钛酸锶晶界层电容器陶瓷的烧结性能与介电性能研究

随着电子元器件向微小型化发展，对钛酸锶（SrTiO3）晶界层陶瓷电容器（boundarylayerceramiccapacitors,BLCC）的电学性能提出了更高的要求，希望能在提高介电常数的同时保持低损耗值，且介电性能的温度和频率稳定性好。材料的电学性能与其显微结构和缺陷密切相关，具有“大晶粒、薄晶界”的BLCC往往具有巨介电常数的特点，具有高晶界势垒和适当浓度缺陷的BLCC其损耗通常较低且介电性能的稳定性较好。　　本文首先通过熔盐法制备尺寸和形貌可控的SrTiO3粉体，研究了熔盐反应的反应过程并分析熔盐种类对合成的SrTiO3粉体尺寸和形貌的影响。结果表明，整个反应涉及固相反应和熔盐反应，有微量的熔盐离子取代产物SrTiO3中的Sr位，且Na+的取代量远大于K+。以NaCl为熔盐合成的SrTiO3倾向于形成立方形形状，随着熔盐中KCl含量的增加，SrTiO3晶体的高指数面比例逐渐增多。　　再利用熔盐法合成的SrTiO3粉体制备陶瓷片，研究SrTiO3陶瓷的烧结热动力学过程，探究组分和气氛对SrTiO3陶瓷烧结性能的影响。结果显示，温度和气氛是影响烧结过程晶粒生长速率的重要因素，在本实验条件下，温度越高或烧结气氛中氧分压越大，SrTiO3陶瓷的晶粒生长速率常数越大。空气气氛中，所有样品在1360℃以下晶粒生长服从阿伦乌尼斯规律，本实验中0.005molNb/0.005molLa共掺样品的晶粒生长速率常数远高于其它掺杂水平；未掺和Nb掺杂样品在1460℃呈现典型的液相烧结并伴有异常长大现象，而La掺杂能抑制高温液相产生，使得晶粒生长相对困难且晶粒尺寸相对均匀分布。　　最后将烧结得到的具有大晶粒、高致密度的陶瓷片置于还原气氛中进行半导化处理，而后渗Bi氧化，制备出晶粒半导而晶界绝缘的SrTiO3BLCC。除了对样品进行物相组成、显微结构、元素分布、元素价态及缺陷分析外，也测试分析了其势垒高度、介电常数、介电损耗和电阻率等电学性能。结果表明，制备的SrTiO3BLCC具有较为致密的显微结构，Bi沿着晶界渗透并有部分取代Sr形成钛锶铋第二相；与未掺杂样品相比，施主掺杂样品的晶界势垒和介电常数更高、介电损耗更低、介电性能的温度和频率稳定性更好，这是由于施主掺杂样品中存在适当含量的带相反电荷的缺陷偶极子和缺陷簇；施主掺杂对晶粒电导的影响小，但会降低晶界电导活化能，从而降低晶界电阻。