Ca基復合鈣鈦礦微波介質(zhì)陶瓷介電機理研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、微波介質(zhì)陶瓷作為一種新型信息功能陶瓷在微波通信領(lǐng)域有著廣泛的應用,經(jīng)過近70年的研究與發(fā)展,目前已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)功能陶瓷領(lǐng)域的研究熱點。B位復合鈣鈦礦型微波介質(zhì)陶瓷是各種微波介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料中最受矚目的體系,通過對其B位進行適當?shù)娜〈鷵诫s,可以對其性能進行調(diào)節(jié)從而獲得理想的微波介質(zhì)陶瓷。然而,同其它微波介質(zhì)陶瓷體系一樣,其介電機理的研究還很有限,結(jié)構(gòu)變化和元素取代對其性能的影響規(guī)律還只停留在實驗嘗試、經(jīng)驗總結(jié)的階段。

2、>   本文選擇Ca基復合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微波介質(zhì)陶瓷為對象,通過第一性原理計算,在鍵振動這一層次,對結(jié)構(gòu)畸變、元素取代、有序性以及缺陷四個方面對電子結(jié)構(gòu)的影響進行了研究,分析相應的電子結(jié)構(gòu)變化對介電性能的影響,并以實驗對計算結(jié)果及理論分析進行驗證分析,對鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微波介質(zhì)陶瓷結(jié)構(gòu)與介電性能之間的關(guān)系進行了初步探討。主要研究內(nèi)容如下:
   利用材料計算所具有的優(yōu)勢,建立了不同BO6八面體扭轉(zhuǎn)角度CaTiO3模型并進行計算,實現(xiàn)普通

3、實驗手段無法實現(xiàn)的八面體扭轉(zhuǎn)對CaTiO3介電性能研究。結(jié)果表明由于Jahn-Teller效應,扭轉(zhuǎn)導致能級分裂,從而產(chǎn)生了新鍵并增強共價性,有助于提高材料介電性能。
   以B位復合的Ca(Zn1/3Nb2/3)O3陶瓷為對象,分別建立了單純元素取代以及結(jié)構(gòu)有序Ca(Zn1/3Nb2/3)O3模型,對其進行計算模擬。計算結(jié)果表明,如Nb之類具有空價電層d軌道的元素,易與O之間形成高共價性的d-p鍵,其取代將改善材料介電性能,相

4、應的實驗結(jié)果也與該預測相吻合。而當B位復合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的B位離子以有序形式排列時,由于不同類型BO6八面體層的八面體尺寸差異,將產(chǎn)生新的共價鍵,從而提高了材料的介電性能。
   為研究不同B位離子的有序化能力,以B位1:l的Ca(Fe1/2Nb1/2)O3和Ca(Al1/2Nb1/2)O3復合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷為對象,分別建立了有序和無序結(jié)構(gòu)晶體模型,并進行了自由能及電子結(jié)構(gòu)計算。結(jié)果表明B'離子與Nb離子尺寸差異越大,且不具d軌道或

5、d軌道滿排的元素,越易于形成有序結(jié)構(gòu),實驗結(jié)果也驗證了這一點。這說明結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化和元素上的優(yōu)化難以同時實現(xiàn)。對Ca(Fe1/2Nb1/2)O3的研究表明,Ca-O高能級新鍵的形成增大了體系自由能,降低了穩(wěn)定性,這是具有d空軌B'元素不易有序化的原因,因此可以通過A位摻雜,來消除這種不利影響,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與元素的同時優(yōu)化。
   對兩種不同位置氧缺位的CaTiO2.875超晶胞缺陷模型以及同樣大小的理想CaTiO3超晶胞的計算比較研究

6、表明,氧空位破壞了八面體結(jié)構(gòu),使得Ti與O在導帶底形成了一個新的能級成鍵,這會增大體系的電導率,從而降低介電性能。但另一方面,O1類氧原子的缺位,會改善體系的有序性,在一定程度上對材料介電性能起到改善作用。計算和實驗結(jié)果都發(fā)現(xiàn),這些氧空位的本征缺陷作用在實際材料中的影響十分有限,實際中氧空位主要通過引入空間電荷這一非本征效應影響材料的性能。因此可以通過晶界摻雜改性的方式,消除其不利的非本征影響,保留其有利方面,實現(xiàn)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微波介質(zhì)材料

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