稀土Nd摻雜SrTiO-,3-基高儲能介質(zhì)陶瓷缺陷結(jié)構(gòu)及介電性能研究.pdf

1、具有ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的SrTiO3材料是重要的電子材料之一，常溫下SrTiO3為立方結(jié)構(gòu)，是量子順電體。SrTiO3陶瓷不僅具有較高的介電常數(shù)(εr～300)，還具有較高的耐壓強度(Eb～10kV/mm)。正是因為其同時具有較高介電常數(shù)和較高耐壓強度的獨特性能，SrTiO3陶瓷在高壓儲能介質(zhì)材料的領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 SrTiO3摻雜能改變其許多特性，從而拓展其應(yīng)用是一個重要的研究方向。近年對SrTiO3陶瓷中陽離子的不

2、等價取代研究越來越多，這類SrTiO3基陶瓷顯現(xiàn)出很多有趣的性能，如量子鐵電性、超導性和高介電常數(shù)等等，但其中很多機理問題尚未認清。本論文選取三價稀土Nd3+離子A位取代二價的Sr2+離子，通過對其介電性能研究，構(gòu)建結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)聯(lián)，并探討其缺陷結(jié)構(gòu)機理。通過本論文的研究，有望對SrTiO3陶瓷中陽離子的不等價取代機制有較清楚的認識，這項研究有著重要的理論意義和實際的應(yīng)用價值。 本文從Nd3+離子摻雜SrTiO3陶瓷的三種可

3、能電荷補償機制入手，設(shè)計相應(yīng)的組成NdxSr1-3x/2TiO3(NST)，NdxSr1-xTi1-x/4O3(NTO)，NdxSr1-xTiO3(STO)，采用傳統(tǒng)固相法制備了相應(yīng)的陶瓷粉體，并制備陶瓷。通過X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)分析其物相結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，X射線光電子能譜(XPS)、能譜(EDX)分析相應(yīng)的組成，結(jié)合各系列陶瓷介電性能的研究，探討了Nd3+摻雜SrTiO3陶瓷的缺陷結(jié)構(gòu)機理。 晶體結(jié)構(gòu)分

4、析表明，三個系列陶瓷在相應(yīng)摻雜范圍內(nèi)形成了單相，晶體結(jié)構(gòu)的變化具有相似性，隨著Nd摻雜量的增加有立方相向四方相轉(zhuǎn)變的趨勢，并最終完成轉(zhuǎn)變，晶胞參數(shù)的變化趨勢根據(jù)摻雜方式的不同而不同。微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)Nd的摻入起到了晶粒抑制劑的作用，適量的摻雜使得NTO，NSTO陶瓷的平均粒徑可從10μm左右降低到1μm以下。各系列陶瓷的弛豫特性均滿足Arrhenius定律，受熱激發(fā)所致。NSTO常溫介電性能在頻率為1kHz時，當X=0.1時ε'取得最大

5、值10100，達到104級別，呈現(xiàn)“巨介電效應(yīng)”。交流阻抗結(jié)果顯示，各系列陶瓷呈現(xiàn)電學非均勻性結(jié)構(gòu)，常溫下，Maxwell-Wagner界面弛豫是NTO、NSTO陶瓷材料介電常數(shù)提高的根源。在其它測試條件基本相同的情況下，三個系列陶瓷的擊穿強度和陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，均勻細小的晶?？色@得高的擊穿強度。在NSTO陶瓷體系中，當Nd摻雜量x=0.01時具有最高的擊穿強度Eb=13.52kV/mm。 在分析陶瓷樣品化學組成的基礎(chǔ)上

6、，結(jié)合Nd摻雜SrTiO3陶瓷三個體系的介電性能研究，提出了“強迫型電荷補償機制”的概念，其含義是在陶瓷制備的配料化學式中人為引入一種電荷補償方式。分析發(fā)現(xiàn)，Nd摻雜SrTiO3陶瓷中的Ti離子仍然為+4價，Ti離子的化學狀態(tài)沒有發(fā)生改變。對于按“強迫型電荷補償機制”制備的NST，NTO陶瓷來說，其內(nèi)部的電荷補償機制就是按照其強迫的方式進行的，即NST陶瓷內(nèi)部的電荷補償機制為Sr空位，NTO陶瓷內(nèi)部的電荷補償機制為Ti空位。而對于按Nd