ACu3Ti4O12巨介电及非欧姆性能研究

作     者：赵柳洋 

作者单位：郑州轻工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛人中

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：ACu3Ti4O12(ACTO) 掺杂 微结构 介电性能 击穿场强 

摘      要：随着电力电子工业和电容存储技术的蓬勃发展,具有巨介电常数（10～3）、低介电损耗（0.1）的电介质电容器在电子器件的小型化、高集成化、多功能化方面有重要应用。巨介电材料对于下一代高性能电容器件,如混合动力汽车、分布式电力系统、5G通信和可再生能源存储等极其重要,成为研究热点。Ca Cu3Ti4O12（CCTO）因其巨大的介电常数（10～3-10～5）自发现以来受到广泛关注,然而CCTO的介电损耗较大,在对其改性和巨介电机理探索的过程中形成了ACu3Ti4O12(ACTO,A=Ca,Bi2/3,La2/3,Y2/3,Cd等)巨介电材料家族。此外,ACTO材料还具有较好的非欧姆性能（非线性电流-电压性能）,这使得他们有潜力作为压敏电阻器。本研究以ACTO(A=Ca,Bi2/3)为研究对象,利用溶胶-凝胶法和固相反应法制备薄膜和陶瓷样品,通过掺杂/复合调控其微观结构,改善其介电和非欧姆性能,并探索其可能的机理。主要研究内容如下: （1）对Ca1-xCdxCu3Ti4O12薄膜的研究发现,由于高温液相烧结机制,Cd2+掺杂促进了晶界富Cu相析出,增大了平均晶粒尺寸,从而提高了薄膜的介电常数和非线性系数。其中介电常数的增大遵循内部阻挡层电容（IBLC）模型,而薄膜非欧姆性能的改善取决于Schottky势垒的增加。Ca0.5Cd0.5Cu3Ti4O12薄膜同时具备了良好的介电性能（εr=5238,tanδ=0.009,1 k Hz）和较高的非线性系数（α=4.22）。 （2）在对Cr3+掺杂的Ca Cu3Ti4O12薄膜研究发现,随着Cr3+掺杂Ti O2第二相析出量增加,平均晶粒尺寸减小,表面粗糙度提高。由于晶粒尺寸和氧空位浓度的减小,光学能隙从2.92e V增加到3.54 e V。薄膜介电常数的变化可以通过IBLC模型解释。Ti O2第二相的存在、较小的晶粒尺寸、增加的势垒高度和晶界电阻,是薄膜介电损耗降低和非欧姆性能提高的主要原因。在1 k Hz时,Ca0.8Cr0.2Cu3Ti4O12薄膜的εr为9340,tanδ为0.012,α为4.64,Eb为89kV/mm。 （3）Ta5+掺杂Bi2/3Cu3Ti4O12陶瓷的Ti4+位后,在晶界处出现富Cu/Ti相。正电子湮没光谱结果显示陶瓷中缺陷数量随Ta5+掺杂而增加。晶界处富Cu/Ti相和缺陷共同作用于陶瓷的微结构,陶瓷晶粒尺寸和致密度先增大后减小。Ta5+掺杂提高了介电常数和非欧姆性能,并降低了介电损耗,这取决于晶界Schottky势垒结构形成的内部势垒层。在10 k Hz时,Bi2/3Cu3Ti3.95Ta0.05O12的εr为45997,tanδ为0.035,α为5.62,Eb为3.45 kV/cm。 （4）Sr0.99La0.01Ti O3（SLT）复合Bi2/3Cu3Ti4O12陶瓷中,加入少量SLT后陶瓷的平均晶粒尺寸减小,陶瓷致密性提高。SLT的加入显著降低了陶瓷的介电损耗,增加了光学能隙,改善了频率和温度稳定性以及非欧姆性能。BCTO-xSLT复合材料的光学、介电和非欧姆性能的改善是由于晶界的几何（晶界数和致密性）和本征（晶界电阻和势垒高度）性能的增强。其中,x=0.06的样品在10 k Hz时的εr为11322,tanδ为0.026,α为7.49,Eb为10.45 kV/cm。