施受主离子共掺杂TiO2基陶瓷的巨介电性能及机理研究

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新型施受主离子共掺杂(A(4-5n)/3Bn)xTi1-xO2巨介电常数材料体系凭借其优异的综合介电性能,在储能领域具有广阔的应用前景。但目前该体系的研究尚处于起步阶段,关于巨介电常数的极化机制仍尚未明确,进而限制其介电性能的进一步提升。因此,亟需在拓宽(A(4-5n)/3Bn)xTi1-xO2材料体系的基础上,系统研究该材料体系的极化机制,并探明不同极化方式对介电性能的影响规律,为更优性能巨介电常数材料的制备奠定理论基础。主要研究内容如下:(1)为解决(A(4-5n)/3Bn)xTi1-xO2材料体系的极化机制尚未明确这一问题,采用A=La3+和B=Nb5+分别作为施受主离子,制备出(La0.5Nb0.5)xTi1-xO2(LNTO)陶瓷,通过对其进行SEM、XRD、阻抗谱、直流偏压、XPS、宽温介电频谱等测试,并结合极化激活能拟合计算结果,探究出该体系极化机制由电子钉扎极化、跳跃极化及界面极化共同构成。实验结果表明3%LNTO陶瓷具有最佳的介电性能:ε=49692,tanθ=0.02896。(2)在上述研究基础上,为进一步分析不同极化方式对介电性能的作用机制,制备出(La0.5Ta0.5)xTi1-xO2(LTTO)和(Er0.5Ta0.5)xTi1-xO2(ETTO)陶瓷。通过各测试结果的系统分析,研究表明Ta5+代替Nb5+离子可以加强电子钉扎极化,且高掺杂的La3+和Er3+离子可分别突出界面极化和跳跃极化,进而不仅对上述极化机制进行验证,且对不同极化方式对介电性能的影响作用进行深入探究。分析结果表明,过量的界面极化和跳跃极化均会造成介电性能的恶化,只有当电子钉扎极化起主要贡献时,才可以使(A(4-5n)/3Bn)xTi1-xO2体系实现巨介电常数的同时具备较低的介电损耗,体现在电子钉扎极化起主要作用的1%ETTO陶瓷中,同时兼具巨介电常数和超低介电损耗:ε=36194,tanθ=0.0088。(3)为进一步提高介电常数且获得更低的介电损耗,基于上述研究机理,制备出(Nd0.5Ta0.5)xTi1-xO2(NTTO)陶瓷。通过调节共掺杂比例,经介电性能测试、阻抗谱测试及极化激活能拟合,结果表明:1%NTTO陶瓷的极化机制主要由电子钉扎极化贡献,表现出优异的介电性能,即不仅实现介电损耗进一步的降低且大幅度提高介电常数:tanθ=0.0076,ε=82052,其介电常数远高于现有超低损耗(A(4-5n)/3Bn)xTi1-xO2体系的介电常数,为储能电容器的工业化生产奠定材料基础。
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