巨介电常数低介电损耗SrTiO3基陶瓷制备与介电响应机制研究

摘要

随着信息技术尤其是电子和微电子行业的快速发展，对电介质材料提出了更高的要求，如何提高介电常数、降低介电损耗和提高温度和频率稳定性成为电介质材料研究的重要目标之一。本论文以 SrTiO3陶瓷作为研究对象，通过非化学计量比、不同元素掺杂的研究，分析了陶瓷的结构与介电性能的变化关系，改善了 SrTiO3陶瓷体系的介电性能，获得了巨介电常数、低介电损耗以及温度和频率稳定性良好的介质陶瓷材料。
　　通过改变SrTiO3陶瓷中Sr/Ti的值，研究了化学计量比的变化对陶瓷的晶体结构、微观结构和介电性能影响，结果发现，SrTiO3陶瓷中Sr/Ti在0.994到1.004范围内变化，无论Sr/Ti大于1还是小于1，陶瓷的晶粒尺寸均减小。空气烧结的非化学计量比SrTiO3陶瓷的常温介电性能相似，25℃、1 kHz下的介电常数均在300左右，介电损耗均小于0.01；高温介电弛豫是由界面极化引起的。在氮气中1440℃烧结的SrTiO3陶瓷具有巨介电常数低介电损耗现象，在25℃、1 kHz下的介电常数约为47601，介电损耗约为0.0058。巨介电常数低介电损耗的 SrTiO3陶瓷的介电特性可以归因于陶瓷中形成[Ti4+·e-V..o Ti4+·e]的缺陷偶极子，电子被Ti4+离子和氧空位(V..o)束缚，导致低介电损耗的产生。
　　氮气中不同温度烧结的Sr0.996TiO3陶瓷的介电性能差异性较大：1400℃烧结的陶瓷在25℃、1 kHz下的介电常数约为3639，介电损耗约为0.09，介电性能跟界面极化有关；而1500℃烧结时，介电常数增加到30722，介电损耗减小到0.0042。研究发现，提高烧结温度可以减弱界面极化的作用，改善陶瓷的介电性能。氮气中1500℃烧结的Sr1.004TiO3陶瓷在25℃、1 kHz下的介电常数约为292，介电损耗约为0.002，其高温介电弛豫与界面极化有关。
　　SrTiZrxO3和SrCaxTiO3陶瓷的晶粒尺寸随着Zr或Ca含量的增加而减小。空气烧结的SrTiZrxO3和SrCaxTiO3陶瓷在25℃、1 kHz下的介电常数均在300左右，介电损耗均小于0.01，高温介电弛豫均可由界面极化解释。氮气烧结的SrTiZrxO3陶瓷在25℃、1 kHz下的介电常数均大于18000，介电损耗均在0.003左右，其介电性能可以认为是[ Ti4+·e-V..o-Ti4+·e]和[V

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 介电理论基础

1.3 巨介电陶瓷应用背景与研究进展

1.4 SrTiO3介电陶瓷性质与研究进展

1.5 课题的提出与研究内容

第2章 SrTiO3基陶瓷的制备工艺与实验研究方法

2.1 SrTiO3基陶瓷的制备

2.2 结构与性能表征方法

第3章 非化学计量比SrTiO3陶瓷的结构与介电性能

3.1 空气烧结非化学计量比SrTiO3陶瓷结构与介电特性

3.2 巨介电常数低介电损耗的SrTiO3陶瓷

3.3 空气热处理对氮气烧结SrTiO3陶瓷介电性能的影响

3.4 巨介电常数低介电损耗的机理分析

3.5 氮气烧结非化学计量比SrTiO3陶瓷的介电特性

3.6 小结

第4章 Zr和Ca掺杂SrTiO3陶瓷的结构与介电性能

4.1 Zr掺杂SrTiO3陶瓷的结构与介电性能

4.2 Ca掺杂SrTiO3陶瓷的结构与介电性能

4.3 小结

第5章 SrTi0.99(Al, Zr, Nb)0.01O3陶瓷结构与介电性能

5.1 空气烧结SrTi0.99(Al, Zr, Nb)0.01O3陶瓷结构与介电性能

5. 2 氮气烧结SrTi0.99(Al, Zr, Nb)0.01O3陶瓷结构与介电性能

5.3 SrTi0.99(Al, Zr, Nb)0.01O3陶瓷介电性能机理分析

5.4 小结

第6章 Sr0.9775Sm0.015TiO3陶瓷的结构与介电性能

6.1 Sr0.9775Sm0.015TiO3陶瓷的结构

6.2 空气烧结Sr0.9775Sm0.015TiO3陶瓷的介电特性

6.3 氮气烧结Sr0.9775Sm0.015TiO3陶瓷的介电特性

6.4 Sr0.9775Sm0.015TiO3陶瓷介电性能机理分析

6.5 巨介电常数低介电损耗陶瓷的温度和频率稳定性

6.6 小结

第7章 结 论

致谢

参考文献

博士期间的研究成果