掺杂Y_2O_3对钛酸锶钡铁电陶瓷材料显微结构和介电性能的影响

作者:许春来;周和平 刊名:功能材料 上传者:宋娜

【摘要】钛酸锶钡(BSTO)铁电陶瓷材料的介电常数随外加直流电场的变化呈现非线性特性。纯BSTO材料由于较高的介电常数和较大的介电损耗不能满足移相器介质材料的要求。通过在BSTO中添加Y2O3来改善BSTO铁电陶瓷材料的介电性能。研究结果是:(1)在BSTO体系中微量掺杂Y2O3,Y3+以取代Ba2+的方式存在于钙钛矿的晶格中,形成均匀的固溶体Ba0.5-xYxSr0.5TiO3;(2)随Y3+添加量的增加,居里峰逐渐变宽,峰高逐渐降低,相变弥散效应增强;(3)Y3+的掺杂能促进BSTO陶瓷的致密化烧结,并显著降低BSTO陶瓷的介电常数。

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功   能   材   料 掺杂 Y2O3 对钛酸锶钡铁电陶瓷材料 显微结构和介电性能的影响3许春来1 ,2 ,周和平1 (1. 清华大学 材料科学与工程系 ,北京 100084 ;2. 福建晋江高科技园区博士后科研工作站 ,福建 晋江 362200) 摘  要 :  钛酸锶钡(BSTO)铁电陶瓷材料的介电常数随外加直流电场的变化呈现非线性特性。纯 BSTO 材料由于较高的介电常数和较大的介电损耗不能满足移相器介质材料的要求。通过在 BSTO 中添加 Y2 O3 来改善 BSTO 铁电陶瓷材料的介电性能。研究结果是 : (1)在 BSTO 体系中微量掺杂 Y2 O3 , Y3 + 以取代 Ba2 + 的方式存在于钙钛矿的晶格中 ,形成均匀的固溶体Ba0. 5 - x Yx Sr0. 5 TiO3 ; (2) 随 Y3 + 添加量的增加 ,居里峰逐渐变宽 ,峰高逐渐降低 ,相变弥散效应增强 ; (3) Y3 + 的掺杂能促进 BSTO 陶瓷的致密化烧结 ,并显著降低 BSTO 陶瓷的介电常数。 关键词 :  钛酸锶钡 ;铁电材料 ;介电性能 ;移相器中图分类号 :  TB32 文献标识码 :A 文章编号 :100129731(2007) 122090203 1  引  言 钛酸锶钡 (Bax Sr1 - x TiO3 ) (BSTO) 是钛酸钡 (Ba2TiO3 )与钛酸锶(Sr TiO3 ) 形成的仍为钙钛矿型结构的 连续固溶体。钛酸锶钡具有优异的介电性能[1] :方便调节的介电常数(介电常数―电场强的依赖性) 、低的介电损耗 (高频及低频下) ,高击穿场强 (一般 > 2 × 106 V/ cm) 、很快的极化响应速度和较高的电容温度稳定性等。随着连续固溶体中 Sr TiO3 含量的变化 , Bax Sr1 - x TiO3 (BSTO) 的居里温度和介电常数可以在Ba/ Sr 摩尔比为 0~1 的范围内连续调节 ,这在电子元件的应用领域里具有重要的意义。 目前 ,钛酸锶钡铁电陶瓷材料正在诸如陶瓷电容器、相控阵天线的移相器、多功能半导体元件、高性能敏感元件(热敏、压敏、湿敏、气敏陶瓷材料) 、铁电记忆材料、热释电红外探测器、传输线和无线通讯等领域得到关注和应用。 为了满足不同应用领域的需要 ,人们对钛酸锶钡体系的粉体制备、成型工艺、烧结工艺及掺杂改性等方面进行了大量的研究。在应用于相控阵天线的电光移相器的电介质材料的研究中 ,合适的介电常数、低的介质损耗和较高的介电常数的电场可调性(即在电场作用下 ,材料的复介电常数的实部改变量) 是研究人员追 求的目标[2] 。由于纯钛酸锶钡(Bax Sr1 - x TiO3 ) 材料很高的介电常数(ε> 2000) 无法满足移相器介质材料的要求 ,研究人员尝试向 BSTO 体系中加入金属氧化物或其衍生物以改善系统的各方面性能[3] 。本实验主要研究 Y2 O3 对 BSTO 陶瓷的显微结构和介电性能的影响。 2  实验方法 2. 1  BSTO 的掺杂改性 采用BaCO3 、 SrCO3 和 TiO2 按 1 ∶ 1 ∶ 1 的摩尔比 通过固相反应合成 BSTO5050 (Ba0. 5 Sr0. 5 TiO3 ) 粉体 , 将粉体球磨干燥后在 1200 ℃预烧 2h。煅烧后的 BS2TO5050 粉体经研磨后 ,按照 Ba0. 5 - x Yx Sr0. 5 TiO3 的化 学组成分别加入取代值 x = 0、 0. 007、 0. 010、 0. 015、 0. 020、 0. 025 和 0. 030 的

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