金属氧化物协同掺杂对钛酸钡陶瓷铁电性能的影响

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随着科技快速发展,各种电子器件的微型化、集成化和智能化成为人们关注和研究的热点以及难点。对于广泛应用于多层陶瓷电容器的钛酸钡陶瓷,可通过减小极板间距和增大介电常数提高电容量。目前,器件厚度的降低达到了一定的瓶颈,所以制备高介电性能材料势在必行。掺杂作为常用的有效改性方法一直广受人们关注,尤其是不等价协同掺杂不仅能产生电价补偿而且可以提高掺杂物的固溶度。本文采用传统固相法制备了不同金属氧化物掺杂的BaTiO3陶瓷。通过X射线衍射仪(XRD)、电子扫描显微镜(SEM)、介电测试仪和铁电测试仪测试手段表征了陶瓷样品的相组成、微观形貌、介电性能和铁电性能。研究了不同掺杂物、掺杂比例和掺杂浓度对BaTiO3陶瓷性能的影响。旨在制备出高介电常数、低损耗的BaTiO3基陶瓷,探讨掺杂改性机理和理论模型建立。(1) Cr2Ti3O9单掺的BaTiO3陶瓷出现了类似于束腰四方相铁电体电滞回线的双电滞回线。这是由于Cr2Ti3O9掺杂使BaTiO3出现相变和晶胞收缩,导致晶胞中氧八面体位移引起局部随机应变阻碍了BaTiO3的长程-有序极化。随着测试温度升高,晶胞中长程-有序极化在热激活能作用下逐渐明显,这种双电滞回线也逐渐消失。(2) Cr2Ti3O9和Bi2O3协同掺杂BaTiO3陶瓷时,随着掺杂比例Bi/Cr值增大介电常数先增大后减小。当两者掺杂浓度均为1.0mol%时,由于不等价掺杂的电价补偿作用,制得介电常数为7311,介电损耗为0.02的高介电性能陶瓷样品。(3) Cr2Ti3O9和Bi2O3等比例协同掺杂时,掺杂浓度低于1.0mol%的样品均为纯相钙钛矿结构,继续增大则出现第二相BaCrO3。同时,介电常数相变峰出现展宽现象。非铁电性BaCrO3的隔离和缓冲作用以及Cr离子变价引起的多余带电缺陷是样品出现相变扩散的原因。(4) Cr2O3和Bi2O3等比例协同掺杂BaTiO3陶瓷时,随着掺杂浓度增大居里温度向低温方向移动。但是,介电常数存在铁电-顺电相变扩散,电滞回线中剩余极化强度也由于介电常数随温度变化曲线宽化而增大。(5)(Ba0.94Bi0.06)(Ti0.94Cr0.06)O3陶瓷样品存在相变扩散和频率色散现象。通过计算表征相变扩散和频率色散的参数(△Tm, γ,△Trelax和△Tdif)以及测得高于Tm电滞回线都证明了样品具有典型的铁电弛豫行为。相变随频率变化不符合Vogel-Fulcher方程而符合Arrhenius方程,拟合得到相变激活能为0.0155eV。引起该铁电弛豫行为的原因是Bi离子取代Ba位和Cr离子取代Ti位引起的极化微区变化。该陶瓷样品的弛豫行为不符合玻璃态模型,而符合超顺电态理论模型。
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