钙钛矿型Ca0.5Re0.5MnO3/BaTiO3的制备及其结构与电性能分析

摘要

为了提高陶瓷粉导电胶的综合性能,实现其在电子封装领域的应用,设计合成具有特定形貌的复合导电陶瓷粉体具有重要意义。本论文在溶胶凝胶自蔓延法合成钙钛矿型Ca0.5Re0.5MnO3和水热法合成BaTiO3的基础上,探讨了核壳型Ca0.5Re0.5MnO3/BaTiO3复合粉体的合成方法。
　　对所制备Ca0.5Re0.5MnO3粉体的电性能、组成结构与形貌特征进行了研究。Ca0.5Re0.5MnO3粉体(Re=La,Pr,Sm,Gd与Er)的室温电阻率随着稀土元素原子序数的增大,呈现出明显的W型波动变化趋势;而随着煅烧温度的提高,则呈现出明显的V型变化规律。经1100℃煅烧合成的Ca0.5Pr0.5MnO3粉体的室温电阻率最低,为5.78Ω·m。而经过900℃煅烧合成的Ca0.5Sm0.5MnO3粉体室温电阻率是煅烧温度变化中的极小值点,稀土元素变化中的极大值点,即为二元因变量关系中的鞍点。对Ca0.5Re0.5MnO3粉体变温电阻率的分析表明,稀土元素对粉体阻温响应特征与导电机理影响较大。Ca0.5La0.5MnO3与Ca0.5Er0.5MnO3粉体符合热激活导电机制,而Ca0.5Sm0.5MnO3粉体的高温导电机理更符合小极子跃迁机制。室温电阻率变化规律中鞍点对应的Ca0.5Sm0.5MnO3粉体的电导活化能最大。对Ca0.5Re0.5MnO3粉体的XRD与SEM分析表明,稀土元素与煅烧温度对粉体晶胞参数的影响与其对室温电阻率的影响存在相对应的关系,并且稀土元素的类型对改性粉体的颗粒形态,粒径大小与聚集状态均有比较明显的影响。而煅烧温度的提高主要促进粉体晶粒尺寸的增大,并有利于粉体形貌向球形状态转变。
　　基于密度泛函理论赝势平面波算法的第一性原理研究表明,未改性CaMnO3体系的单点能为-11874.743eV,带隙宽度为0.6eV;替换Ca4Mn4O12晶胞内相距较远的两个Ca原子的掺杂方式(L1型Ca0.5La0.5MnO3)对晶体结构的影响较大,其单点能升高为-11599.656eV,但带隙宽度减小至0.4eV;而替换晶胞内相距较近的两个Ca原子的掺杂方式(L2型Ca0.5La0.5MnO3)对晶体结构的影响较小,体系单点能与带隙宽度均小于L1型,为-11599.815eV与0.37eV,计算表明L2型Ca0.5La0.5MnO3体系更稳定且符合实验事实。同时,电荷密度计算表明,掺杂体系中La3+与其他离子间的化学键有明显的共价键转变趋势;态密度计算分析表明,近费米能级附近的能带主要由Mn的3d电子构成,掺杂体系带隙宽度减小是由于掺杂导致导带底部产生附加能级。
　　通过对一维结构钛酸盐在低浓度矿化剂的水热条件下处理,能够在保持形貌特征的情况下合成纳米BaTiO3纤维。提高矿化剂浓度可使BaTiO3晶体由立方相向四方相转变,并促使纤维态相貌向球形粉体转化。以TiO2粉体为钛源前驱体时,升高水热反应温度与增加矿化剂浓度均可使BaTiO3晶体结构由立方相向四方相转变并促进晶粒尺寸的提高。以钛酸四丁酯为钛源前驱体时,增加矿化剂浓度对BaTiO3晶体结构影响不大,但促使晶粒尺寸减小与粉体向均一且分散均匀的球形形貌转变。采用溶剂挥发诱导前驱体自组装与水热合成能够获得具有核壳结构的Ca0.5Re0.5MnO3/BaTiO3复合粉体,包覆前后粉体的形貌特征基本保持不变,只是粒径有所增大。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 填充型导电胶的研究现状

1.3 钙钛矿型锰氧化物的晶体结构与研究进展

1.4 钛酸钡粉体的水热合成方法与反应机理

1.5 核壳结构复合材料简介

1.6 本课题主要研究内容

第2章 实验过程与研究方法

2.1实验试剂与仪器

2.2 稀土改性CaMnO3粉体的制备

2.3 基于水热条件的BaTiO3及CaMnO3/BaTiO3复合粉体的合成

2.4 结构与性能测试

第3章 稀土改性Ca0.5Re0.5MnO3粉体的结构与电性能

3.1 稀土改性Ca0.5Re0.5MnO3粉体的室温电阻率分析

3.2 稀土改性Ca0.5Re0.5MnO3粉体的阻温特性分析

3.3 稀土改性Ca0.5Re0.5MnO3粉体的XRD分析

3.4 稀土改性CaMnO3粉体的SEM表征

3.5 本章小结

第4章 稀土改性CaMnO3第一性原理研究

4.1 前言

4.2 钙钛矿型CaMnO3粉体XRD实验数据的Rietveld精修

4.4 L1型稀土改性Ca0.5La0.5MnO3的第一性原理研究

4.5 L2型Ca0.5La0.5MnO3的第一性原理研究

4.6 本章小结

第5章 水热法BaTiO3及CaMnO3/BaTiO3复合粉体的合成初探

5.1 基于钛酸盐离子交换性的BaTiO3纳米纤维的水热合成

5.2 直接法BaTiO3纳米粉体的水热合成

5.3 水热法CaMnO3/BaTiO3复合粉体合成初探

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致 谢