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SiC陶瓷的低频介电特性研究

徐冬雨  
【摘要】:碳化硅是一种典型的共价键结合的化合物材料,具有优异的机械强度、良好的热稳定性与导热性以及较高的熔点。这些优点使得碳化硅成为一种适用于高温环境中电子设备的很有前途的材料。同时,SiC在微波频率范围内优良的介电性能,低介电损耗和温度稳定的介电常数的特性,使得其在世界范围内的作为微波吸收材料,成为研究的热点。到目前为止,大量的研究报导,如掺杂,合成、表面改性,一直致力于提高SiC微波介电性能的表现。为了更好地了解碳化硅的微波介电性能,从低至MHZ到高至GHZ的宽频率范围内的完整介电特性的认知是必需的。例如,由孔隙率、二次相和晶界引起的界面效应引起的非本征损耗对微波介电性能有很大的影响。介电极化的界面效应被称为麦斯威尔极化,不能响应微波频率范围内外加电场的变化。因此,它不能用微波介电研究来表征。所以,研究低频(低于兆赫)下SiC的介电性能是至关重要的。然而,据我们所知,关于碳化硅低频介电性能的报道很少。现有的一些报告揭示了令人振奋的发现。例如,掺杂了钛酸钡和PbTiO3的SiC陶瓷以及在带有铝硅酸盐玻璃绝缘晶界相的SiC陶瓷中观察到极其巨大的介电常数。采用固相烧结制备出的SiC陶瓷样品。利用XRD和SEM及XPS表征对其结构、形貌形态以及元素价态进行了分析探究;在室温(RM)到873 K的宽温度范围内对β-碳化硅陶瓷样品的低频(100 Hz-1 MHz)介电性能进行了详细的研究,通过对其介电温谱、频谱、及阻抗谱的测量分析,得出介电常数、介电损耗、偏压等参数随频率、温度的改变而变化的规律,对其进行了系统的介电性能分析。SiC陶瓷在空气氛围中以固相烧结的方法制备,导致其有氧空位的形成,因其晶粒尺寸的不均匀且存在空隙,且其表面有一层SiO_2氧化层。故样品的载流子存在空位及电子。样品在低于约600K的I温度下存在偶极子主导的极化主导的本征极化,并推断得到样品的本征介电常数为9.285。且在该区间的介电常数与样品的厚度有关,随着厚度的降低,其介电常数大幅减小。在高于600K的II温度区间,存在两个截然不同的弛豫机制,分别为R1与R2。在高频区,样品内部的含氧量远高于表层。随着温度的升高,表面层的氧空位被激活而与氧原子互换位置,跃迁至样品内部,引起了R2极化弛豫。而R1为低频介电响应是由表面层效应引起的麦斯威尔瓦格纳弛豫。气孔的对存在其介电性能是有显著影响,可被看作填充在SiC基体中的绝缘颗粒。其孔隙率为27.64%,样品的有效介电常数为其本征介电常数的67%。


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