CaCu<,3>Ti<,4>O<,12>基陶瓷的介电性能研究

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近年来,CaCu3Ti4O12(CCTO)以其良好的综合性能引起了人们极大的关注,一般来说,CCTO具有高介电常数(ε≈104),在较宽温度范围具有高热稳定性,从而使其有望在高密度能量存储、薄膜器件、介电电容器等一系列高新技术领域中获得广泛的应用。另一方面,CCTO的介电损耗比较高,这一点严重影响了它的应用。尤其是,随着电子器件微型化趋势的进一步加剧,器件越小而功能越强,则对损耗的要求也进一步提高,因此如何降低样品的介电损耗成为了影响其应用的关键技术之一。研究表明,不同制备方法及制备工艺对样品性能影响很大,而且掺杂是降低CCTO陶瓷介电损耗的有效途径之一。本文先采用溶胶.凝胶法制备了CCTO粉体,研究了不同煅烧温度对样品结构的影响,X射线衍射结果显示,750℃煅烧2h后的样品呈明显的CaCu3Ti4O12类钙钛矿晶相,表明非晶相开始向类钙钛矿晶相转化。红外和拉曼谱分析进一步证实了X射线衍射结果。利用传统的固相反应方法制备了纯CCTO陶瓷以及掺锶、镧、锶和镁等系列陶瓷,利用X射线衍射方法对结构进行了表征,结果表明:纯CCTO陶瓷在1100℃烧结,形成了完整的类钙钛矿相,结晶完好,CCTO陶瓷确实在很宽的温区内介电常数几乎不随温度变化,并且介电常数在5000和10000之间,而且CCTO陶瓷具有非线性的电流.电压特性。掺杂对介电性能的总体趋势可概括为:掺杂可降低样品的介电损耗,但同时样品的介电常数也降低了。另一方面,不同掺杂对样品的介电性能影响也不一样,其中掺镧样品的介电损耗下降明显,而掺锶次之,掺锶同时掺镁的样品介电常数下降太大,结果不太好。表明在CCTO中掺入一定量的杂质可以部分降低钙铜钛氧化物的介电损耗,从而利用钙铜钛氧化物的高介电常数,将其应用于电容器等的制作中,满足电子器件进一步小型化的需求。对样品的复阻抗谱分析表明:在所测量的温度及频率范围内,介电常数和介电损耗表现出明显的频率色散和弛豫特征。介电损耗峰位随频率增加向高温端移动,表现是一个热激活过程。根据样品的等效电路模型,影响10kHz~1MHz频率段介电性能的主要是晶界电阻以及晶界电容。作为第二相存在的微量杂质可作为晶界上的势垒层,影响样品的介电性能。对样品的柯尔-柯尔图分析也证实了这一点,表明CCTO基陶瓷在所测量的温度及频率范围的电学性能可归因于是晶体结构内部的晶界、畴界以及晶粒等的影响。
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