BaTiO3陶瓷晶粒結(jié)構(gòu)及尺寸效應(yīng)的理論研究.pdf

1、近年來，隨著微電子和通訊技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的小型化和集成化成為當(dāng)今電子技術(shù)發(fā)展的主流。應(yīng)用于正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTCR）的施主摻雜的BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷材料和應(yīng)用于多層陶瓷電容器（MLCC）的BaTiO3鐵電陶瓷材料都向著小型化方向發(fā)展。BaTiO3陶瓷的電學(xué)特性隨著晶粒尺寸減小到納米尺寸將發(fā)生巨大的變化，這種變化直接影響到器件的性能。本文以BaTiO3陶瓷作為研究對象，基于電動(dòng)力學(xué)、半導(dǎo)體物理及Landau熱力學(xué)等理論，從理論

2、上定量的研究了BaTiO3鐵電陶瓷材料的結(jié)構(gòu)、相變、介電性質(zhì)及其施主摻雜的半導(dǎo)體陶瓷材料導(dǎo)電性質(zhì)的晶粒尺寸效應(yīng)，主要內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　 考慮到表面效應(yīng)，在Landau熱力學(xué)理論的基礎(chǔ)上建立了一個(gè)定量的球狀納米BaTiO3鐵電陶瓷的多殼層結(jié)構(gòu)模型，研究了其結(jié)構(gòu)、相變及介電常數(shù)的尺寸效應(yīng)。進(jìn)一步，引入不均勻極化能，采用二相模型分析了各種晶粒尺寸、溫度及外電壓下的核殼結(jié)構(gòu)、BaTiO3晶粒極化強(qiáng)度的徑向分布、相變的尺寸效應(yīng)、晶體結(jié)

3、構(gòu)c/a、熱電性能和介電性能的尺寸效應(yīng)等。隨著晶粒尺寸減小，表面能增大，鐵電-順電相界向晶粒中心移動(dòng)。隨著晶粒尺寸進(jìn)一步減小，最后變成穩(wěn)定的立方相結(jié)構(gòu)。表面效應(yīng)導(dǎo)致了由表面順電層和內(nèi)部鐵電核組成的BaTiO3納米粒子的多殼層結(jié)構(gòu)，使鐵電順電相變彌散化。介電常數(shù)的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著晶粒尺寸的減小，室溫BaTiO3陶瓷介電常數(shù)減?。粌蓚€(gè)較低的介電峰向高溫移動(dòng)，而較高的介電峰向低溫移動(dòng)；三個(gè)介電峰值減小且變寬。隨晶粒尺寸減小，表面順電層厚度增大

4、是介電常數(shù)減小的原因之一。
　　 研究了一唯電疇模型，計(jì)算了單疇臨界尺寸、鐵電臨界尺寸，分析了偶極相互作用對居里溫度的影響。進(jìn)一步研究了三維電疇模型，通過引入一參數(shù)η來表示晶粒表面電荷補(bǔ)償系數(shù)，結(jié)合疇壁能得出BaTiO3納米陶瓷的鐵電性隨晶粒尺寸的變化關(guān)系，并討論了疇壁運(yùn)動(dòng)對介電常數(shù)的貢獻(xiàn)。結(jié)果指出鐵電性能的消失主要由遠(yuǎn)程庫侖相互作用的減弱導(dǎo)致?？紤]電疇的影響后，能夠解釋BaTiO3顆粒的室溫介電常數(shù)在臨界尺寸以上達(dá)到最大值。<

5、br>　　 從泊松方程出發(fā)，考慮了施主、受主、電子及空穴的濃度分布對晶界勢壘的影響，并將晶界模型擴(kuò)展到三維，首次建立了一個(gè)全面的、定量的模型來解釋施主摻雜的BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷的導(dǎo)電特性。通過建立了一個(gè)關(guān)于電子能級的微分方程，按照四價(jià)標(biāo)準(zhǔn)龍格-庫塔公式求解該方程，從數(shù)值上得到晶界勢壘的能級圖。進(jìn)一步計(jì)算得到BaTiO3半導(dǎo)瓷的阻溫關(guān)系。結(jié)果指出室溫電阻率隨施主濃度的增大形成U 形曲線。隨著晶粒尺寸減小到受主擴(kuò)散長度的2倍附近時(shí)，室溫

6、電阻急劇上升。材料的升阻比在指定的受主濃度摻雜和指定的晶粒尺寸下取得極大值。
　　 分別用傾斜能帶的方法和連續(xù)介質(zhì)方法研究了BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷的非線性特性及晶粒尺寸效應(yīng)，并分析了晶界特征。計(jì)算得到的升阻比隨著外電壓的增大而降低，在居里溫度以下的電流電壓特性很弱，而在居里溫度以上很強(qiáng)。非線性系數(shù)在電阻達(dá)到最大值的溫度、接近受主擴(kuò)散長度2倍的晶粒尺寸達(dá)到最大值。非線性電流電壓特性的模擬結(jié)果指出電流電壓曲線分為三個(gè)區(qū)域：線性區(qū)、非

7、線性區(qū)和回升區(qū)。隨著外電壓增大，晶界勢壘在非線性區(qū)急劇下降。隨著晶粒尺寸減小，材料的擊穿電壓和非線性系數(shù)都增大。
　　 總之，本文對BaTiO3陶瓷晶粒結(jié)構(gòu)及尺寸效應(yīng)的研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，合理的解釋了BaTiO3陶瓷材料的尺寸效應(yīng)，并對更小的晶粒尺寸的BaTiO3材料結(jié)構(gòu)及性能作出了理論預(yù)測。本文的理論結(jié)果為鐵電BaTiO3陶瓷材料的小型化、集成化的研究提供了理論依據(jù)，對制備高性能的熱敏材料及電容器材料的進(jìn)一步研究具有指