钛酸锶钡/氧化镁铁电移相材料掺杂改性研究

摘要

近年来，钛酸锶钡Ba1-xSrxTiO3(简称BSTO)材料由于具有相对较高的介电常数可调性和较低的低频介电损耗等优点使其成为铁电移相器材料的最佳候选材料。但是目前对于直流偏压下BSTO材料介电常数可调性机理的研究不是十分透彻，而且BSTO材料本身存在着微波介电损耗较大，介电常数可调性随介电常数的降低而降低，以至介电常数和可调性难以同时满足移相器要求等缺陷，这些都限制了BSTO材料在移相器器件方面的实际应用。
　　 本论文针对目前移相器用BSTO基铁电陶瓷性能上存在的不足进行掺杂改性研究。首先通过在钛酸锶钡Ba0.55Sr0.45TiO3中添加MgO，制备出介电常数适中的BSTO/MgO复相陶瓷，并考察复相陶瓷相组成、显微结构和性能之间的关系，讨论了偏置电场下复相陶瓷的介电常数可调性机理和介电损耗的变化规律。接着从实际应用的角度，对BSTO/MgO复相陶瓷性能进行改善，研究了稀土氧化物、金属氧化物和MnCO3的掺杂对复相陶瓷低频介电常数、介电损耗、可调性及微波介电性能的影响。
　　 利用XRD和SEM分析复相陶瓷的相组成和显微结构，结果表明在掺杂不同物质的BSTO/MgO复相陶瓷中，主要晶相为BSTO和MgO，无第三相存在，晶粒结构致密。
　　 研究结果表明，对于BSTO/MgO复相陶瓷，顺电相下介电常数的可调性可由Devonshire的宏观相变理论来解释，在直流偏置电场作用下介电常数之所以会降低，是由于钛氧八面体中Ti4+之间的非谐性相互作用引起的。除了Ti4+之间的非谐性相互作用对BSTO体系的可调性有影响外，复相陶瓷的晶粒尺寸及居里温度的大小对可调性也有贡献。晶粒尺寸越大，晶粒内应力越小，可调性越大；居里温度越低，介电常数越小，可调性越小。
　　 La2O3的掺杂可以明显降低BSTO/MgO复相陶瓷的微波损耗。当掺杂2.0wt％La2O3时，5.1GHz下介电损耗为1.0×10-3，可调性为2.3％，介电常数为62.3。
　　 在BSTO/MgO复相陶瓷中掺杂MnCO3能显著提高可调性，降低微波介电损耗。当掺杂0.5wt％MnCO3时，可调性为7.4％，4.2GHz下的介电损耗为2.9×10-3，介电常数为94.5。
　　 与MnCO3掺杂BSTO/MgO复相陶瓷相比，ZrO2掺杂具有更大的可调性和微波介电损耗。当掺杂1.5wt％ZrO2时，可调性为8.2％，3.8GHz下的介电损耗为3.1×10-3，介电常数为94.4。