渐向高角度偏移,这表明Mg进入了晶格。由于Mg2+的半径小于Ba2+、Sr2+、Ti4+离子半径,因而引起晶胞参数变小,晶面间距变小。在室温100Hz条件下测得烧结温度为1350℃时掺杂5mol%MgO的BST陶瓷获得最大极化(Pmax)达到8.908μC·cm-2,Pmax与Pr的差值最大为6.767μC·cm-2。说明在1350℃温度下烧结获得的陶瓷样品有着良好的铁电性。利用射频磁控溅射法和快速热退火处理,在高电阻Si基片上制备了MgO掺杂量分别为0%、5%、10%、15%(摩尔比)的Ba0.25Sr0.75TiO3(BST)铁电薄膜。研究了不同掺杂比例和不同退火温度对BST薄膜的微观结构、形貌表征、介电性与铁电性等性能的影响。MgO掺杂的BST薄膜的介电损耗要低于纯的BST薄膜,并且在掺杂浓度为5 mol%时,获得最佳的实验结果。在室温和250 Hz的条件下,测得铁电薄膜样品的矫顽电场强度(Ec)和剩余极化强度(Pr)分别为1.15V/cm和4.06μC/cm2,其介电常数和介电损耗因子分别为370和0.005。
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