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巨介电常数复相陶瓷的结构与性能

邱卫平  
【摘要】:介电常数反映了材料在外电场下极化能力的强弱,介电常数越大,材料的电容能力越强。材料具有高介电常数能够使得器件小型化,并且获得高的集成度,这一类材料常被用于制造电容器,动态以及静态存储器等。 为探索复相巨介电常数新材料,本论文根据非均质复合材料设计的基本规律,提出了将高电导率的氧化物和高介电常数基体复合以获得巨介电常数复相材料的新思路,突破了复相巨介电常数材料以金属作为主要导电相的限制。本论文系统地研究了SrTiO_3/CuO和BaTi_(0.8)Sn_(0.2)O_3/CuO复相陶瓷的介电性能,并分析了它们的巨介电常数以及介电弛豫现象的起源。 通过固相烧结法获得了导电相和绝缘相共存的SrTiO_3/CuO复相陶瓷。烧结过程中,部分CuO转变成Cu_2O,其中在x=0.2和0.4的样品中这种转变比较明显,在XRD谱上可以观察到非常明显的峰,而在x=0.6和0.8时,导电相仍然主要是CuO,只发生了很少量的转变。高温下,CuO到Cu_2O的转变主要受到两个方面的影响,烧结温度和氧化还原气氛。在相同的烧结温度条件下,x含量低的样品中,CuO周围比较强的还原性气氛使得这种转变比较明显。在SrTiO_3/CuO复相陶瓷的各个组分中,0.6SrTiO_3/0.4CuO陶瓷的介电性能较为理想,具有最大的介电常数和相对较低的介电损耗。导电相之间的相互接近造成实质介质层厚度的减薄是介电常数增大的主要原因;导电颗粒(CuO或Cu_2O)和SrTiO_3基体在界面处形成异质结构而产生空间电荷区,空间电荷区阻碍了载流子在界面附近的迁移使其无法及时响应外电场的变化而出现介电弛豫。 在BaTi_(0.8)Sn_(0.2)O_3/CuO复相陶瓷(x=0.1,0.2,0.4,0.6)的介电常数温谱上,在BaTi_(0.8)Sn_(0.2)O_3铁电峰位置的右侧都出现了介电弛豫,而在单相的BaTi_(0.8)Sn_(0.2)O_3陶瓷中并没有出现。这种弛豫起源于导电颗粒(CuO或Cu_2O)和BaTi_(0.8)Sn_(0.2)O_3的界面极化。0.4BaTi_(0.8)Sn_(0.2)O_3/0.6CuO复相陶瓷获得了在0℃—170℃温度范围内比较稳定的巨介电常数,在2kHz—40kHz之间都达到2000以上。 本论文还比较了氧化物/铁电复合陶瓷同金属/铁电复合陶瓷的区别。这主要表现在氧化物在电导率同金属的差异,以及氧化物同铁电陶瓷界面容易形成异质


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