二氧化鈦基高介電陶瓷的制備及物性研究.pdf

1、高介電材料是電容器、存儲(chǔ)器、諧振器、濾波器等重要電子器件向高性能化和尺寸微型化進(jìn)一步發(fā)展的重要基礎(chǔ)。由于器件小型化和高能量密度存儲(chǔ)的應(yīng)用需要，對(duì)高介電材料的探索是近年國(guó)內(nèi)外新材料研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。然而，在單一材料中同時(shí)實(shí)現(xiàn)高介電性、低損耗、工作頻帶寬、溫度穩(wěn)定和可耐強(qiáng)電場(chǎng)的優(yōu)異綜合介電性能仍然是一項(xiàng)極其具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在此背景下，本論文主要開(kāi)展了(In，Nb)摻雜TiO2高介電陶瓷材料的制備、物性及相關(guān)機(jī)理的研究。
　　TiO

2、2陶瓷作為研究最早的介電材料，具有較高的相對(duì)介電常數(shù)、低的介電損耗、低的電導(dǎo)率以及非常高的抗擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。因此，TiO2基陶瓷材料對(duì)于高儲(chǔ)能密度電容器的應(yīng)用是一類具有非常重要的研究?jī)r(jià)值和意義的介質(zhì)材料。近期，澳大利亞國(guó)立大學(xué)的研究組報(bào)道了(In，Nb)共摻雜TiO2等組分陶瓷具有良好的高介電性質(zhì)，該研究組在低于實(shí)驗(yàn)測(cè)量頻率1MHz的范圍內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了介電常數(shù)ε'＞104、介電損耗tanδ≤0.05的性能，并且在80K至450K很寬的溫度范

3、圍內(nèi)呈現(xiàn)出不怎么依存溫度和頻率的高介電常數(shù)和低的介電損耗。我們知道純TiO2的介電常數(shù)只有120左右，而進(jìn)行了(In，Nb)摻雜改性后介電常數(shù)提高到104，并且損耗保持在0.05以下，這極大的提高了TiO2的介電性能。雖然(In，Nb)摻雜后陶瓷呈現(xiàn)出如此高介電常數(shù)的物理機(jī)制尚存在一定爭(zhēng)議，但這一成果的發(fā)現(xiàn)對(duì)研究具有優(yōu)異介電性能的材料提供了一條新的途徑。本論文研究了利用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制備的(In，Nb)摻雜TiO2陶瓷樣品。
　　

4、考察了不同組分摻雜的陶瓷介電性質(zhì)以及燒結(jié)工藝、球磨時(shí)間對(duì)其介電性質(zhì)的影響，并初步探索了陶瓷的高介電性質(zhì)的物理機(jī)制。
　　一、利用固相反應(yīng)法制備了一系列不同燒結(jié)溫度條件的(In，Nb)摻雜TiO2陶瓷樣品，系統(tǒng)地考察了它們的晶體結(jié)構(gòu)、微觀組織結(jié)構(gòu)、介電頻譜和復(fù)阻抗頻譜的電學(xué)性質(zhì)及其隨測(cè)試溫度的變化。首先利用普通燒結(jié)制備的陶瓷樣品的介電常數(shù)隨摻雜組分、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間都有一定規(guī)律性的變化，并且都具有極高的介電常數(shù)。但這種方法制備的樣

5、品重復(fù)性較差，大部分陶瓷樣品的介電損耗低頻和高頻都在10％以上，只有中頻段損耗較低。為了能保證高介電常數(shù)的同時(shí)降低樣品的損耗，我們利用等靜壓成型燒結(jié)制各樣品，在通過(guò)熱處理后其介電性能得到了很大改善，尤其在800℃退火樣品的介電性能最好。其介電常數(shù)在10mHz～10 MHz都穩(wěn)定保持在104以上，并且介電損耗在很寬的頻率范圍內(nèi)都小于5％，另外隨測(cè)試溫度的變化其介電常數(shù)也基本不變，顯示了良好的溫度穩(wěn)定性。綜合來(lái)說(shuō)，通過(guò)等靜壓成型燒結(jié)后退火處

6、理的樣品各方面的介電性能都非常優(yōu)異。
　　二、研究了一些(In，Nb)摻雜TiO2陶瓷呈現(xiàn)高介電常數(shù)的影響因素，對(duì)其高介電性起源的物理機(jī)制進(jìn)行初步探究。通過(guò)不等比例摻雜實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)過(guò)量的In和Nb都會(huì)對(duì)陶瓷的介電性能產(chǎn)生影響，過(guò)量摻雜In會(huì)使陶瓷的介電常數(shù)和介電損耗降低，而過(guò)量的Nb會(huì)使陶瓷介電常數(shù)和損耗增大。作者推測(cè)只有In和Nb等比例摻雜才會(huì)出現(xiàn)高介電常數(shù)低損耗的陶瓷樣品。通過(guò)表面處理實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行表面處理后的樣品，介電常數(shù)急劇

7、增大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，再經(jīng)過(guò)退火后陶瓷的介電常數(shù)又恢復(fù)到較低的數(shù)值，可以推測(cè)陶瓷的介電常數(shù)與表面氧化層的氧化程度有關(guān)。
　　三、探討了不同球磨時(shí)間對(duì)陶瓷介電性能的影響。通過(guò)分析球磨前后粉料的SEM圖片看出球磨時(shí)間延長(zhǎng)粉料分散的更均勻，XRD圖譜也顯示沒(méi)有混入大量ZrO2雜質(zhì)。對(duì)于球磨30h的粉料，在不同燒結(jié)溫度樣品的介電頻譜測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其最佳燒結(jié)溫度為1400℃，另外測(cè)試了樣品變溫的介電頻譜和阻抗譜顯示了其介電性能在測(cè)試溫度范圍內(nèi)介電性