鈦酸銅鈣巨介電陶瓷材料的實驗制備及鉀、鋯摻雜改性研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，低性能和大尺寸的電子器件越來越不能滿足人們的需求。高性能化和微型化的器件應(yīng)運而生，其中高介電材料已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注。高介電材料在諧振器、電容器、濾波器、存儲器等多個重要電子器件方面得到應(yīng)用。近十多年來，巨介電材料鈦酸銅鈣(CaCu3Ti4O12，簡稱 CCTO)受到越來越廣泛的關(guān)注，因為 CCTO不僅具有高的介電常數(shù)而且在很寬的頻率范圍內(nèi)和溫度范圍內(nèi)介電穩(wěn)定性特別好，有望成為新一代高介電陶瓷材料，但是過高的介電損耗

2、限制了其在實際中的應(yīng)用，因此 CCTO的理論和實驗研究工作仍需進行。而 CCTO的介電性質(zhì)與晶粒、晶界等非本征因素密切相關(guān)，因此我們從摻雜改性及優(yōu)化實驗條件等方面入手，利用溶膠凝膠法制備純 CCTO以及鉀(K+)、鋯(Zr4+)摻雜 CCTO陶瓷材料，并對其結(jié)構(gòu)和介電性能及影響機制進行了研究。
　　首先，我們制備了純 CCTO陶瓷樣品，并研究了微觀結(jié)構(gòu)和介電性能。X射線衍射分析樣品表明了無第二相生成。燒結(jié)溫度大于1040oC時，C

3、CTO的介電常數(shù)(ε')在頻率小于400 kHz只有微小的變化。一些樣品的介電損耗(tanδ)在很寬的頻率范圍內(nèi)低于0.05。其中，1100oC下燒結(jié)16小時的樣品在1 kHz下測的tanδ可低至0.028，同時ε'可達到1.82×104。
　　然后，我們又利用溶膠凝膠法制備了Zr4+取代CCTO的Ti4+位置的陶瓷材料(CaCu3Ti4-xZrxO12, x=0,0.05,0.1,0.2)，以期改變CCTO的微觀結(jié)構(gòu)，進而達到改

4、善介電性質(zhì)的目的。我們發(fā)現(xiàn)摻雜濃度為0.05的CCTZO樣品(CaCu3Ti3.95Zr0.05O12)，其晶粒尺寸有所增加并且在室溫和寬的頻率內(nèi)(20 Hz-400 kHz)介電常數(shù)也有較為顯著的增大(ε'>2×104)。而且頻率為200 kHz，溫度變化在20oC-180oC范圍之內(nèi)，介電常數(shù)波動性小于±20％。同時，介電損耗(tanδ)在2 kHz-50 kHz范圍內(nèi)低于0.05。在測試頻率為10 kHz時， CaCu3Ti3.9

5、5Zr0.05O12(1100oC燒結(jié)16小時)的介電損耗和介電常數(shù)分別約為0.026和2.35×104。實驗結(jié)果表明 Zr4+摻雜可以改善CCTO的介電性能。
　　接著，我們又制備了K+取代CCTO的Ca2+位置的一系列陶瓷樣品(Ca1-xKxCu3Ti4O12-δ），燒結(jié)溫度范圍為1040oC-1100oC。然后對Ca1-xKxCu3Ti4O12-δ的微觀結(jié)構(gòu)和介電性能進行了細致研究。X射線衍射分析的結(jié)果表明Ca1-xKxCu

6、3Ti4O12-δ具有典型的立方結(jié)構(gòu)，無第二相產(chǎn)生。掃描電鏡測試發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸和介電常數(shù)隨著燒結(jié)溫度的增加而明顯增大。Ca0.99K0.01Cu3Ti4O12-δ(1060oC下燒結(jié)8小時)陶瓷樣品在室溫和1 kHz下測的介電損耗為0.039。而且在介電常數(shù)及損耗的溫譜圖中可以觀察到介電弛豫。
　　綜上所述，通過改善CCTO的制備方法、燒結(jié)條件及利用K+，Zr4+元素摻雜改性等方法，在一定程度上達到了改善CCTO的介電特性的目的。實