幾種典型微波介電陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、微波介電陶瓷材料(microwave dielectric ceramics，MWDC)是一種近30年來快速發(fā)展的新型電子功能陶瓷材料，被廣泛應(yīng)用于300MHz~300GHz的微波頻段。隨著技術(shù)發(fā)展對高性能材料的需求，人們對微波介電陶瓷材料性能的研究越來越重視。利用計算材料科學(xué)方法可以預(yù)測材料的物理性質(zhì)并有效指導(dǎo)相關(guān)材料的制備。而基于密度泛函理論(density functional theory，DFT)的第一性原理(first-pr

2、inciple，F(xiàn)P)方法，在材料的結(jié)構(gòu)研究、性質(zhì)預(yù)測、實驗設(shè)計等方面已取得了大量成果，成為計算材料科學(xué)的基石。本論文采用FP方法研究了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和尖晶石結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、聲子與熱力學(xué)性質(zhì)；采用固相反應(yīng)法制備了CaTiO3基陶瓷，研究了燒結(jié)溫度和不同摻雜物對陶瓷材料相組成、微觀結(jié)構(gòu)和微波介電性能的影響。
　　(1)采用FP方法計算了立方結(jié)構(gòu)BaTaO3晶體摻雜N后的局域能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明，BaT

3、aO2N為直接帶隙半導(dǎo)體，能帶寬度為0.62eV；價帶主要由O2p、N2p和Ta5d電子構(gòu)成，且N2p態(tài)位于價帶頂；導(dǎo)帶主要由Ta5d電子構(gòu)成。計算了介電函數(shù)、折射率、光電導(dǎo)率、吸收譜和能量損失函數(shù)等光學(xué)性質(zhì)。靜態(tài)介電常數(shù)?1?0?值為6.13，折射率n0為2.48，在紫外區(qū)有較大的吸收系數(shù)。
　　(2)計算了立方結(jié)構(gòu)CaTiO3摻雜NdAlO3的性質(zhì)。建立了0.5NdAlO3-0.5CaTiO3虛擬超晶胞，計算了能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)

4、密度、彈性性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)。優(yōu)化后晶格參數(shù)與實驗值符合很好，誤差小于1％；能帶結(jié)果表明0.5NdAlO3-0.5CaTiO3為間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙值為0.52eV；費米面附近能帶由Nd4f、Nd4p、O2p、Al3p和Ti4d電子確定。分析了介電函數(shù)、反射率和復(fù)折射率等光學(xué)性質(zhì)。
　　(3)計算了正交結(jié)構(gòu)CaTiO3晶體中的摻雜，首先建立Sr0.5Ca0.5TiO3晶體，計算了能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度、彈性性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)。Sr取代部分C

5、a后，CaTiO3晶胞變小，能帶寬度減?。徽唤Y(jié)構(gòu)Sr0.5Ca0.5TiO3滿足力學(xué)穩(wěn)定性條件；計算了體彈模量、剪切模量和楊氏模量，分析了材料的延展性和彈性各向異性；計算了Sr0.5Ca0.5TiO3晶體的介電函數(shù)、吸收系數(shù)等光學(xué)性質(zhì)，得到了靜態(tài)介電常數(shù)ε1(0)和靜態(tài)折射率n0。
　　(4)以立方、四方和正交結(jié)構(gòu)CaTiO3晶體為研究對象，分析了能帶、態(tài)密度和Mulliken布居。CaTiO3從立方Pm-3m→正交I4/mcm

6、→正交Pbnm轉(zhuǎn)變時，氧八面體傾斜角變大，帶隙變寬；不同結(jié)構(gòu)CaTiO3晶體的電子態(tài)密度基本相似。Ca-O鍵鍵長大于Ca-Ti鍵，Ti-O鍵長隨扭轉(zhuǎn)角度的增大略有降低，而Ca-O鍵強度隨扭轉(zhuǎn)角度的增大而增加。結(jié)構(gòu)變化時，Ti-O鍵的Mulliken布居數(shù)變小，鍵長變長，氧八面體內(nèi)共用電子數(shù)減少，八面體體積增大，使對外電場產(chǎn)生響應(yīng)的Ti-O電子密度降低，介電常數(shù)降低。
　　(5)計算了尖晶石結(jié)構(gòu)ZnAl2O4和ZnAl2S4晶體的彈

7、性性質(zhì)、聲子和熱力學(xué)性質(zhì)。采用Murnaghan、Birch-Murnaghan、Poirier-Tarantola和Vinet四種狀態(tài)方程擬合了晶體的平衡態(tài)性質(zhì)。利用應(yīng)變能—應(yīng)變關(guān)系計算了三個獨立的彈性常數(shù)c11、c12和c44，分析了彈性模量，如體彈模量、剪切模量、楊氏模量、泊松比。討論了晶體的彈性各向異性和脆性。采用密度泛函微擾理論計算了兩種晶體的聲子性質(zhì)，并對Γ點的振動特性進行了分析。使用準(zhǔn)簡諧聲子模型和德拜模型計算了兩種晶體在

8、不同溫度下的物理性質(zhì)，如Gibbs自由能、比熱、熱膨脹系數(shù)、Grüneisen常數(shù)和體彈模量等。
　　(6)以CaTiO3基陶瓷為研究對象，利用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)和網(wǎng)絡(luò)分析儀等系統(tǒng)地研究了燒結(jié)工藝、相成分、微觀組織結(jié)構(gòu)和微波介電性能之間的關(guān)系。(a)采用固相反應(yīng)法制備了0.7CaTiO3-0.3NdAlO3陶瓷粉體，在不同溫度下燒結(jié)，探索了燒結(jié)性能、微觀組織和微波介電性能。隨燒結(jié)溫度升高，該陶瓷逐漸形成單一的