Mg掺杂BaTiO3介电陶瓷中氧空位缺陷的EPR监控
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Mg掺杂BaTiO3介电陶瓷中氧空位缺陷的EPR监控
第35卷⼀第1期⼀吉⼀林⼀化⼀⼯⼀学⼀院⼀学⼀报
Vol.35No.1⼀2018年1⽉
JOURNALOFJILININSTITUTEOFCHEMICALTECHNOLOGY
Jan.⼀2018
收稿⽇期:2017 ̄10 ̄23
基⾦项⽬:国家⾃然科学基⾦项⽬(21271084)?吉林省科技发展计划项⽬(20121825)?长⽩⼭学者特聘教授⽀持计划(2015047)
作者简介:郑永顺(1993 ̄)?男?吉林梅河⼝⼈?吉林化⼯学院研究⽣?主要从事⽆机介电陶瓷材料⽅⾯的研究.?通信作者:路⼤勇?E ̄mail:dylu@jlict.edu.cn
⼀⼀⽂章编号:1007 ̄2853(2018)01 ̄0040 ̄04
Mg掺杂BaTiO3介电陶瓷中氧空位缺陷的EPR监控
郑永顺?路⼤勇?
(吉林化⼯学院材料科学与⼯程研究中⼼?吉林吉林132022)
摘要:在烧结温度Ts=1400?下?采⽤固相反应法制备(Ba1-xMgx)TiO3(x=0.015)和Ba(Ti1-xMgx)O3(x=0.015)陶瓷.以电⼦顺磁共振(EPR)技术作为关键技术?研究了陶瓷的点缺陷.结果表明:BMT为六⽅和伪⽴⽅钛酸钡结构的混合相?BTM为六⽅和四⽅钙钛矿结构的混合相.在低于-100?的菱⽅相中?
探测到与氧空位相关g=1.956的EPR信号?且Ba空位⼆Ti空位和O空位共存.关
键
词:镁掺杂钛酸钡?X射线衍射?电⼦顺磁共振?点缺陷
中图分类号:O614.23
⽂献标志码:A
DOI:10.16039/j.cnki.cn22-1249.2018.01.010
⼀⼀在介电场中?BaTiO3基陶瓷是使⽤最⼴泛的电介质.镁离⼦(Mg2+)具有固定的价态?通常与稀⼟离⼦作为共掺杂剂掺杂在BaTiO3中作为X7R型应⽤于多层陶瓷电容器(MLCC)中
[1 ̄6].在1150?
的较低的烧结温度(Ts)下?认为Mg2+
倾向于靠近晶粒的表⾯.对于Mg掺杂的BaTiO3陶瓷?Mg2+
被认为是替代BaTiO3中的Ti位的受体(Mg?Ti)[7 ̄9]?因为6 ̄CNMg2+(0.72?)与Ti4+(0.605?)的离⼦尺⼨相近
[10]
.这⾥采⽤了Kr?ger和Vink提出的缺
陷符号[11].离⼦半径作为配位数(CN)的函数在表1中给出[10].然⽽Mg2+在BaTiO3 ̄MgTiO3体系中代替Ba位和Ti位的两性⾏为很少被考虑.根据报道?当Mg2+代替Ti4+位点时?每个Mg2+离⼦(Mg?Ti)被认为伴随着⼀个氧空位(V七O)[7].V七O的存在与Mg掺杂的BaTiO3中的半导体⾏为有关?这归因于由受体掺杂的Mg2+离⼦产⽣的氧空位的迁移率[7]
具体请参照参考⽂献[7].在研究
者的报道
[7]
中没有在Mg掺杂的BaTiO3中观察
氧空位存在的直接证据.
本实验?在烧结温度Ts=1400?下制备了
BMT ̄BTM陶瓷.采⽤电⼦顺磁共振(EPR)技术对BMT ̄BTM中的V七O进⾏检测?并提供了低温菱⽅相中存在V七O的证据.在Ts=1400?时?发现了
Ti4+与Ti3+的还原以及在六⽅相中与Ti3+(3d1)有关的两种EPR信号.
表1⼀离⼦半径作为配位数(CN)的函数离⼦配位数(CN)
半径(?)Ba2+121.61
Ti4+60.605Ti3+60.67Mg2+12
1.23Mg2+
60.721⼀实验部分
1.1⼀试剂与仪器
以BaCO3(分析纯?上海帝阳)⼆TiO2(99.9%?
上海帝阳)和MgO(基准试剂?国药)粉末为初始
原料.采⽤了国内丹东皓圆仪器有限公司的DX ̄2700型X射线衍射仪测定.以CuKα为射线源?扫描范围为20??2θ?85??步宽为0.02??采样时间为3s?管电压⼆管电流分别为40kV和30mA?采⽤步进扫描⽅式进⾏扫描.利⽤美国Accelrys公司的MSModeling软件的Reflex模块并结合Sma4Wine软件?对XRD谱进⾏处理?除去CuKα2散射和衍射背底的贡献?进⾏晶体结构计算.
采⽤法国JY公司的532nm激光LabRAM
XploRA型拉曼光谱仪在室温下对样品进⾏测量?采⽤德国BrukerCorporationA300 ̄10/12型电⼦顺磁共振仪对BMT和BTM样品进⾏EPR谱测试?选⽤X波段频率为9.84GHz?在-150?温度点进⾏测定?测试范围为500 ̄6500G.g值由hν0=gβH关系计算.1.2⼀实验过程
采⽤固相冷压陶瓷技术?按照名义分⼦式
(Ba1-xMgx)TiO3(BMT)⼆Ba(Ti1-xMgx)O3(x=
0.015)(BTM)进⾏原料配⽐?将混合的原料在玛
瑙研钵中研磨1h后以350?/h升⾄1100?预烧5h进⾏脱碳.⽤聚⼄烯醇⽔溶液(PVA)粘合剂?将混合物在200MPa压⼒下加压2min压制成⽚.最后在1400?下空⽓中烧结12h制备碳酸钡陶瓷.
2⼀结果与讨论
2.1⼀XRD谱图分析
图1显⽰的是BMT ̄BTM陶瓷粉末在室温下测量的XRD谱图与模拟的⽴⽅⼆四⽅⼆六⽅钛酸钡XRD谱图的对⽐图
.
2θ/?
图1⼀BMT ̄BTM室温的室温XRD谱图与模拟⽴⽅⼆
四⽅⼆六⽅钛酸钡XRD谱图的对⽐图
观察图谱发现?BMT在~45?处的峰(图1b)
逐渐演变为四⽅晶系BaTiO3(空间群:P4mm)(JCPDS卡号6 ̄526)的(002)/(200)峰与六⽅晶系BaTiO3(JCPDS卡号34 ̄129)(空间群:P63/
mmc)的(204)峰(图1(a)所⽰)?即四⽅相和六
⽅相共存在BMT中?BTM在~45?处的峰(图1c)
逐渐演变为⽴⽅体BaTiO3(空间群:Pm3m)JCPDS卡号31 ̄174)的(200)与六⽅晶系BaTiO3的(204)峰(图1a所⽰)?即⽴⽅相和六⽅相共存在BTM中.
2.2⼀RS谱图分析
室温下BMT ̄BTM的拉曼光谱如图3(a)所⽰.四⽅BaTiO3具有四种常见的光学模式:A1(TO2)?B1+E(TO+LO)?A1(TO3)和A1(LO3)+E(LO3)?特征峰分别为~260?~305?~520?和~720cm-1.BMT ̄BTM的拉曼散射实验阐明了三
个事实:(1)~305cm-1的尖峰通常被认为是四⽅相的证明?并且在⽴⽅BaTiO3相中消失[11 ̄13].因此?310cm-1峰(图3(a)存在?说明BTM中的⽴⽅相是伪⽴⽅.(2)对于BMT与BTM在195cm-1处观察到特征峰?这归因于伪⽴⽅相或四⽅晶相中存在正交变形[14?15].(3)Ba(Ti1 ̄xFex)O3-δ(BTF)陶瓷具有完全六⽅相的结构(a=5.724??c=13.990??V0=397.04?3)(图3所⽰)?主要表现出三个强带?152?208和640cm-1(图3b)?分别对应于E1g?E1g+E2g和A1g声⼦[16].对于BMT?这三个频带较弱?重叠在四⽅声⼦光谱(图3(a))?显⽰六⽅晶相和四⽅晶相共存?⽽对于BTM?这三个频带较明显(图3(a))?显⽰六⽅晶相和伪⽴⽅晶相共存
.
Ramanshift/cm-1
图2⼀(a)在Ts=1400?烧结的BMT ̄BTM和(b)六⽅Ba(Ti0.95Fe0.05)O3(BTF)陶瓷的室温拉曼光谱
插图显⽰了BTF的XRD图谱
14⼀⼀第1期郑永顺?等:Mg掺杂BaTiO3介电陶瓷中氧空位缺陷的EPR监控
⼀⼀⼀
2.3⼀EPR谱图分析
图3为(a)BMT与(b)BTM在-150?下测得的变温EPR谱图.从图中可以看出在低于-100?的菱⽅相中?探测到与氧空位相关g=1.956的EPR信号[17]?并探测到与Ti空位相关g=2.004的EPR信号[18]?与Ba空位相关g=1.974的EPR
信号
[20]
.g=1.934和1.942处的两个Ti3+
相关信号
与BMT⼆BTM中的六⽅相有关?因为Ti3+相关信号只能在低温下观察到?这是由于通过低温有效地延长了⾃旋 ̄晶格弛豫时间(τ)[19].所以推断出在BMT与BTM中Ba空位⼆Ti空位和O空位共存
.
H/
G
H/G
图3⼀(a)BMT与(b)BTM在-150?下测得
的变温EPR谱图
3⼀结⼀⼀论
在Ts=1400?的烧结温度下?采⽤固相反应
法制备(Ba1-xMgx)TiO3和Ba(Ti1-xMgx)O3(x=
0.015)陶瓷.通过XRD测试结果表明BMT为六
⽅和伪⽴⽅钛酸钡结构的混合相?BTM为六⽅和四⽅钙钛矿结构的混合相?通过电⼦顺磁共振(EPR)技术测试的结果表明BMT与BTM陶瓷在低于-100?的菱⽅相中?探测到与氧空位相关g=1.956的EPR信号?且Ba空位⼆Ti空位和O空位共存.
参考⽂献:
[1]⼀H.Kishi.?N.Kohzu.?J.Sugino?etal.Theeffectofrare ̄
earth(La?Sm?Dy?HoandEr)andMgonthemicro ̄structureinBaTiO3[J].J.Eur.Ceram.Soc.?1999?19(6 ̄7):1043 ̄1046.
[2]⼀J.H.Hwang.?S.K.Chol.?andY.H.Han.Dielectricprop ̄
ertiesofBaTiO3codopedwithEr2O3andMgO[J].Jpn.J.Appl.Phys.?2001?40(8):4952 ̄4955.
[3]⼀H.
Kishi.?Y.Mizuno.?H.Chazono.Base ̄metal
electrode ̄multilayerceramiccapacitors:past?present
andfutureperspectives[J].Jpn.J.Appl.Phys.?2003?
42(1):1 ̄15.
[4]⼀S.Wang.?S.Zhang.?X.Zhou.?etal.Effectofsintering
atmospheresonthemicrostructureanddielectricprop ̄ertiesofYb/Mgco ̄dopedBaTiO3ceramics[J].Mater.Lett.?2005?59(19):2457 ̄2460.
[5]⼀C. ̄Y.Chang.?W. ̄N.Wang.?C. ̄Y.Huang.EffectofMgO
andY2O3dopingontheformationofcore ̄shellstructureinBaTiO3ceramics[J].J.Am.Ceram.Soc.?
2013?96(8):2570 ̄2576.
[6]⼀C. ̄H.Kim.?K. ̄J.Park.?Y. ̄J.Yoon.?etal.Roleof
Yttiumandmagnesiumintheformationofcore ̄shellstructureofBaTiO3grainsinMLCC[J].J.Eur.Ceram.Soc.?2008?28(6):1213 ̄1219.
[7]⼀S.H.Cha.?Y.H.Han.EffectsofMndopingondielectric
propertiesofMg ̄dopedBaTiO3[J].J.Appl.Phys.?
2006?100(10):104102.
[8]⼀M.Dong.?H.Miao.?G.Tan.?etal.EffectsofMg ̄doping
onthemicrostructureandpropertiesofBaTiO3ceramicspreparedbyhydrothermalmethod[J].J.Elec ̄troceram.?2008?21(1):573 ̄576.[9]⼀S. ̄H.Yoon.?C.A.Randall.?K. ̄H.Hur.Effectsof
acceptor
concentration
on
the
bulk
electrical
conductioninacceptor(Mg) ̄dopedBaTiO3[J].J.Appl.Phys.?2010?107(10):103721.
[10]R.D.Shannon..Revisedeffectiveionicradiiandsys ̄
2
4⼀⼀
吉⼀林⼀化⼀⼯⼀学⼀院⼀学⼀报⼀⼀2018年⼀⼀
tematicstudiesofinteratomicdistancesinhalidesandchalcogenides[J].ActaCrystallogr.SectA.?1976?32(5):51 ̄767.
[11]D. ̄Y.Lu.?X. ̄Y.Sun.?M.Toda.Anovelhigh ̄kY5V
bariumtitanateceramicsco ̄dopedwithlanthanumand
cerium[J].J.Phys.Chem.Solids.?2007?68(4):
650 ̄664.
[12]M.P.Fontana.?M.Lambert.Lineardisorderandtemper ̄
aturedependenceofRamanscatteringinBaTiO3[J].SolidStateCommon.?1972?10(1):1 ̄4.
[13]A.M.Quittet.?M.Lambert.Temperaturedependenceof
theRamancrosssectionandlightabsorptionincubic
BaTiO3[J].SolidStateCommon.?1973?12(10):
1053 ̄1055.
[14]T.Nagai.?K.Iijima.?H.J.Hwang.?etal.EffectofMgO
dopingonthephasetransformationsofBaTiO3[J].J.
Am.Ceram.Soc.?2000?83(1):107 ̄112.
[15]C.H.Perry.?D.B.Hall.Temperaturedependenceofthe
RamanspectruminBaTiO3[J].Phys.Rev.Lett.?1965?
15(17):700 ̄702.
[16]H.Yamaguchi.?H.Uwe.?T.Sakudo.?etal.Raman ̄scat ̄
teringstudyofthesoftphononmodesinhexagonalbar ̄iumtitanate[J].J.Phys.Soc.Jpn.?1987?56(2):
589 ̄595.
[17]彭研焱?路⼤勇.Tb在BaTiO3中的⾃补偿模式探索
及介电性质[J].吉林化⼯学院学报?2016?33(1):
61 ̄64.
[18]刘婷婷?路⼤勇.Lu在BaTiO3中⾃的位占据研究[J].
吉林化⼯学院学报?2016?33(1):65 ̄68.
[19]P.S.Dobal.?A.Dixit.?R.S.Katiyar.?etal.Micro ̄Raman
studyofBa1-xSrxTiO3ceramics[J].J.RamanSpectrosc.?
2001?32(2):147 ̄149.
EPRMonitoringofOxygen ̄vacancyDefectsin
Mg ̄dopedBaTio3DielectricCeramics
ZHENGYong ̄shun?LUDa ̄yong?
(ResearchCenterforMaterialsScienceandEngineering?JilinInstituteofChemicalTechnology?JilinCity132022?China)
Abstract:(Ba1-xMgx)TiO3andBa(Ti1-xMgx)O3-x(x=0.015)ceramicswerepreparedbythesolid ̄statereactionmethodatasinteringtemperatureofTs=1400?.Electronparamagneticresonance(EPR)wasemployedasakeytechniquetostudythepointdefectsofceramics.TheresultsshowthatBMTceramicexhibitedthemixedphasesofhexagonalandpseudocubicperovskitestructures?BTMceramicexhibitedthe
mixedphasesofhexagonalandtetragonalperovskitestructures.AnEPRsignalatg=1.956?whichisassociatedwithoxygen ̄vacancydefects?wasdetectedintherhombohedralphasebelowT=-100?.ThreetypesofpointdefectsofBa?Ti?Ovacanciescouldcoexistinceramics.
Keywords:Mg ̄dopedBaTiO3?X ̄raydiffraction?electronparamagneticresonance?pointdefect
34⼀⼀第1期郑永顺?等:Mg掺杂BaTiO3介电陶瓷中氧空位缺陷的EPR监控
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