ABO3陶瓷缺陷复合体构筑与介电性能

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ABO3钙钛矿结构陶瓷是一类良好的介电材料广泛应用于微电子器件领域,随着电子器件微型化的需求,ABO3结构陶瓷需要在不增加介电损耗的前提下,进一步提高介电常数。构筑复合体结构,使空间电荷在一定范围内可动,同时限域在复合体的陷阱中是实现增加介电常数、抑制介电损耗的有效方法。本文以ABO3铁电陶瓷钛酸铋钠(NBT)和顺电陶瓷钛酸锶(ST)为研究基体,分别研究复合体结构在两种陶瓷体系中的存在形式与形成条件,及其对陶瓷介电性能的作用和影响机制。利用X射线衍射、第一性原理模拟和介电性能测量揭示了掺杂对ABO3陶瓷复合体结构与介电性能的影响规律与机制。研究发现Ba掺杂NBT陶瓷使NBT低频介温峰后又出现一个介电异常峰,当Ba施主掺杂取代NBT中的Na时异常峰最明显。这种介电异常峰在高频下消失,展现了典型的偶极矩特征,表明Ba施主掺杂诱导NBT的A位发生Bi和Na的局域有序占位,形成偶极子型复合体结构。这种复合体结构对介电常数影响不大,却显著抑制了陶瓷的高温介电损耗,在(BaxBi0.5Na0.5-x)Ti0.9Mg0.1O3陶瓷中,随着Ba含量增大,介电损耗逐渐降低。当x=0.2时陶瓷介电温度稳定性最优,在200-400 oC范围内介电常数维持在2500~3500之间,介电损耗只有不到0.023,且介电损耗急剧增大超过0.1的温度被推迟到了460 oC。利用第一性原理方法计算不同A位局域有序结构的纯NBT和Ba掺杂NBT超晶胞模型总能量,发现A位有序结构模型中“001”有序结构模型能量最低最稳定。计算Ba掺杂NBT模型中氧空位的形成能与氧离子的迁移势垒能,结果表明Ba掺杂抑制了氧空位的形成,使氧离子迁移势垒能增大,导致高温氧离子导电被抑制,最终降低了高温介电损耗。在预置Sr空位Sr1-1.5xBixTiO3陶瓷中,成功构筑“限域空穴型”缺陷复合体获得室温巨介电铋掺杂钛酸锶陶瓷。介电测试结果表明在烧结温度为1500 oC掺杂浓度为x=0.05和老化处理后获得的样品介电性能最为优异。全测试频率范围内x=5%样品介电常数可达15000,而介电损耗在102-105 Hz范围内维持在0.05以下。XRD精扫结果表明随着掺杂浓度增大衍射峰向低角偏移,(200)、(111)和(110)衍射峰角度的两两之差随着x增大而增大,但增大幅度不同。结合第一性原理模拟结果表明ST中形成“Bi·Sr-VSr′′-Bi·Sr”直线型缺陷复合体,该复合体“限域”空穴电荷从而导致Sr1-1.5xBixTiO3陶瓷获得了优异的巨介电常数和较低的介电损耗。非化学计量比Sr1-xBixTiO3陶瓷的介频测试结果表明,当x=0.05时介电常数达到30000,介电损耗维持在0.03附近。通过XRD、XPS分析发现Sr1-xBixTiO3陶瓷存在Bi反占位结构。经第一性原理计算揭示出非化学计量比Sr1-xBixTiO3陶瓷中的反占位Bi与氧空位形成了“Bi′Ti-VO··-Bi′Ti”缺陷复合体,电子被限域在“Bi′Ti-VO··-Bi′Ti”缺陷复合体结构之中,最终诱导Sr1-xBixTiO3陶瓷获得室温巨介电常数和低介电损耗。
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