含有奇数配位多面体的氮(氧)化物的合成、结构与电性质

来源 :桂林理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Michellesy
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随着信息技术的发展,信息的流通显得愈发重要,而信息流动的基础是以集成电路为核心的微电子技术实现的。这要求材料具有高体相介电常数,以实现电子元器件的微型化。目前,人们对介电材料的研究主要集中在氧化物方面,如BaTiO3和PbTiO3-陶瓷材料在其Curie温度附近介电常数可高达104-105;而氮(氧)化物材料由于稳定性差、制备困难导致人们对其在介电方面的研究较少,目前有关氮(氧)化物介电性能报道的也仅有SrTaO2N、BaTaO2N、CaSiN2和CaTiN2四种。CaTiN2在104-106 Hz频率下和80 K-450 K温度区内其介电常数为1300-2500,对此存在两种可能的机理:一个是CaTiN2可能是自发极化的铁电体;另一个是CaTiN2奇配位多面体的多面体在外加电场的作用下比偶配位的多面体更容易发生极化。为了更好的研究晶体结构中含有奇数配位多面体对其介电性能方面的影响,本论文选择含有五配位的多面体的Ba2-xPbxTiSi2O8与YBaCo2O5氧化物为研究对象以及ABN2的氮化物为研究对象。另外,本论文还对SrHfN2、EuTiN2、EuZrN2、CuTiN2、CuZrN2、MgTiN2、Ca1-xSrxTiN2、CaTi1-xZrxN2展开制备,以期望制备出含有奇数配位多面体的氮化物材料,研究其介电性质与奇数配位多面体之间的关系,为以后设计和合成新型的氮(氧)化物提供思路与方法。以下是主要研究结果:一、通过高温固相法合成并得到了SrTiN2、SrZrN2、SrHfN2的纯相,通过热重-差热分析确定了SrTiN2、SrHfN2中的含氮量分别为SrTiN1.93、SrHfN1.80,其含氮量与理论值基本一致。通过交流阻抗分析发现:SrTiN2的阻抗谱图是由晶粒响应与晶界响应构成的,晶界响应起主导作用。在105 Hz-106 Hz范围内,其介电常数为21-100为晶粒响应,在104 Hz时介电常数为70-1200,在103 Hz-102 Hz范围内介电常数为256-11563,为晶界响应。晶粒的导电率在10 K-290 K围内为5.81×10-72.03×10-5S/cm;晶界电率在10K-290 K温度范围内1.71×10-94.14×10-66 S/cm。其低介电常数表明奇数配位多面体TiN5不是CaTiN2高体相介电常数的直接原因。SrHfN2在104 Hz-106 Hz范围内,其介电常数为125-425,其介电常数主要源于晶粒的贡献。SrHfN2的导电率在10 K-290 K围内为1.14×10-56.69×10-55 S/cm。其高体相的介电常数表明,SrHfN2的介电常数不是来自于奇数数配位的多面体结构,而是来自于偶数配位的多面结构。二、对EuTiN2、EuZrN2、CuTiN2、CuZrN2、MgTiN2、Ca1-xSrxTiN2、CaTi1-xZrxN2体系新型氮化物展开探索,实验表明:CuTiN2、CuZrN2氮化物并不存在,原因是初始原料Cu3N在300 oC至450 o C时会分解为Cu单质与氮气,而Cu单质不能直接与TiN、ZrN发生反应;通过高温固相无法合成EuTiN2、EuZrN2材料,获得的可能是EuTiO2N与EuZrO2N;Mg3N2与TiN形成了Ti1-xMgxNδ固溶体;在常压下无法形成CaTi1-xZrxN2材料,原因是Zr4+的有效离子半径大于Ti4+的有效半径;对于在CaTiN2中A位掺杂Sr2+,得到正交和四方两种固溶体。三、通过对含有TiO5四方锥的Ba2TiSi2O8进行等价取代,在Ba2+位置引入Pb2+,尝试提高其电性能。研究结果表明:Ba2-xPbxTiSi2O8材料的固溶区为x=0-0.3,结构为四方晶系,空间群为P4bm,在固溶体中Pb是均匀分布的,并且随着Pb含量的增加,有效的降低了Ba2-xPbxTiSi2O8陶瓷的烧结致密温度。另外,该材料的介电性能是由晶粒响应引起的,与Ba2TiSi2O8陶瓷相比,其介电性常数也有原来的10左右提高到25左右,没有获得高体相介电常数。对含有CoO5四方锥的YBaCo2O5的介电性质的研究结果表明:在空气中96 K-295 K条件其介电常数大小在104 Hz-106 Hz频率范围内为200-1500,其电性质主要由晶界响应引起的。其高介电常数主要来自于晶界响应,不是体相性质与奇数配位多面体没有直接关系。
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