文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
BaTiO3陶瓷晶粒结构及尺寸效应的理论研究
姓名:方焯
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:龚树萍;;周东祥
2010-05-26
华中科技大学博士学位论文
摘要
近年来,随着微电子和通讯技术的发展,电子元器件的小型化和集成化成为当
今电子技术发展的主流。应用于正温度系数热敏电阻(PTCR)的施主掺杂的 BaTiO3
半导体陶瓷材料和应用于多层陶瓷电容器()的 BaTiO3 铁电陶瓷材料都向着
小型化方向发展。BaTiO3 陶瓷的电学特性随着晶粒尺寸减小到纳米尺寸将发生巨大
的变化,这种变化直接影响到器件的性能。本文以 BaTiO3 陶瓷作为研究对象,基于
电动力学、半导体物理及 Landau 热力学等理论,从理论上定量的研究了 BaTiO3 铁
电陶瓷材料的结构、相变、介电性质及其施主掺杂的半导体陶瓷材料导电性质的晶
粒尺寸效应,主要内容和结论如下:
考虑到表面效应,在 Landau 热力学理论的基础上建立了一个定量的球状纳米
BaTiO3 铁电陶瓷的多壳层结构模型,研究了其结构、相变及介电常数的尺寸效应。
进一步,引入不均匀极化能,采用二相模型分析了各种晶粒尺寸、温度及外电压下
的核壳结构、BaTiO3 晶粒极化强度的径向分布、相变的尺寸效应、晶体结构 c/a、
热电性能和介电性能的尺寸效应等。随着晶粒尺寸减小,表面能增大,铁电-顺电相
界向晶粒中心移动。随着晶粒尺寸进一步减小,最后变成稳定的立方相结构。表面
效应导致了由表面顺电层和内部铁电核组成的 BaTiO3 纳米粒子的多壳层结构,使铁
电顺电相变弥散化。介电常数的计算结果发现随着晶粒尺寸的减小,室温 BaTiO3
陶瓷介电常数减小;两个较低的介电峰向高温移动,而较高的介电峰向低温移动;
三个介电峰值减小且变宽。随晶粒尺寸减小,表面顺电层厚度增大是介电常数减小
的原因之一。
研究了一唯电畴模型,计算了单畴临界尺寸、铁电临界尺寸,分析了偶极相互
作用对居里温度的影响。进一步研究了三维电畴模型,通过引入一参数η来表示晶
粒表面电荷补偿系数,结合畴壁能得出 BaTiO3 纳米陶瓷的铁电性随晶粒尺寸的变化
关系,并讨论了畴壁运动对介电常数的贡献。结果指出铁电性能的消失主要由远程
库仑相互作用的减弱导致。考虑电畴的影响后,能够解释 BaTiO3 颗粒的室温介电常
数在临界尺寸以上达到最大值。
从泊松方程出发,考虑了施主、受主、电子及空穴的浓度分布对晶界势垒的影
响,并将晶界模型扩展到三维,首次建立了一个全面的、定量的模型来解释施主掺
I
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杂的 BaTiO3 半导体陶瓷的导电特性。通过建立了一个关于电子能级的微分方程,按
照四价标准龙格-库塔公式求解该方程,从数值上得到晶界势垒的能级图。进一步计
算得到 BaTiO3 半导瓷的阻温关系。结果指出室温电阻率随施主浓度的增大形成 U 形
曲线。随着晶粒尺寸减小到受主扩散长度的 2 倍附近时,室温电阻急剧上升。材料
的升阻比在指定的受主浓度掺杂和指定的晶粒尺寸下取得极大值。
分别用倾斜能带的方法和连续介质方法研究了 BaTiO3 半导体陶瓷的非线性特
性及晶粒尺寸效应,并分析了晶界特征。计算得到的升阻比随着外电压的增大而降
低,在居里温度以下的电流电压特性很弱,而在居里温度以上很强。非线性系数在
电阻达到最大值的温度、接近受主扩散长度 2 倍的晶粒尺寸达到最大值。非线性电
流电压特性的模拟结果指出电流电压曲线分为三个区域:线性区、非线性区和回升
区。随着外电压增大,晶界势垒在非线性区急剧下降。随着晶粒尺寸减小,材料的
击穿电压和非线性系数都增大。
总之,本文对 BaTiO3 陶瓷晶粒结构及尺寸效应的研究结果与实验数据基本吻
合,合理的解释了 BaTiO3 陶瓷材料的尺寸效应,并对更小的晶粒尺寸的 BaTiO3 材
料结构及性能作出了理论预测。本文的理论结果为铁电 BaTiO3 陶瓷材料的小型化、
集成化的研究提供了理论依据,对制备高性能的热敏材料及电容器材料的进一步研
究具有指导意义。
关键词:BaTiO3 陶瓷尺寸效应纳米电畴非线性
II
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Abstract
In recent years, with the development of microelectronics munications,
ponent miniaturization and integration have e the main research
direction of today's