半导体(压电陶瓷)

压电陶瓷
材料在我们的生活中随处可见的物质，材料的发展深深的影响着人们的生活质量，同时也是我们人类社会进步和文明的重要标志。

随着社会的进步和发展，电子陶瓷材料在信息技术中占有非常重要的作用，常常被用来制作一些重要的电子元器件如：传感器、电容器、超声换能器。

因此，高性能的电子陶瓷材料是信息技术发展和研究的重要方向。

压电陶瓷是一种具有压电性能的多晶体,是信息功能陶瓷的重要组成部分。

其具有机电耦合系数高(压电振子在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能的效率)、价格便宜、易于批量生产等优点,已被广泛应用于社会生产的各个领域,尤其是在超声领域及电子科学技术领域中,压电陶瓷材料已逐渐处于绝对的支配地位,如医学及工业超声检测、水声探测、压电换能器、超声马达、显示器件、电控多色滤波器等。

1.压电陶瓷性能
1.1压电性
压电陶瓷最大的特性是具有正压电性和逆压电性。

正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化,从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。

反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心不但发生相对位移而被极化,同时由于此位移而导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。

1.2介电性能
材料在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数（ε r ）和介质损耗（tanδ）来表示。

当在两平板之间插入一种介质（材料）时，电容C将增加，此时电容 C与
真空介质时该电容器的电容量 C
0的比即为相对介电常数k：k＝C/C
＝ (εA/d)/
（ε
0A/d）＝ε/ε
（ε
—真空介电常数：8.854×10－12F/m）
当一个正弦交变电场V＝V
expiωt施加于一介电体上时，电荷随时间而变化而产生了电流Ic， Ic在无损耗时比 V 超前90°。

但实际是有损耗的。

有损耗时，总电流超前电压不再是90°而是90°-δ。

δ由损耗引起故称损耗角。

电介质中电压损耗与电流矢量
损耗来自两方面：
①有一些带电质点在外场作用移动而引起漏导。

②与偶极子转动和振动相关的能量损耗。

I1／Ic＝tanδ
损耗角的正切值正好是损耗电流与无损耗电流相比的结果，所以反映了材料的损耗与电荷储存能力的关系，或者反映了为储存一定量的电荷所需消耗的能量，称为介电损耗系数（因子/因数）
介质损耗因子的作用
在绝缘设计时，须注意绝缘材料的tanδ。

tanδ过大会引起发热，使绝缘加速老化，甚至可能导致热击穿。

测tanδ可判断电气设备劣化的进程，故tanδ的测量是电气设备绝缘试验中的一个基本项目。

研究温度对tanδ的影响，可使工作温度下tanδ值最小。

极化损耗随频率升高而增大，当电源中出现高次（如3次、5次）谐波时，就很容易造成电容器绝缘材料因过热而击穿。

2.压电陶瓷分类
按是否含铅分类分为：含铅压电陶瓷和无铅压电陶瓷，含铅压电陶瓷主要是锆钛酸铅(简称为 PZT) 压电陶瓷，无铅压电陶瓷主要有钨青铜系、铋层状结构系和钙钛矿系。

2.1 BaTiO3基无铅压电陶瓷
钛酸钡基钙钛矿材料有很高的介电常数，低的介电损耗和优良的铁电性能、压电性能而被广泛研究用于制造陶瓷电容器等器件。

但纯的钛酸钡陶瓷材料存在相变，在相变点附件介电常数波动大，严重影响钛酸钡在工艺中的应用，因此采用合适方法来改善钛酸钡的性能是研究的重点。

主要利用掺杂改性思想，通过传统两步固相烧结法来制备陶瓷样品
近五十多年来，因为钛酸钡基钙钛矿材料拥有很高的介电常数，低的介电损耗和优良的铁电性能、压电性能而被广泛的研究用于制造陶瓷电容器等器件。

但纯的钛酸钡陶瓷材料在-90℃、0℃、130℃，存在着相变，在相变点附近钛酸钡陶瓷材料的介电常数波动很大，严重的限制了钛酸钡在工业中的应用。

因此，采用合适的方法来改善钛酸钡的性能，使钛酸钡拥有稳定的温度系数并且能够保证其他性能的优良性是人们研究的重点。

表示，钛酸钡属于一种典型的钙钛矿结构，钙钛矿的结构通式可以用ABO
3
从通式可以看出他们之间的化学计量比为A:B:O=1:1:3。

其中A，B元素都是金属元素，O是非金属元素。

钛酸钡晶体的熔点为1625℃，在钛酸钡的熔点温度以下，晶体共有五种相结构分别是六方、斜方、三方、四方以及立方，并且钛酸钡随着温度的升高会分别发生如下的相变：在-90℃由三方相向斜方相转变，在0℃由斜方相向四方相转变，在130℃由四方相向立方相转变，在1460℃由立方相向六方相转变。

钛酸钡介电材料也叫做电介质材料，是属于电的绝缘体。

电介质材料中的带电粒子被束缚着，只有在电场的作用下带电粒子上的电荷才能发生微观范围内的移动。

介电常数是反应电介质材料特性的重要参数。

在室温下纯的钛酸钡陶瓷对温度比较敏感随温度的变化介电常数变化很大。

钛酸钡的铁电性能：在没有外加电场作用下，一些晶体中的晶胞结构正负电荷重心不重合，出现了电偶极矩，产生的电极化强度不等于零，具有这种性质的晶体叫做铁电体。

钛酸钡是一种具有钙钛矿型结构的典型铁电性材料。

钛酸钡在130℃左右发生了相变，从低温的铁电相向高温的顺电相转变，因此，这一温度也称为居里点。

在居里温度以上钛酸钡存在着六方相或者立方相，这两个相晶胞的结构对称性非常好不会发生自发的极化，因此不具有铁电性。

而在居里温度以下钛酸钡存在着四方相，斜方相和三方相，这三种相晶胞中正负离子重心不重合，因此会产生自发极化，形成不为零的电偶极矩，所有这三种相结构具有铁电性。

2.2 无铅压电陶瓷制备工艺路线
无铅压电陶瓷制备过程主要包括陶瓷原料粉体的合成、成型、烧结、被电极和极化等几个主要过程，在这些过程中，伴随着一系列的物理和化学变化。

压电陶瓷的性能与材料的组分和制备的工艺过程和工艺条件有直接的关系，所以一整套稳定合理的工艺参数是获得优异材料性能的重要保证。

3.陶瓷样品的结构表征方法及性能测试技术
3.1陶瓷样品的结构表征
1.物相结构表征
X射线是一种电磁波，由经过加压后产生的高速电子去撞击物质里面的原子产生的。

通过X射线衍射对材料进行测试，分析得到的衍射图谱，可以获知材料的物相，材料成分，或内部原子的结构等其他信息。

等待测试完成获得的XRD 数据用Pert Highscore衍射数据分析软件对实验数据进行处理得到物相的衍射峰的位置和强度，然后与数据库对比和一种或者一种以上的标准数据相符，即可确定样品里面含有哪种物质或者哪几种。

在室温下我们可以用以下公式对样品晶面间距进行计算。

2.拉曼光谱
拉曼光谱的实验一般采用激光对需要分析的样品进行照射，入手激光和物质中的分子，声子，等其他激发相互作用，导致入射激光声子能量的变化，根据激光声子能量变化可以判断物质系统振动的模式和其他信息。

3.陶瓷样品微观形貌
采用的是场发射扫描电子显微镜来观察陶瓷样品烧结后的致密性和晶粒大小。

如果晶粒大小在区间1-100nm之间时，可以采用谢乐公式来计算晶粒的尺寸。

3.2陶瓷样品的介电性能分析
我们把电阻率超过108的陶瓷材料叫做电介质陶瓷材料，这种材料在电场的作用下带电的质子不会发生电流的传导而只是产生了很小的位移。

由于陶瓷电介质材料在电场中表现出的这种特殊形状因而被广泛的应用于在电的绝缘体和电容器等其他电子元器件。

因此，人们用介电损耗、介电常数、温度系数等参数来描述这一类材料在应用中的性能。

我们通常用符号tan来表示不同因素对介电材料产生的介电损耗总和。

用/，来表示不同温度条件下介电常数的稳定性。

3.3陶瓷样品的铁电性能分析
具有铁电性能的材料叫做铁电材料。

铁电材料的特征为在某一温度区间会发生自发的极化，并且随着电场反向极化强度也会随电场发生反向变化。

这个特征使得铁电材料出现了电滞回线。

电滞回线是描述铁电材料铁电性的一个重要方法。

有剩余极化强度和矫顽场两个重要参数。

矫顽场数值大小用来描述极化强度的难易程度。

矫顽场数值大说明铁电材料不容易极化反之说明铁电材料容易极化。

剩余极化强度指的是测试电场降到零是铁电材料所剩余的极化强度。

4.钙钛矿无铅压电陶瓷发展展望
目前国际上钙钛矿无铅压电陶瓷材料还处于研究阶段，实际应用的高性能压电陶瓷主要是 20 世纪 50 年代发展起来的锆钛酸铅压电陶瓷，其压电性能优异，但是，锆钛酸铅压电陶瓷含有大量的铅，这些铅基压电陶瓷在制备、使用、回收和废弃的过程中，都会给环境和人类带来损害。

因此，要使无铅压电陶瓷材料更加实用化，还需从陶瓷材料体系和器件应用多方面入手，包括：无铅压电陶瓷的压电性研究；陶瓷材料配方设计,相变研究和新相界设计；陶瓷材料性能增强机理及其控制方法；能满足不同器件应用的系列化材料的研究与开发；掺杂对陶瓷性能的影响及其机制；陶瓷材料的温度稳定性能，老化特性及其机制；陶瓷新型制备技术及工艺的稳定性和环境协调性研究等，具有很好的研究前景。