CaCu3Ti4O12陶瓷介電性能的研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,電子行業(yè)對(duì)高介電電容器件(電容器、諧振器、濾波器)和存儲(chǔ)器等微電子器件集成化、智能化、微型化的需求越來越高。類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CaCu3Ti4O12(CCTO)陶瓷因其具有非鉛基、巨介電常數(shù)、高熱穩(wěn)定性等優(yōu)異性能受到了廣泛的關(guān)注。這些優(yōu)異性能為CCTO陶瓷在電子行業(yè)地應(yīng)用提供了良好的前提條件,但是相對(duì)較高的介電損耗值一直阻礙著CCTO陶瓷其走向多樣化、實(shí)用化的進(jìn)程,并且CCTO陶瓷巨介電常數(shù)的產(chǎn)生機(jī)理由至今尚存爭(zhēng)議,因

2、此制備具有高介電常數(shù)和損耗相對(duì)較低的CCTO基陶瓷系統(tǒng),并探討相應(yīng)的介電機(jī)制成為了一個(gè)有意義的課題。本文首先合成了純CCTO陶瓷,并對(duì)其性能進(jìn)行了分析。通過向CCTO陶瓷添加SrO-B2O3-SiO2玻璃(SBS)并改變燒制氣氛中氧含量的方法,在CCTO基陶瓷的制備方法、物相組成、微觀結(jié)構(gòu),以及介電性能等方面進(jìn)行了研究。
　　 本文采用了950℃保溫12小時(shí)的制度預(yù)合成了CCTO晶相的粉料,并將其作為后續(xù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)原料。制備CC

3、TO陶瓷時(shí),將燒成溫度由1040～1060℃提高至1100℃,保溫時(shí)間由2小時(shí)延長(zhǎng)至12小時(shí),可以發(fā)現(xiàn)CCTO陶瓷的平均晶粒尺寸明顯增大,介電常數(shù)也相應(yīng)升高,這說明在不進(jìn)行任何工藝改進(jìn)的前提下,CCTO陶瓷需要在高溫下長(zhǎng)時(shí)間保溫才能獲得巨介電常數(shù)。因此,CCTO陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)于其性能有著至關(guān)重要的影響,獲得大尺寸晶粒和減少微觀缺陷是提高陶瓷性能的關(guān)鍵因素。在晶粒的生長(zhǎng)過程中,立方形的CCTO晶粒以“面-頂”、“面-棱”、“棱-棱"等接

4、觸方式堆積起來,不可避免的形成了空隙這種微觀缺陷。CCTO陶瓷在高于450K溫度范圍內(nèi),發(fā)生了彌散相變。這說明在這一溫度范圍內(nèi),CCTO陶瓷具有鐵電弛豫的一些特征。
　　 SBS玻璃被加入CCTO粉料制成了CCTO-SBS陶瓷,SBS玻璃促進(jìn)了陶瓷晶粒的生長(zhǎng)與陶瓷的致密化。當(dāng)SBS玻璃的添加量為0～2wt%時(shí),晶界的電阻率由4.4×106Ω·cm下降至2.2×106Ω·cm。當(dāng)SBS玻璃添加增至3wt%時(shí),晶界的電阻率又回升至3

5、.7×106Ω·cm。晶粒的電阻率變化并不明顯,均保持在10～30Ω·cm。在450Hz～40kHz的頻率范圍內(nèi),CCTO-SBS陶瓷在相對(duì)較低燒結(jié)溫度和較短的保溫時(shí)間的條件下(1050℃,12h),獲得了高介電常數(shù)(＞104)和相對(duì)地降低介電損耗。通過阻抗分析可知,CCTO陶瓷具有由半導(dǎo)晶粒組元與絕緣層組元組成的微觀電異質(zhì)結(jié)構(gòu),這一結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)與電性能變化對(duì)其介電性能有很大的影響。
　　 本文以調(diào)節(jié)CCTO陶瓷電異質(zhì)結(jié)構(gòu)各組

6、元的尺寸與電性質(zhì)為目的,進(jìn)行了后續(xù)試驗(yàn),在不同體積比例的N2和O2的混合氣體中制備了CCTO陶瓷,并對(duì)它的介電性能進(jìn)行了探索。隨著氣氛中氧氣體積比(x)的增加,CCTO陶瓷平均晶粒尺寸下降;晶界電阻率由約2.84×104Ω·cm增至1.93×106Ω·cm;晶界的導(dǎo)電活化能由0.474eV提高至了0.937eV。CCTO陶瓷電異質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化,對(duì)其介電性能影響十分明顯,在20Hz～100kHz的頻率范圍內(nèi),所有CCTO陶瓷均顯示出了較高的