材料物理专业课程设计之巨介电材料CCTO介电性能的表征

材料物理专业课程设计巨介电材料CCTO的介电性能的表征

1 绪论 (1)

1．1结构研究 (3)

1．1．1 晶格结构 (3)

1．2电介质材料及其性质 (4)

1．2．1介电材料的定义及基本性质 (4)

1．2．2电介质陶瓷的一般特性 (5)

1．3 本论文的主要研究内容 (8)

2 CaCu3Ti4O12介电性能的测试及其表征 (9)

2.1实验准备 (9)

2．2测试 (9)

2．3数据输出 (9)

2．4数据分析 (10)

3 参考文献 (13)

4 总结心得 (14)

1 绪论

在电子工业技术进步中，小型化是持续不断的追求目标。现代电子装置需要介电损耗小，相对介电常数高，温度特性优的小型化、大容量电容器。具有高介电常数的氧化物介电材料，可对电容器元器件的尺寸减小起到关键的作用。目前在这方面的研究主要集中在三个方向： l、薄型化高介电常数电容器； 2、多层结构电容器； 3、内边界层结构高介电常数电容器。

虽然目前相对介电常数高于10000的薄型化电容器已经研制成功，但由于其存在针孔缺陷及机械强度等不足，电容器不可能太薄，小型化受到了一定的限制。多层结构和内边界层高介电常数陶瓷材料己被证明可以解决电容器的薄型化大容量问题。

高介电常数(电容率)材料目前主要是指具有钙钛矿相结构的钛酸钡系和钛酸铅系材料，其介电常数通常高于1000。钛酸钡系和钛酸铅系介电材料的高介电常数主要来源于铁电材料晶体结构和非线性的介电现象。1943年～1945年，日本、美国、苏联几乎同时发现了钛酸钡。纯BaTi03陶瓷的介电常数在常温时为1600，居里温度(120℃附近)时为10000。但其介电损耗、介电常数的温度系数随电压的变化较大，作为电容器材料时会显示出不良的性质。在随后的几个年代，国内外专家学者对钛酸钡系和钛酸铅系高介电材料进行了深入的研究，取得了可喜的进展，并使得该材料广泛应用于制造电容器、探测器、存储器等各种电子器件，推动了电子工业的快速发展。然而，由于铁电晶体在居里温度处将发生铁电一顺电相变，使材料的介电常数强烈地受到温度的影响，导致器件的不稳定性。这种不足是

由于材料的本征特性所决定，是无法通过材料改性，优化工艺所能解决的。因此，开发出新型、宽温度稳定型的高介电材料成为当代材料研究人员亟待解决的课题。

2000年，Subramanian等人首次报道了一种具有巨介电常数的

CaCu3Ti4O12 (以下简称CCTO)材料，这种材料具有高达104的相对介电常数，而单晶样品的相对介电常数值甚至可达105，并且在100～600 K之间相对介电常数值基本不随温度变化．CCTO的这种性质显示其有可能作为介质阻挡放电(Dielectric BarrierDischarge：DBD)中很好的电介质材料，而介质阻挡放电可以在大气压下产生低温等离子体，特别适合于低温等离子体的工业化应用口．在影响介质阻挡放电因素中，介电常数大的电介质比介电常数小的电介质的起始放电电压低卧]．在此基础上，将CCTO制备成多孔体的陶瓷，不仅具备有超高的介电常数，而且在放电的过程中，多孔陶瓷的微孔附近产生的局部电晕放电可以显著提高附近离子和电子动能，还为气体分子及自由基提供了更多的反应场所．因此，以CCTO多孔体陶瓷作为介质放电材料，更有利放电的产生．

另外，CaCu3Ti4O12 (CCTO)具有反常的巨介电常数(ε≈104—105)和极低的损耗（tgδ≈0．03)，特别是在很宽的温区范围内(100一400 K)介电常数值几乎不变，反映了介电响应的高热稳定性。这些良好的综合性能，使其有可能成为在高密度能量存储、薄膜器件(如MEMs、GB—DRAM)、高介电电容器等一系列高新技术领域中获得广泛的应用。可是，该类材料最大的反常还在于冷却到100 K以下介电常数发生急剧下降(ε≈100)，x射线衍射(xRD)、拉曼散射和中子衍射分析表明即使冷却到35 K也没有观察到任何长程结构上的相变。xRD分析表明该特性有悖于基于铁电性局域极矩合作有序化所作的解释。以上这些特性至今也没有令人信服的解释。所以搞清这类材料的巨介电特性、高的热稳定性以及在100 K以下的反常下降

的机理具有重要的理论和实用意义。1．1结构研究

1．1．1 晶格结构

下图1为是CCTO化合物的结构示意图。该化合物具有 AA'

3M

4

X

12

立方钙钛

矿结构，属于Im3空间群，常温下的晶格常数为0.7391nm。Ca2+处于钙钛矿结构的A位，立方体的顶点及中心位置，配位数为12；Cu2+处于立方体的

棱心和面心位置它与同平面的四个O2-键合；Ti4+与O2-组成TiO

6

八面体，一

个原胞中有八个共顶点连接的倾斜的TiO

6

八面体。在单胞中各原子的坐标为：Ca（0 0 0）；Cu（0 ½½）；Ti（¼¼¼）；O（0.3038 0.1797 0）；Ti原子处于氧八面体的中心，cu原子通过4个键与O原子相连，而Ca与O没

有形成化学键。TiO

6

八面体是斜置的，

图 1

Ti-O-Ti角度是14l o，Ca2+产生了一个四方。Submmanian测得CCTO晶格常数约为O．739nm。其XRD谱（X射线衍射谱）如图2。

图 2

1．2电介质材料及其性质

1．2．1介电材料的定义及基本性质

电介质(dielectrics)是在电场作用下，没有稳定传导电流通过的物质的统称。其特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作用，但其中起主要作用的是束缚电荷。电介质的分布极广，可以是气态、液态或固态，也可以是晶态、非晶态。通常的绝缘体都是典型的电介质，如空气、玻璃、云母等。但是也并非所有的电介质都是绝缘体，