钛酸锶陶瓷材料制备方法的进展

钛酸锶陶瓷材料

钛酸锶作为重要的、新兴的电子陶瓷材料,具有高的介电常数和高的折射常数,有显著的压电性能,是重要的铁电体,可作为介电材料和光电材料。

钛酸锶(SrTiO3 ) 是一种立方钙钛矿型复合氧化物,在室温下,满足化学计量比的钛酸锶晶体是绝缘体,但在强制还原或搀杂施主金属离子的情况下可以实现半导化。钛酸锶是重要的、新兴的电子陶瓷材料,具有高的介电常数和高的折射常数,有显著的压电性能,是重要的铁电体。,有稳定的电滞性质。在高温超导薄膜、催化、高温固体氧化物燃料电池、电极材料、电化学传感器、氧化物薄膜衬底材料、特殊光学窗口及高质量的溅射靶材等方面应用广泛,可作为介电材料和光电材料,用来制造高压陶瓷电容器、PTC 热敏电阻、晶界层电容器( Grain Boundary Layer Capacitor ,简称GBLC) 、电子元件、光催化电极材料,制造既有电容器功能又有吸收浪涌的压敏电阻器等,它们都具有高性能、高可靠性、体积小等优点。并且与钛酸钡材料相比,还具有介电损耗低、温度稳定性好,高耐电压强度等优点。

钛酸锶的物理特性：室温下，SrTiO3属于立方晶系，空间群Pm3m，禁带宽度约为3．2eV，

a=b=c=0.39051nm，α=β=γ=90。是一种典型的AB03型钙钛矿型复合氧化物。许多文献报

道钛酸锶的居里温度T C=106K,当T

SrTi03晶体中，大的阳离子Sr2+位于简立方原胞的顶上，小的阳离子Ti4+位于体心，阴离子02-位于面心。这样的结构亦可看作是氧八面体顶角相连的网络，较小的阳离子填充氧八面体空位，较大的阳离子填充十二面体空位，如图1-1所示。而SrTi03的晶界结构如图1-2所示，由图可看出，SrTi03晶界上有很多偏离空间电荷区域(Space Charge Region)的正电荷。对于产生正电荷的原因，J．C_．verbiinger认为可能是因为晶界表面有很多钛原子(由偏析引起)，而这些钛原子没能很好地与氧原子结合，即钛原子的核电荷没有被中和，最终结果便是在晶界上产生了正电荷。该晶界模型能很好地解释SrTi03经掺杂后，其晶粒直径减小。比如，受主掺杂的原子，它们能很顺利地插入到空间电荷区域(空间电荷区域同时会阻止它们进入晶界内部)，形成一中间晶界层，并同时会中和一部分晶界表面的正电荷，使空间区域收缩，因而晶粒直径减小。

实验研究现状：：第一是SrTi03粉体的制备工艺研究；第二是SrTi03的结构性能、形成机理及动力学研究；第三是SrTi03基系列掺杂物的结构与性能研究；第四是以SrTi03为载体的超导研究。

是基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理平面波超软赝势方法。计算结果表明：SrTi03是一种间接禁带半导体，其价带顶位于布里渊区内的R点，导带底位于r点。Mulliken 布局分析、态密度、差分电荷密度分析均表明，Ti原子与O原子形成的是共价成分较高的共价键，而Sr原子与O原子形成的是离子键。

3月31

不同掺杂物对SrTiO3晶相的影响（采用溶胶-凝胶法进行掺杂）

以金属离子为掺杂物（设计分子式为：Sr x A y TiO3，其中A=Mg, Mn, Co, Ca, Zn, Pb）,所指的的样品的XRD衍射谱数据可知主要晶相是SrTiO3，有少量杂项产生。

（1）采用溶胶—凝胶法进行掺杂，设计分子式为Sr x A y TiO3 (A=Mg, Mn, Co, Ca, Zn, Pb），实际得到的是以SrTiO3为主相的固溶体；分散开的样品颗粒近似呈球形，颗粒粒径约50nm，有团聚现象。(2)以Y2O3为掺杂物所制得的样品，颗粒分布均一，粒径约为250nm,颗粒呈六边形。（3）以为SrTiO3基体以Y2O3为掺杂物，当掺杂量为3.54%（Y%）时，样品的阻温特性曲线与纯SrTiO3的阻温特性曲线相近。（4）以SrTiO3为基体，以La2O3为掺杂物，当掺杂量为1.23%( La%) 时，样品的阻温特性曲线与纯SrTiO3的阻温特性曲线接近

4月1号(对SrTiO3陶瓷发光、介电和磁学性质的影响)

未掺杂的STO是一种先兆性铁电体(incipient ferroelectric)，或者也被称为量子顺电体(quantum paraelectric)，其本身不具有发光和磁学特性。在温度低于150K时，STO中存在着一个从立方相到四方相的结构相变。由于具有较大的量子起伏效应，直到温度降至OK附近，在STO中也不能观测到铁电相的存在【l】。但是当采用一些稀土元素，例如La、Pr等替换Sr位时，可以观测到由此所产生的铁电性或者介电异常行为【2】【3】。

陶瓷室温下的介电性能和频率的关系采用HP4294A阻抗分析仪进行测量，测量范围

从100Hz到10MHz。室温下磁学性能的测量通过Riken BHV-55振动样品磁强计(VSM)测量，测试时所加磁场范围为-10到+10kOe。

Eu3+掺杂STO陶瓷是通过传统固相反应烧结的，分别采用Sr空位(STO-A)，氧空位(STO-B)，以及自补偿(STO—AB)实现三种不同的电荷补偿机制。在室温下研究了其结构和发光、介电和磁学等多功能性质。

1:测试了不同位置掺杂样品的介电性质与频率关系。与纯STO样品相比，STO-A和STO-B 样品的介电常数几乎没变，但STO-AB样品的介电常数(在100KHz时值为550)显著地增加了。这可能与STO-AB中额外形成的电偶极矩有关。

同时我们还发现STO-AB的介电常数与Eu3+离子的掺杂浓度有关，其介电常数的最大值又出现在X值为0．05处，介电常数的降低以及介电损耗的增强仍然与杂相出现有关。

2:测量了室温下纯STO和STO-AB样品的磁化曲线(M-H)，纯STO样品表现为抗磁性的。而STO-AB样品的M．H曲线为线性的，并且具有一定的磁矩，说明了STO-AB样品处于典型的顺磁有序状态。通过测量我们还发现如果Eu掺杂浓度一样，Eu在不同替代位掺杂的STO陶瓷的磁学性质没有什么差别，意味着样品的磁学性质与电荷补偿机制是无关的。

3:由于Eu3+离子的磁化率随着温度的降低会升高【l】。并且稀土掺杂的STO的介电性质在低温下和室温条件下也有很大的区别. 最近Shvartsman等人【|2】报道了在Mn掺杂的STO 中间发现了磁电耦合现象(ME．coupling)，这启发我们，样品在低温下可能会出现多铁现象。因此，拟进一步在低温下测量样品的发光性质，介电性质以及磁学性能，以研究这些性质之间的相互影响。

稀土Nd掺杂SrTiO<,3>基高储能介质陶瓷缺陷结构及介电性能研

(针对国内外研究存在的问题，本论文选取SrTi03为研究主体，采用三价稀土

离子Nd3+对其进行掺杂改性，目的在于提高SrTi03陶瓷的室温相对介电常数，并研究探讨掺杂的缺陷结构对性能影响的机制，该研究有着重要的科学意义和实际应用前景。）

SrTi03是一种量子顺电相(quantum paraeleetic)材料【71】，铁电相被量子起伏抑制从而顺电相在低温下仍然保存下来，其从接近于OK的低温下到常温300K的介电常数随温度变化关系如图1．8所示。单晶SrTi03的介电常数偏离传统的居里一外斯定律，并且在4K以下其介电常数保持为一个定值。

4月5

许多文献报道了SrTiO3可通过掺杂来诱发其铁电相，如BaxSr1-xTiO3,PbxSr1-xTiO3等，此等A位取代研究均属于等价取代。其中有一部分以三价离子不等价取代A位的Sr2+离子引起关注，因为这种不等价取代除了牵涉到诱发铁电相的研究外，还牵涉到电荷补偿问题。Chen Ang等人【72-83】系统研究了Bi3+掺杂SrTiO3的介电弛豫和铁电弛豫特性；

N.G.Eror等人【84-85】专门研究了La3+掺杂SrTiO3陶瓷的电荷自补偿机制；