论文部分内容阅读
为满足电子市场对陶瓷电容器小型化、集成化的应用需求,多层陶瓷电容器(简称MLCC)在保持原有储能能力的前提下,逐步向尺寸更小、可应用温度范围更宽的方向发展,这就要求应用于制作器件的介质材料拥有高介电常数、低介电损耗以及良好的温度稳定性。因此,具有优异介电性能的Ti02基巨介电材料近年来逐渐成为研究的热点。本文通过传统固相法首先以(Ag1/4Nb3/4)0.005Ti0.995O2(简称ANT00.005)陶瓷为例初步探索Ti02基陶瓷的制备工艺,并在此制备工艺的基础上,成功制备(Ag1/4Nb3/4)xTi1-xO2(简称 ANTO)、(Ag1/4Ta3/4)xTi1-xO2(简称 ATTO)、(Cu1/4Ta3/4)xTi1-xO2(简称CTTO)三种巨介电陶瓷材料,并对其相结构、显微结构、电学性能等进行表征分析,系统研究材料的介电性能与弛豫行为,分析Ti02基陶瓷的巨介电起源,主要结论如下:1.通过研究烧结温度、保温时间、烧结气氛及方法对ANT00.005陶瓷相结构、显微结构以及介电性能的影响,确定其最佳烧结条件:在空气密闭环境下,烧结温度为1330℃、保温时间为10小时。获得了具有纯金红石相结构、晶粒大小均匀、致密性高、介电性能优异(介电常数～9400、介电损耗～0.037,1 kHz)的ANT00.005陶瓷。研究发现烧结温度与保温时间的延长有利于陶瓷晶粒的增长,但过高烧结温度、过长保温时间会使陶瓷过烧,恶化材料介电性能。此外,氧空位浓度可能是影响Ti02基陶瓷介电性能的最直接因素。2.从离子半径、电子壳层、电负性三个方面考虑,分别设计Ag+、Ta5+、Cu+共掺杂Ti02陶瓷,并选取不同掺杂量,分别制备出具有纯金红石相,晶粒大小较均匀,晶界清晰,气孔较少,致密度较高的ANTO、ATTO、CTTO三种巨介电陶瓷。其中,在ANTO陶瓷体系中,ANT00.005与ANTO0.01陶瓷在保持巨大介电常数的基础上,1 kHz处的介电损耗分别为0.040、0.050,这说明引入电子钉扎的缺陷结构有利于获得低介电损耗。同时,材料也具有优异的温度稳定性,ANT00.005与ANTO0.01陶瓷分别满足X9R、X8R陶瓷电容器的应用要求。与ANTO陶瓷相比,Ta5+的掺入不仅有利于降低材料的介电损耗,在1 kHz下,ATTO0.01陶瓷的介电损耗为0.028,而且获得了与ANTO陶瓷可比拟的高温度稳定性。对比三种陶瓷的介电性能可以发现CTT00.005陶瓷表现出最优异的介电性能,同时具有超低的介电损耗(0.028,10kHz),优异的温度、偏压及时间稳定性,其温度稳定性满足X9E陶瓷电容器的应用要求。这说明与Ag+的电负性相近的Cu+,可能在烧结过程中被氧化成电负性更强的Cu2+,吸引束缚更多自由电子,优化材料介电性能。3.以ANT00.005陶瓷为例,通过分析其介电温谱、元素价态等,发现样品在测试温度范围内存在五种介电弛豫现象。分别为三种低温弛豫DR1(10 K～50K)、DR2(80 K～170 K)、DR3(180 K～270 K)以及两种高温弛豫 DR4(240℃～320℃)、DR5(380℃～600℃)。其中DR1介电弛豫与材料缺陷团簇内钉扎电子的冻结相关;DR2介电弛豫可能与载流子在晶格间的跳跃而导致的极化子极化相关;DR3介电弛豫可能与氧空位相关的点缺陷在高温下被激活聚集于界面处而产生的界面极化相关;而DR4、DR5介电弛豫的产生可能分别与氧空位的电离及运动相关。在排除材料电极效应的基础上,对三种陶瓷弛豫行为的研究可以表明本论文中所制备的TiO2基陶瓷的巨介电性来源于材料内部的电子钉扎的缺陷偶极子(EPDD)与内部阻挡层效应(IBLC)的协同作用。