鈦酸鍶鋇陶瓷材料的摻雜改性

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1、鈦酸總頓陶瓷材料的摻雜改性摘要鈦酸總頓(BST)是一種重要的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料。順電態(tài)下，其介電損耗較小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此對(duì)順電態(tài)下的BST進(jìn)行摻雜改性是近年來(lái)鐵電材料的研究熱點(diǎn)Z-o本文簡(jiǎn)耍介紹了冃前國(guó)內(nèi)外科研工作者利用稀土、堿土氧化物進(jìn)行摻雜時(shí)對(duì)BST的微觀結(jié)構(gòu)、介電損耗、介電常數(shù)以及可調(diào)率方面的影響。關(guān)鍵詞凝聚態(tài)物理，鐵電材料，鈦酸W，摻雜改性，介電性能1引言近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)微波鐵電材料具有較高的可調(diào)諧性，其電性能滿足適中的介電常數(shù)、低介電損耗、高調(diào)諧率等條件。目前，這方面的熱點(diǎn)研究材料之一是鈦酸鋰頓(Bal-xSrxTiO3-BST)。

2、鈦酸總頓(BST)材料以其高的介電常數(shù)、低的介電損耗、大的調(diào)諧率、快的反應(yīng)速度、好的抗擊穿能力、簡(jiǎn)單的制造工藝，受到了廣泛的歡迎。其在微波電子領(lǐng)域如相控陣天線或雷達(dá)的移相器［1?2］、新穎微波調(diào)諧器件、延遲線、混合器、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器［3?4］、鐵電存儲(chǔ)器上都有重要的應(yīng)用。在微波應(yīng)用中，通過(guò)材料的設(shè)計(jì)［5］,其介電常數(shù)可以被調(diào)節(jié)在100-350范圍內(nèi)，強(qiáng)電場(chǎng)調(diào)諧率可以達(dá)到70%,擊穿電場(chǎng)〉2X104V/mmo不僅如此，BST鐵電薄膜材料還有開(kāi)關(guān)速度快、功率容量大、溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)功率低、電容電壓可控等優(yōu)點(diǎn)［6］。目前，與鈦酸總頓基體陶瓷相

3、關(guān)的工作在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展［7］。美國(guó)在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始研究鐵電材料的微波性能。美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室(USArmyElectronicsLaboratories)于1964年完成了微波鐵電移相器和開(kāi)關(guān)(microwaveferroelectriephaseshiftersandswitches)的研究報(bào)告［8］,由于當(dāng)時(shí)鐵電材料的微波介質(zhì)損耗大，沒(méi)有研制出可供使用的鐵電移相器。在20世紀(jì)90年代，由于工藝條件的改善和對(duì)鐵電材料認(rèn)識(shí)的深入，人們重新掀起了對(duì)鐵電材料研究的高潮。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(USArmyResearchLaboratory)

4、系統(tǒng)地研究了摻雜對(duì)BST介電性能的影響，發(fā)現(xiàn)摻入非鐵電氧化物(如Zr02.B1203等)可有效降低微波介質(zhì)損耗，并能保持較高調(diào)諧率值。美國(guó)國(guó)防預(yù)研局于1998年啟動(dòng)了“頻率敏捷電子材料”(FrequencyAgileMaterialsforElectronics,FAME)計(jì)劃，其目的是開(kāi)發(fā)高性能微波調(diào)諧材料。目前，其計(jì)劃研究出的微波鐵電薄膜材料已經(jīng)得到了應(yīng)用［10］,比如，美國(guó)的Paratek微波公司采用BST鐵電薄膜材料，生產(chǎn)出了電調(diào)諧微波器件(調(diào)諧微波器、雙工器和壓控振蕩器)、動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(DRWIN)天線及衛(wèi)星天線，其中DRWIN天線和

5、衛(wèi)星天線分別應(yīng)用在無(wú)線通信系統(tǒng)和中低地球軌道(LEO/MEO)衛(wèi)星系統(tǒng)中［11］。另外，微波鐵電材料的研究已經(jīng)引起世界范圍的重視，俄羅斯、德國(guó)、英國(guó)和瑞士等國(guó)也正在積極開(kāi)展這方面的研究工作。可以預(yù)計(jì)，鐵電移相器、鐵電濾波器等微波器件將得到更廣泛的應(yīng)用。我國(guó)在鐵電材料的改性研究方面起步較晚，目前，中國(guó)科學(xué)院、華東電子工程研究所、華中科技大學(xué)、成都電子科技大學(xué)、天津大學(xué)、東南大學(xué)等單位都對(duì)鐵電移相器展開(kāi)了積極探索，有了一些鈦酸總鍥制備、介電性能測(cè)試和介質(zhì)阻抗匹配方面的報(bào)道。比如華中科技大學(xué)嘗試用BST研制微波震蕩器；成都電子科技大學(xué)用La2()3摻雜BST

6、,試圖提高在微波頻率下的調(diào)諧率；哈爾濱工業(yè)大學(xué)嘗試用B203摻雜BST降低燒結(jié)溫度，提高致密度，并用BST的梯度化控制介電常數(shù)，降低損耗。由此可見(jiàn)，對(duì)順電態(tài)下的BST可調(diào)諧材料的研究，對(duì)鐵電移相器、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM).雷達(dá)通訊系統(tǒng)等都有著重大意義。2鈦酸總頓(BST)鐵電材料的基本結(jié)構(gòu)和介電性能鈦酸總鎖(BST)是鈦酸鎖(BaTiO3)和鈦酸總(SrTiO3)的固溶體,是一種具有典型的AB03鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)可以看成是由氧八面體在相互垂直的三個(gè)方向上以頂角相互連接的形式形成的空間網(wǎng)絡(luò)。低電價(jià)、大半徑的Ba2+、Sr2+占據(jù)氧八面

7、體的面心(A位)，配位數(shù)為12；高電價(jià)、小半徑的Ti4+占據(jù)氧八面體的中央(B位)，配位數(shù)為6o高溫下，離子熱運(yùn)動(dòng)的能量比較高，B位離子平均來(lái)說(shuō)處在氧八面體的中心，晶體屬于n)3n)點(diǎn)群，沒(méi)有自發(fā)極化，為非極性的順電態(tài)。隨著溫度下降，平均熱運(yùn)動(dòng)能量減少，B位離子熱運(yùn)動(dòng)減弱，不能夠再維持在氧八面體屮心的平衡位置，而是向位于相互垂直的三個(gè)晶軸方向上的六個(gè)氧離子中的某一個(gè)偏移。高電價(jià)的離子偏離中心位置會(huì)形成很強(qiáng)的偶極矩，而相鄰晶胞之間的相互耦合，使得所有晶胞中的B位離子均向同一方向偏移,直到晶胞之間的耦合被缺陷中止。這樣，材料的正負(fù)電荷中心發(fā)牛偏移，出現(xiàn)電偶

8、極矩和自發(fā)極化。本征BST的性能隨著B(niǎo)a/Sr比例的不同而變化［12］,通常隨著總含量的增加，