CaCu-,3-Ti-,4-O-,12-陶瓷的巨介電效應(yīng)及其調(diào)控.pdf

1、巨介電常數(shù)陶瓷材料由于在大容量電容器及電子元件小型化/微型化等方面的潛在應(yīng)用，而受到了廣泛關(guān)注。本論文系統(tǒng)地研究了CaCu3Ti4O12陶瓷的介電弛豫和巨介電效應(yīng)的起源，同時(shí)探討了其結(jié)構(gòu)性能調(diào)控。
　　 首先，借助寬溫寬頻介電分析儀、X射線光電子能譜(XPS)及超聲損失譜等手段，對(duì)CaCu3Ti4O12陶瓷的介電異常行為進(jìn)行了深入的研究，探索了其介電弛豫及巨介電常數(shù)平臺(tái)的物理機(jī)制與結(jié)構(gòu)根源。CaCu3Ti4O12陶瓷存在高溫與低

2、溫兩個(gè)類(lèi)Debye介電弛豫，它們均為遵循Arrhenius定律的熱激活過(guò)程。氧氣氛熱處理可顯著減弱高溫介電弛豫，而低溫介電弛豫則幾乎不受氧氣氛熱處理影響。這說(shuō)明高溫介電弛豫起源于缺陷結(jié)構(gòu)，而低溫介電弛豫應(yīng)起源于更本征的因素。Cu2+/Cu+與Ti3+/Ti4+混價(jià)結(jié)構(gòu)可能是低溫介電弛豫的主要根源。而CaCu3Ti4O12陶瓷中的巨介電常數(shù)平臺(tái)正是低溫與高溫介電弛豫相互競(jìng)爭(zhēng)平衡的結(jié)果，因此，可通過(guò)對(duì)低溫和高溫介電弛豫的調(diào)控，增寬或縮短其巨

3、介電常數(shù)平臺(tái)，進(jìn)而改善其介電性能。
　　 用非變價(jià)元素取代Cu和Ti，研究其對(duì)CaCu3Ti4O12陶瓷介電性能的影響規(guī)律，對(duì)于深入理解CaCu3Ti4O12陶瓷巨介電效應(yīng)的起源并追求其性能調(diào)控有著重要的意義。通過(guò)Zn置換Cu，采用固相反應(yīng)法得到了Ca(Cu1-xZnx)3Ti4O12(x=0，0.05，0.1)陶瓷。隨著Zn置換量的增加，Ca(Cu1-xZnx)3Ti4O12陶瓷的巨介電常數(shù)臺(tái)階增高。XPS結(jié)果顯示，Zn置換導(dǎo)

4、致了CaCuaTi4O12陶瓷中Ti3+離子的含量顯著增加。這意味Ti3+/Ti4+混價(jià)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，進(jìn)而增強(qiáng)了CaCu3Ti4O12陶瓷的巨介電效應(yīng)。
　　 Mg置換Cu對(duì)CaCu3Ti4O12陶瓷巨介電效應(yīng)的影響規(guī)律與Ca(Cu1-xZnx)3Ti4O12陶瓷的結(jié)果類(lèi)似。即Mg置換Cu導(dǎo)致了CaCu3Ti4O12陶瓷中Ti3+離子的含量顯著增加。這意味Ti3+/Ti4+混價(jià)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)，因而增強(qiáng)了CaCu3Ti4O12陶瓷的巨介電

5、效應(yīng)。
　　 而當(dāng)用非變價(jià)的Sn置換易變價(jià)的Ti時(shí)，隨著Sn含量的增加，CaCu3(Ti1-xSnx)4O12(x=0，0.05，0.1)陶瓷的介電常數(shù)降低。Ti3+離子含量的減少與相應(yīng)混價(jià)結(jié)構(gòu)的減弱是其巨介電效應(yīng)下降的主要原因。以上非變價(jià)元素置換的研究結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了晶粒內(nèi)部由于Ti與Cu變價(jià)而形成的混價(jià)結(jié)構(gòu)(特別是Ti3+/Ti4+)是導(dǎo)致CaCu3Ti4O12陶瓷產(chǎn)生巨介電效應(yīng)的主要根源。
　　 采用低損耗的SrT