高介电常数电子材料制备及其电性能研究.

摘

要

实验利用传统的电子陶瓷制备工艺 , 制备了纯 CaCu 3Ti 4O 12(CCTO 陶瓷 , 并且研究了结构及介电性。实验

结果表明 :CCTO 陶瓷样品生成具有单一相的钙钛矿结构。纯 CCTO 陶瓷具有稳定的介电性能、相对高的介电常数和相对低的介电损耗。在室温条件下 , 介电常数基本上能够达到

104

, 并观察到 CCTO 陶瓷具有介电现象。

关键词高介电常数

CaCu 3Ti 4O 12陶瓷介电性能

Studying the Fabrication and Dielectric Property of CaCu 3Ti 4O 12Ceramic //Chen Zeting

Abstract CaCu 3Ti 4O 12(CCTO ceramics were prepared by the conventional ceramic technique.The microstructure and dielectric properties of the ceramics were

investigated.The results indic-ated that CCTO ceramics were of pure perovskite structure when sintered directly without calcined. All the ceramics show temperature -stable dielectric characteristics, and the relative high permittivity and low dielectric losses as well. Dielectric constant at room temperature reached 104from 100Hz to 1MHz. CCTO ceramics were investigated together with frequency and temperature dependence of dielectric properties in the range of 1kHz ~100kHz and -200~100℃ . The results showed that the dielectric relaxation of the ceramics .

Key words high dielectric c onstant;CaCu 3Ti 4O 12ceramic; dielectric property

Author ' s address Guangdong Radio &TV University,510091, Guangzhou, Guangdong,China

1引言

CaCu 3Ti 4O 12(CCTO , 钛酸铜钙是一种具有钙钛矿结构的钛酸盐, 其晶体结构为体心立方 (Im3, 该材料为反铁磁性的

绝缘体。 [1]

CaCu 3Ti 4O 12是一种高介电常数材料。所谓高介电常

数材料是指介电常数(ε 大于二氧化硅(ε=3.9的介电材料的泛称。国内外对其进行了深入的研究, 该材料目前已广泛应用于制造电容器和动态存储器 (DRAM 等各种电子器件中。

[2]

近年来, CaCu 3Ti 4O 12(CCTO 受到了越来越广泛的关注。在 2000年,

Subramanian 以及他的工作小组最早发现具有巨介电常数的 CaCu 3Ti 4O 12铁电陶瓷材料,并于 2000年 3月 3日首次在《 Jounal of Solid State Chemistry 》上发表报道了这种材料。 CCTO 铁电陶瓷材料正是由于具有反常的高介电常数、优

异的热稳定性和强烈的非线性等性能, 成为当前介电研究领域的一种具有广泛应用前景的材料。 [2-5]

本文研究了 CCTO 陶瓷的合成, 对其结构以及高介电性能作了深入分析。

2实验

本实验所用原料为分析纯的碳酸钙 (CaCO 3 、氧化铜 (CuO 、二氧化钛 (TiO 2 , 按照化学计量比进行配料。采用传统电子陶瓷制备工艺制备陶瓷。混合后置于球磨罐中, 用无水乙醇作为球磨介质, 球磨 24h , 将烘干后的粉末过筛。然后, 将CaCu 3Ti 4O 12粉末和聚乙烯醇 (PVA均匀混合, 把它们放在玛瑙研钵中研磨 2小时, 经过粘结剂造粒后, 压制成直径 13mm ,厚 3mm 的圆片形坯体,再在 1100℃烧结5个小时, 得到烧结陶瓷样品。陶瓷样品表面经过磨平、抛光后, 涂覆银电极。采用 X 射线衍射仪 (发射源为CuK α 进行样品的晶体结构分析,样品的介电常数和损耗采用程控炉和阻抗分析仪 (HP 4192A 阻抗分析仪测量样品的电容值, 测定了不同频率下陶瓷样品的介电常数(εr 和介电损耗(tanδ 。

3实验结果及讨论

3.1XRD 结构分析

图 1为在 1100℃烧结 5h 得到的 CCTO 陶瓷样品的 XRD 衍射图谱。由图可见,样品形成了单一的钙钛矿结构 (ABO3 的固溶体, 并且基本上没有观察到其他杂相的存在, 形成了体心立方 (bcc

类钙钛矿结构的 CCTO 单相 (JCPDSNo . 75— 2188 , 这表明 Ca 2+、 Cu 2+都已经基本上共同占据了钙钛矿结构的 A 位,所以才形成了单一的 CCTO 晶相。而且, 从图中可以看出, 样品的各个衍射主峰均清晰尖锐, 表明晶面结晶良好。另外, 传统预烧 -烧结工艺制备 CCTO 陶瓷中常含有少量的 CaTiO 3和 TiO 2相,而从XRD 图谱中可以看到, 直接烧结的陶瓷样品基本上没有出现多余的杂峰。这可能是由于碳酸钙 (CaCO 3 分解生成氧化钙 (CaO 后立刻与氧化铜 (CuO 、二氧化钛