二氧化鈦基高介電陶瓷的制備及物性研究.pdf

1、高介電材料是電容器、存儲器、諧振器、濾波器等重要電子器件向高性能化和尺寸微型化進一步發(fā)展的重要基礎(chǔ)。由于器件小型化和高能量密度存儲的應(yīng)用需要，對高介電材料的探索是近年國內(nèi)外新材料研究領(lǐng)域的一個熱點。然而，在單一材料中同時實現(xiàn)高介電性、低損耗、工作頻帶寬、溫度穩(wěn)定和可耐強電場的優(yōu)異綜合介電性能仍然是一項極其具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在此背景下，本論文主要開展了(In，Nb)摻雜TiO2高介電陶瓷材料的制備、物性及相關(guān)機理的研究。
　　TiO

2、2陶瓷作為研究最早的介電材料，具有較高的相對介電常數(shù)、低的介電損耗、低的電導(dǎo)率以及非常高的抗擊穿電場強度。因此，TiO2基陶瓷材料對于高儲能密度電容器的應(yīng)用是一類具有非常重要的研究價值和意義的介質(zhì)材料。近期，澳大利亞國立大學的研究組報道了(In，Nb)共摻雜TiO2等組分陶瓷具有良好的高介電性質(zhì)，該研究組在低于實驗測量頻率1MHz的范圍內(nèi)同時實現(xiàn)了介電常數(shù)ε'＞104、介電損耗tanδ≤0.05的性能，并且在80K至450K很寬的溫度范

3、圍內(nèi)呈現(xiàn)出不怎么依存溫度和頻率的高介電常數(shù)和低的介電損耗。我們知道純TiO2的介電常數(shù)只有120左右，而進行了(In，Nb)摻雜改性后介電常數(shù)提高到104，并且損耗保持在0.05以下，這極大的提高了TiO2的介電性能。雖然(In，Nb)摻雜后陶瓷呈現(xiàn)出如此高介電常數(shù)的物理機制尚存在一定爭議，但這一成果的發(fā)現(xiàn)對研究具有優(yōu)異介電性能的材料提供了一條新的途徑。本論文研究了利用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制備的(In，Nb)摻雜TiO2陶瓷樣品。
　　

4、考察了不同組分摻雜的陶瓷介電性質(zhì)以及燒結(jié)工藝、球磨時間對其介電性質(zhì)的影響，并初步探索了陶瓷的高介電性質(zhì)的物理機制。
　　一、利用固相反應(yīng)法制備了一系列不同燒結(jié)溫度條件的(In，Nb)摻雜TiO2陶瓷樣品，系統(tǒng)地考察了它們的晶體結(jié)構(gòu)、微觀組織結(jié)構(gòu)、介電頻譜和復(fù)阻抗頻譜的電學性質(zhì)及其隨測試溫度的變化。首先利用普通燒結(jié)制備的陶瓷樣品的介電常數(shù)隨摻雜組分、燒結(jié)溫度、保溫時間都有一定規(guī)律性的變化，并且都具有極高的介電常數(shù)。但這種方法制備的樣

5、品重復(fù)性較差，大部分陶瓷樣品的介電損耗低頻和高頻都在10％以上，只有中頻段損耗較低。為了能保證高介電常數(shù)的同時降低樣品的損耗，我們利用等靜壓成型燒結(jié)制各樣品，在通過熱處理后其介電性能得到了很大改善，尤其在800℃退火樣品的介電性能最好。其介電常數(shù)在10mHz～10 MHz都穩(wěn)定保持在104以上，并且介電損耗在很寬的頻率范圍內(nèi)都小于5％，另外隨測試溫度的變化其介電常數(shù)也基本不變，顯示了良好的溫度穩(wěn)定性。綜合來說，通過等靜壓成型燒結(jié)后退火處

6、理的樣品各方面的介電性能都非常優(yōu)異。
　　二、研究了一些(In，Nb)摻雜TiO2陶瓷呈現(xiàn)高介電常數(shù)的影響因素，對其高介電性起源的物理機制進行初步探究。通過不等比例摻雜實驗，發(fā)現(xiàn)過量的In和Nb都會對陶瓷的介電性能產(chǎn)生影響，過量摻雜In會使陶瓷的介電常數(shù)和介電損耗降低，而過量的Nb會使陶瓷介電常數(shù)和損耗增大。作者推測只有In和Nb等比例摻雜才會出現(xiàn)高介電常數(shù)低損耗的陶瓷樣品。通過表面處理實驗，發(fā)現(xiàn)進行表面處理后的樣品，介電常數(shù)急劇

7、增大了一個數(shù)量級，再經(jīng)過退火后陶瓷的介電常數(shù)又恢復(fù)到較低的數(shù)值，可以推測陶瓷的介電常數(shù)與表面氧化層的氧化程度有關(guān)。
　　三、探討了不同球磨時間對陶瓷介電性能的影響。通過分析球磨前后粉料的SEM圖片看出球磨時間延長粉料分散的更均勻，XRD圖譜也顯示沒有混入大量ZrO2雜質(zhì)。對于球磨30h的粉料，在不同燒結(jié)溫度樣品的介電頻譜測試發(fā)現(xiàn)，其最佳燒結(jié)溫度為1400℃，另外測試了樣品變溫的介電頻譜和阻抗譜顯示了其介電性能在測試溫度范圍內(nèi)介電性