钛酸铜钙巨介电陶瓷材料的实验制备及钾、锆掺杂改性研究

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随着微电子技术的发展，低性能和大尺寸的电子器件越来越不能满足人们的需求。高性能化和微型化的器件应运而生，其中高介电材料已经受到广泛的关注。高介电材料在谐振器、电容器、滤波器、存储器等多个重要电子器件方面得到应用。近十多年来，巨介电材料钛酸铜钙(CaCu3Ti4O12，简称 CCTO)受到越来越广泛的关注，因为 CCTO不仅具有高的介电常数而且在很宽的频率范围内和温度范围内介电稳定性特别好，有望成为新一代高介电陶瓷材料，但是过高的介电损耗限制了其在实际中的应用，因此 CCTO的理论和实验研究工作仍需进行。而 CCTO的介电性质与晶粒、晶界等非本征因素密切相关，因此我们从掺杂改性及优化实验条件等方面入手，利用溶胶凝胶法制备纯 CCTO以及钾(K+)、锆(Zr4+)掺杂 CCTO陶瓷材料，并对其结构和介电性能及影响机制进行了研究。
　　首先，我们制备了纯 CCTO陶瓷样品，并研究了微观结构和介电性能。X射线衍射分析样品表明了无第二相生成。烧结温度大于1040oC时，CCTO的介电常数(ε')在频率小于400 kHz只有微小的变化。一些样品的介电损耗(tanδ)在很宽的频率范围内低于0.05。其中，1100oC下烧结16小时的样品在1 kHz下测的tanδ可低至0.028，同时ε'可达到1.82×104。
　　然后，我们又利用溶胶凝胶法制备了Zr4+取代CCTO的Ti4+位置的陶瓷材料(CaCu3Ti4-xZrxO12, x=0,0.05,0.1,0.2)，以期改变CCTO的微观结构，进而达到改善介电性质的目的。我们发现掺杂浓度为0.05的CCTZO样品(CaCu3Ti3.95Zr0.05O12)，其晶粒尺寸有所增加并且在室温和宽的频率内(20 Hz-400 kHz)介电常数也有较为显著的增大(ε'>2×104)。而且频率为200 kHz，温度变化在20oC-180oC范围之内，介电常数波动性小于±20％。同时，介电损耗(tanδ)在2 kHz-50 kHz范围内低于0.05。在测试频率为10 kHz时， CaCu3Ti3.95Zr0.05O12(1100oC烧结16小时)的介电损耗和介电常数分别约为0.026和2.35×104。实验结果表明 Zr4+掺杂可以改善CCTO的介电性能。
　　接着，我们又制备了K+取代CCTO的Ca2+位置的一系列陶瓷样品(Ca1-xKxCu3Ti4O12-δ），烧结温度范围为1040oC-1100oC。然后对Ca1-xKxCu3Ti4O12-δ的微观结构和介电性能进行了细致研究。X射线衍射分析的结果表明Ca1-xKxCu3Ti4O12-δ具有典型的立方结构，无第二相产生。扫描电镜测试发现晶粒尺寸和介电常数随着烧结温度的增加而明显增大。Ca0.99K0.01Cu3Ti4O12-δ(1060oC下烧结8小时)陶瓷样品在室温和1 kHz下测的介电损耗为0.039。而且在介电常数及损耗的温谱图中可以观察到介电弛豫。
　　综上所述，通过改善CCTO的制备方法、烧结条件及利用K+，Zr4+元素掺杂改性等方法，在一定程度上达到了改善CCTO的介电特性的目的。实验结果表明，CCTO体系的介电特性与其微观结构密切相关，因此，在以后的实验研究工作中，我们将继续对CCTO微观结构的影响机制进行细致研究，并将CCTO与铁氧体等磁性材料进行拟合，以期拓展CCTO的应用前景。

著录项

作者
王振铎;
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作者单位

太原理工大学;

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授予单位太原理工大学;
学科凝聚态物理
授予学位硕士
导师姓名孙礼;
年度 2017
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类基础理论;
关键词
CCTO陶瓷; 介电性质; 溶胶凝胶法; 钾掺杂; 锆掺杂; 改性机理;

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