氧八面体扭转及其对CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)介电性能影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理超软赝势平面波方法,通过调整氧原子的位置使TiO_(6)八面体扭转,对比了氧八面体扭转前后CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)(CCTO)的成键状况、能带结构、原子态密度及光频介电函数等性能参数的变化,发现Ti-O-Ti键扭转方向的变化对各原子的电荷、键长和布居几乎没有影响,但扭转角度的改变发挥了关键性作用。随着Ti-O-Ti键夹角的增大,Cu的电荷量增加,Cu—O键键长增大,布居数减小,同时介电常数显著增大,表明Cu—O键刚性约束被打破后有助于CCTO光频介电常数的增加。研究揭示了TiO_(6)八面体的扭转对CCTO宏观介电性能的影响,为基于微结构调控优化CCTO的介电性能提供了新思路。

高介电陶瓷材料CaCu_3Ti_4O_(12)的研究现状及展望

CaCu3Ti4O12(以下简称CCTO)陶瓷是一种非铅基的、具有高介电常数且不随温度明显变化的新型高介电陶瓷材料。介绍了CCTO材料的研究现状,探讨了CCTO材料巨介电性来源,综述了CCTO材料制备工艺的研究以及CCTO材料的掺杂改性研究,并展望了今后的研究路线和思路。

SiO_2添加物对CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷的微观结构与介电性能的影响

采用传统固相反应法制备了不同SiO2掺量的CaCu3Ti4O12(CCTO)陶瓷材料,并研究了SiO2含量对CCTO陶瓷物相结构、微观形貌及介电性能的影响。结果表明:高温烧结时,SiO2不会与CCTO发生固相反应,而作为第二相物质存在于CCTO陶瓷的晶界,并对CCTO陶瓷的微观结构产生不同程度的影响。CCTO陶瓷的介电常数和介电损耗随SiO2含量的增多而相应减小。阻抗分析表明,CCTO陶瓷的晶粒电阻随SiO2的掺入略有改变,而晶界电阻则随SiO2的掺入而显著增大。分析认为,晶界电阻的增大是导致CCTO陶瓷介电损耗降低的主要原因。

CaCu_3Ti_4O_(12)高介电材料的研究进展

在介绍CaCu3Ti4O12材料体心立方类钙钛矿结构的基础上总结了CaCu3Ti4O12块材和薄膜的制备方法,综述了CaCu3Ti4O12材料在高介电性能、晶界阻挡层效应引起的非线性特性以及金属离子掺杂改性等方面的最新研究进展。

CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷的巨介电响应机理

针对CaCu3Ti4O12（CCTO）陶瓷的巨介电性起源存在较大争议的情况,以少量MnO2取代CCTO中CuO或TiO2、采用固相反应法烧结制备名义成分为CaCu3-xMnxTi4O12（x=0~0.3）和CaCu3Ti4-yMnyO12（y=0~0.1）的陶瓷。通过微结构和电性能的演变讨论CCTO陶瓷的巨介电响应机理。结果表明：加入少量MnO2后,所有陶瓷均为体心立方（BCC）类钙钛矿结构的CCTO单相;但是,CCTO陶瓷显微结构从异常长大的晶粒转变成均匀的细小晶粒;同时,CCTO陶瓷的电阻率从107-.cm显著提高到109-.cm;介电常数从104显著下降到102;介电损耗从10-1急剧降低到10-3;CCTO陶瓷的巨介电响应是由半导体化的晶界/亚晶界和相对绝缘的晶粒/亚晶粒组成的内部阻挡层电容器（IBLC）所致。在较低温度下（〈1 100℃）烧结获得高介电常数、低损耗和温度稳定的CCTO基陶瓷,找到一种降低CCTO陶瓷介电损耗的有效方法。

巨介电常数陶瓷CaCu3Ti4O12的研究进展

CaCu_3Ti_4O_(12)(CCTO)陶瓷具有高介电常数和高热稳定性,这使得CCTO可能在高密度信息储存、高介电电容器、大规模集成电路等领域获得广泛使用。系统地介绍了CCTO高介电常数起源的内禀机制和外禀机制,详细归纳了元素掺杂对CCTO介电特性的影响,阐述了巨介电常数与本征点缺陷的内在关联,肯定了晶粒电导赝极化理论,指出了CCTO巨介电常数陶瓷研究的重点在于:基于外禀机制的IBLC模型,通过晶胞掺杂或晶界掺杂改变晶粒或者晶界的电导,进而调控CCTO的介电损耗,使CCTO保持较高介电常数的前提下,在很宽的频率范围内使介电损耗正切值降低到0.1以下。

烧成工艺对CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷介电性能的影响

采用短时间烧结制备了CaCu3Ti4O12(CCTO)陶瓷,并详细研究了预烧温度、烧结温度等工艺对结构和性能的影响。研究了εr和tanδ随测试频率(20Hz～1MHz)、温度(25～150℃)的变化规律。结果表明:CCTO陶瓷的性能对烧成工艺非常敏感。较低的预烧温度较容易获得高εr(εr为11248)的CCTO陶瓷。

CaCu_3Ti_4O_(12)/聚偏氟乙烯复合材料的介电性能研究

采用溶液混合随后热压的方法制备了CaCu3Ti4O12/聚偏氟乙烯(CCTO/PVDF)复合材料。采用XRD对复合材料的物相结构进行了分析。研究了复合材料的介电常数与CCTO体积分数的关系。结果表明,在10kHz下,当CCTO含量等于50%(体积分数)时,复合材料的介电常数达到81。采用Maxwell-Garnett模型、Jaysundere模型和Yamada模型分别对实验结果进行了预测和比较,其中Yamada模型与实验结果符合得较好。

预烧温度对CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷结构和介电性能的影响

采用固相反应法在不同温度(950～1100℃)下预烧后烧结制备CaCu3Ti4O12(CCTD)陶瓷。对CCTO陶瓷进行物相分析,并测试了20Hz-1MHz频率范围和25～150℃温度区间的介电性能和阻抗谱,详细研究了预烧温度对CCTO陶瓷烧结性能、晶体结构和介电性能的影响。结果表明,较低的预烧温度有利于CCTO陶瓷的烧结,容易获得介电性能较好的CCTO陶瓷。950℃预烧后,于1120℃烧结的CCTD陶瓷室温1kHz频率下介电常数可达12444。

CaCu_3Ti_4O_(12)的制备及其对巨介电性能的影响

用传统的烧结法,经850-950℃预烧和1050-1090℃烧结,制备了CaCu3Ti4O12 巨介电常数陶瓷,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)分别对体系进行了结晶性能和形 貌测试,用阻抗分析仪对试样在50-300K温区范围内介电性能进行了测试.研究结果表明, CaCu3Ti4O12结晶完整性、晶界及缺陷对其巨介电常数的大小、出现低介电常数向高介电常数 转变时对应温度的高低有直接的影响.在950℃预烧和1090℃下烧结的样品要比880℃预烧 和1050℃下烧结样品出现极化子松弛时对应的温度下降约70K,介电常数相对提高约300％, 在较大的温区范围具有高的介电常数.材料的结晶越完整,由低到高介电常数的转变速度越 快.

粉体合成方法对CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷介电性能的影响

为了深入研究粉体合成方法对CaCu3Ti4O12(CCTO)陶瓷介电松弛机理以及缺陷结构的影响,对比了固相反应法和溶胶凝胶法合成CCTO陶瓷的介电性能,并且在此基础上引入了CCTO陶瓷的缺陷结构分析。采用固相反应法和溶胶凝胶法合成了CCTO粉体,在1 080℃下烧结4h制备了CCTO陶瓷样品。溶胶凝胶法合成陶瓷的平均晶粒尺寸是固相法合成陶瓷试样的5倍。J-E特性和介电性能分析表明,溶胶凝胶法合成陶瓷的击穿场强(170V/cm)远小于固相法合成陶瓷(4 980V/cm),且前者的介电损耗和介电常数均达到后者的20倍左右。结合介电损耗因子的曲线拟合结果和阻抗谱分析得到,溶胶凝胶法合成陶瓷的晶界电阻为0.272 MΩ,是固相法(1.03MΩ)的1/3,松弛峰强度是固相法的15倍;两种陶瓷样品的本征松弛峰活化能和晶粒活化能均接近,说明粉体合成方法能够影响CCTO陶瓷的晶界电阻和松弛峰强度,进而影响其宏观电性能,但是对陶瓷的本征松弛机理没有影响。

CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷深陷阱松弛特性研究

研究了固相反应法及共沉淀法制备的CaCu3Ti4O12陶瓷深陷阱松弛特性.测试了CaCu3Ti4O12陶瓷在频率为0.1～107Hz,温度为–100～100℃的范围内的介电频谱及温谱.通过对不同温度下介电频谱的分析,研究了双Schottky势垒结构中深陷阱松弛特性.研究表明:在交流小信号作用下,由于Schottky势垒中深陷阱与Fermi能级的上下关系发生变化,引起深陷阱电子发射和俘获即电子松弛过程,在介电频谱中表现为松弛峰;并且由介电谱的分析结果可得深陷阱能级等微观参数.比较不同试样的深陷阱参数可知:在CaCu3Ti4O12陶瓷中,在导带以下约0.52和0.12 eV的能级处存在由本征缺陷产生的深陷阱.介电温谱与频谱的分析类似,二者可以互为补充.

巨介电陶瓷CaCu_3Ti_4O_(12)/聚合物复合材料研究进展

介绍了具有巨介电常数的CaCu3Ti4O12陶瓷与聚合物形成复合材料的制备工艺,分析了复合材料介电性能的影响因素,展望了今后巨介电陶瓷CaCu3Ti4O12/聚合物复合材料的发展趋势。

烧结温度对富钛CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷电学性能的影响

采用固相反应法在不同烧结温度(1080～1160℃)下制备了CaCu3Ti4+xO12(x=0,0.01,0.03和0.05)陶瓷,研究了烧结温度对富钛陶瓷相结构和电学性能的影响。结果表明:1080～1140℃烧结的样品均为单一的CaCu3Ti4O12相。1120℃和1140℃烧结样品的相对密度相近,约95%,在50Hz～10MHz,介电频谱中均出现tanδ峰,且从1120℃的105Hz变化到1140℃的103Hz处。运用内部阻挡层电容模型和Maxwell-Wagner模型可以解释该现象。

CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷显微结构及介电性能

采用固相法制备CaCu3Ti4O12陶瓷,并对其烧结温度、晶相结构、致密化过程、显微结构及介电性能与频率的关系进行了研究。研究发现,不同烧结温度下,1000℃制备的CaCu3Ti4O12陶瓷为立方钙钛矿结构且结晶完好,晶格常数为7.394?。CaCu3Ti4O12陶瓷具有良好的显微形貌,结构致密,平均晶粒尺寸在3-5μm。CaCu3Ti4O12陶瓷在10kHz处的介电常量高达7200,介电损耗约为0.06。

CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷的制备及性能

用草酸共沉淀法在700℃保温1h制备出了单相CaCu3Ti4O12粉体．经1000℃热处理2h得到致密的CaCu3Ti4O12陶瓷．与传统的固相反应相比，该方法具有反应时间短与温度低的特征．用差热和热重法分析了沉淀前驱物的分解过程，用X射线衍射和扫描电子显微镜进行了物相分析并观察了样品的表面形貌，并用精密阻抗分析仪对样品进行电学性质测量．结果表明，该陶瓷有着稳定的介电性质，在10^3～10^6Hz的频率范围内，相对介电常数约为10^4，介电损耗小于0．35．

尖晶石型CuAl_2O_4掺杂对CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷介电性能的影响

研究了尖晶石型Cu Al2O4掺杂对Ca Cu3Ti4O12陶瓷显微结构、介电性能以及松弛特征和缺陷结构的影响。在频率为10-1～107 Hz、温度为153～453 K的条件下测量了样品的介电性能。研究表明,适量添加Cu Al2O4,使样品晶粒尺寸减小并趋于均匀,击穿场强从Ca Cu3Ti4O12陶瓷样品的3.0 k V/cm提高到13.0 k V/cm,低频介电损耗减小。介电松弛中的高频松弛过程起源于晶粒本征缺陷的电子松弛过程,其活化能～0.10 e V基本不变;随着Cu Al2O4含量增加,与界面相关的松弛活化能从0.50 e V减小到0.22 e V,可能与Cu Al2O4在样品中引入杂质及更复杂的界面有关;电导活化能从0.66 e V增至0.86 e V,归因于Cu Al2O4第二相抑制了晶界处的载流子跳跃,提高了Schottky势垒高度。Cu Al2O4掺杂量大于100mol%,过量Cu Al2O4会导致样品晶界势垒崩塌,样品失去非欧姆特性和巨介电性能。

BiFeO_3掺杂对CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷结构和介电性能的影响

采用固相反应法制备了BiFeO3掺杂的CaCu3Ti4O12(CCTO)陶瓷,研究了BiFeO3掺杂量对CCTO陶瓷的烧结性能、晶体结构和介电性能的影响。结果表明,BiFeO3掺杂改善了CCTO陶瓷的烧结性能。随BiFeO3掺杂量的增加,CCTO陶瓷的晶格常数和εr均先增大而后减小;而tanδ先几乎不变而后增大。当x(BiFeO3)为0.5%,1040℃烧结的CCTO陶瓷样品在1kHz时具有巨介电常数(εr=14559)和较低的介质损耗(tanδ=0.12)。

烧结温度对CaCu_3Ti_4O_(12)巨介电性能的影响研究

制备CaCu3Ti4O12陶瓷,在50 K^300 K温区范围内测试试样介电性能。研究结果表明,CaCu3Ti4O12结晶完整性、晶界及缺陷对其巨介电常数的大小、出现低介电常数向高介电常数转变时对应温度的高低以及对极化粒子的温度活化响应弥散程度有直接的影响。随晶界和缺陷的下降,极化粒子受缺陷相互作用相应减弱,产生松弛时需要克服的势垒下降,对应的产生松弛的温度随之降低。材料的结晶越完整,极化粒子的温度活化响应弥散现象越小,由低到高介电常数的转变速度越快。

CaCu_3Ti_4O_(12)的驰豫特性

利用固态反应办法制备了CaCu_3Ti_4O_(12)(CCTO)陶瓷样品;从德拜弛豫理论出发,通过介电温度谱得到弛豫时间温度谱,计算了样品的弛豫激活能H。结果表明激活能与频率无关,而弛豫时间因子τ0则与频率有关,显示出样品的弛豫特性并非来源于激活能H,而是来源于弛豫时间因子τ0的分布。