文档介绍：山东大学博士学位论文钛酸铜钙基高介电陶瓷材料和钛酸钡压电陶瓷材料的物性研究姓名:邵守福申请学位级别:博士专业:凝聚态物理指导教师:张家良 20090314 山东大学博士学位论文摘要介电材料和压电材料是两类重要的功能电子材料。介电材料是一类利用材料的介电性质来制造电容性器件的电子材料,被广泛应用在电容器、谐振器、滤波器、存储器等重要电子器件方面。随着近年电子器件向高性能化和尺寸微型化方向的发展,高介电材料受到越来越多的关注。压电材料是实现机械能与电能相互转换的一类功能材料,在传感器、驱动器、超声换能器、蜂鸣器、电子点火器等各种电子元件和器件方面有着广泛的应用。目前使用的压电材料主要是锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)03,简称PZT)基陶瓷材料。但PZT的制备需要使用大量的含铅氧化物作为原料,在生产、使用及废弃后处理过程中都会给人类及生态环境带来严重影响,发展无铅环境协调性压电陶瓷是一项紧迫且具有重大现实意义的课题。在fj{f述背景下,本论文主要丌展了钛酸铜钙(CaCu3Ti4012, TO)基高介电陶瓷材料和钛酸钡(Bam03)压电陶瓷材料的制备、物性及相关机理的研究。 CCTO是一种具有钙钛矿型衍生结构的氧化物,不论是单晶形态还是多晶陶瓷形态都呈现异常高的介电常数。室温下,低频介电常数很大、基本上不依存于频率,而且在很宽的温度区域内几乎不随温度变化。TO高介电性的起源,有人认为起源于材料内在的晶格结构,也有人认为起因于内部阻挡层电容效应,还有人归结为与样品电极有关的耗尽层,因此在机制解释方面存在着很大的争议。另一方面,TO陶瓷的介电损耗很大,在实际应用中会导致信号衰减、器件或电路的发热而工作不稳定,不利于作为电子材料的应用。所以,TO陶瓷材料所具有高介电常数的优点又能显著地降低介电损耗的有效方法是一个重要的课题。 BaTi03陶瓷是历史上最早发现的一种多晶压电材料, 1954年发明PZT之前曾被广泛的应用。以BaTi03为基体的陶瓷材料虽然目前仍被广泛地用于制造各种电容器和PCT电阻等,但作为压电陶瓷材料的应用已很少见,主要的一个原因是由于通常制备的BaTi03基陶瓷材料的压电活性太低(d33 s 190pC/N)。值得关注的是,最近日本研究者们相继报道了以水热合成山东大学博士学位论文得到的BaTiO,超微粉为原料、采用非常规技术(微波烧结、分段烧结或模板晶粒生长工艺)制备出了以3值分别达到360、460和788 pCfN的BaTi03陶瓷材料的结果。从压电活性方面讲,这些结果启示人们需要对BaTi03基陶瓷作为无铅压电材料应用的潜能进行重新思考。 TO基高介电陶瓷和BaTi03压电陶瓷为研究对象。考察了烧结条件、TO基陶瓷微观组织结构、晶体结构、介电以及复阻抗方面的电学性质的影响,探讨了相关的高介电性微观机理。考察了制备工艺条件对BaTi03陶瓷的压电性能、介电性质、微观组织结构和电畴构型的影响,探讨了相关的压电物性微观机理。一、TO陶瓷的微观结构以及介电和复阻抗方面的电学性质,TO陶瓷的微观结构随烧结条件的变化有很大的变化。根据陶瓷的微观组织结构形态,TO陶瓷分为A类型(晶粒较小,但尺寸分布较均匀)、B类型(两种不同尺寸的晶粒共存)和C 类型(晶粒尺寸很大而且分布较为均一)TO陶瓷的高介电性与其微观组织结构有着密切的关联性。室温下,低频介电常数实部随微观组织结构中的晶粒尺寸的增大而增大,频率高于100 kHz的介电常数的实部则呈现急剧下降的变化,介电常数的虚部相应地呈现出一个介电峰,表现出一种类德拜型弛豫性的色散。高温下,TO陶瓷所呈现的电学性质表观上有较大的差异,但存在着一些共通的特征,即介电频谱呈现出一个低频介电响应和两个类德拜型弛豫色散、。 TO陶瓷的电学性质可以归结于陶瓷内部多晶形态的微观组织结构。利用一个由串联的三组RC元件(如Cg、硒C|96和RxCx)组成的等效电路模型解释了介电谱和复阻抗谱的实验结果,这三组RC元件分别代表着来自微观组织结构中的晶畴、晶界以及晶粒内部缺陷的贡献。二、+yTi4012陶瓷微观组织结构与电学性质的影响。实验发现Cu缺损(y<O)的CCTO陶瓷的微观组织结构中的晶粒尺寸较小而分布比较均匀,Cu未偏离(Y=O)和Cu过量(y>O)的CCTO 陶瓷的微观组织结构中有两种不同的晶粒共存、晶粒尺寸相差数十倍。低频下的介电常数与Cu元素的计量比有着很密切的联系。与Y=TO陶瓷相比山东大学博士学位论文较,Y≠TO陶瓷的介电常数均有不同程度的降低,同时晶粒电阻也均有一定程度的增大。我们利用上述的一个由三组RC元件串联组成的等效电路模型解释了介电谱和复阻抗谱的实验数据。通过对实验现象的分析,我们认为在晶