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随着电子工业的发展,为了满足电容器、存储器、谐振器、滤波器等重要电子器件的高性能化和尺寸微型化的需求,高介电常数材料越来越引起人们的重视。研制出新型的高介电常数材料,在宽频、宽温范围内,既具备高介电常数(>103)和低介质损耗(<0.1),又有良好的频率和温度稳定性,是高容量电容器发展的需要。近年研究发现,新型的巨介电材料(In,Nb)共掺杂TiO2因其介电常数高达4×104,在很宽的温度(80至450 K)及频率(40 Hz-100 kHz)范围内介质损耗小于0.05,在高容量电容器应用方面有广泛的应用前景,成为巨介电领域的研究热点。研究者对(In,Nb)共掺杂TiO2的高介电起源探索中观察到多种介电弛豫过程,认为高介电不仅起源于晶格内部局域化电子缺陷偶极,还可能起因于晶界的界面效应和表面阻挡层电容效应。不同ⅢA3+与Nb5+共掺杂如何影响材料的介电性能?材料的制备工艺是否也会对其介电性能产生影响?共掺杂TiO2材料的巨介电起源到底是本征还是非本征效应?这些问题目前都尚不清楚,需要深入分析其介电弛豫过程,揭示高介电性起源的物理机制。另一方面,TiO2基高介电常数材料是否具有磁介响应,也未见报道。本论文以固相法制备的TiO2基(ⅢA1/2Nb1/2)TiO2(其中ⅢA=In,Y,Sm,Yb,Al和Co)高介电陶瓷为研究对象。研究了烧结条件、气氛退火以及掺杂改性对Ti02基陶瓷晶体结构、显微组织、介电、阻抗以及磁介电方面的影响,探讨了高介电性和磁介响应的起源机理。1.制备了(In1/2Nb1/2)0.05Ti0.95O2陶瓷,平均晶粒尺寸10μm,晶胞参数a=b=4.5936(7)A,c=2.9622(4)A,介电性能良好:室温、频率100 kHz下,介电常数1000,介质损耗0.05,并且温度(80至260 K)及频率范围(小于100 kHz)内介电常数稳定。氧气气氛退火可减少材料中的氧空位,改善陶瓷介电性能。在介电性能测试中,观察到三种介电弛豫过程。采用普适弛豫定律,分析了局域化电子缺陷偶极、极化子极化和界面极化对介电弛豫的贡献。首次观察到极化子弛豫对(In1/2Nb1/2)0.05Ti0.95O2的巨介电常数有贡献。2.首先,制备了相同掺杂量的(ⅢA1/2Nb1/2)0.05Ti0.95O2(ⅢA=Sm、Y和Yb)陶瓷材料。试样在室温、100 kHz条件下,介电性能表现出差异:对Sm共掺杂材料,介电常数500,介质损耗约50;对Y共掺杂材料,介电常数2500,介质损耗0.15;对Yb共掺杂材料,介电常数4x104,介质损耗0.08。其次,不同掺杂量(0.01≤x≤0.1)(Yb1/2Nb1/2)xTi1-xO2的固溶极限为x≤0.07。随着x由0.01增至0.1,其平均晶粒尺寸由12 μm减少到6 μm。通过频率(20-100 kHz)、温度(5-300 K)范围内介电测试,观察到适量掺杂(0.03≤x≤0.07)的试样才具有巨介电和良好的频率、温度稳定性:100 kHz下、80 K至300 K温度范围内,介电常数保持4x104以上、介质损耗小于0.1。最后,研究了烧结气氛中不同氧分压对x=0.05试样的晶体结构和电学性能的影响。观察到氧分压由10%升高至100%,其平均晶粒尺寸由5 μm增加到28 μm。XPS能谱分析可知,提高烧结氧分压可抑制材料氧空位形成。氧分压高于50%可降低空间电荷引起的介质损耗,提高频率稳定性。不同稀土离子共掺杂Ti02均观察到极化子弛豫过程。3.制备了(Al1/2Nb1/2)0.05Ti0.9502陶瓷,最佳烧结温度为1773 K,平均晶粒尺寸10μm,晶胞参数a=b=4.5637(7)A,c=2.9411(6)A,介电性能良好:室温、频率100 kHz下,介电常数38000,介质损耗0.08,并且温度(80至240 K)及频率(小于100 kHz)范围内介电常数稳定。通过普适弛豫定律和极化子变程跳跃理论,阐述了介电温、频谱和变温复阻抗中的弛豫过程,发现电子热激活过程、局域化电子缺陷偶极、极化子极化和界面极化共同对巨介电产生贡献。在5 K至300 K温度范围内,通过磁介电测试手段,观察到试样同时具有正、负两类磁介响应:一种正磁介电效应,两种负磁介响应,磁介电系数拥有较宽的变化范围:78%到-55%。利用Jahn-Teller效应和Pauli原则,解释了磁介响应与极化机制之间的关系,其产生原因与局域化电子缺陷偶极、极化子弛豫和界面极化密切相关。4.研究了(Co1/2Nb1/2)0.05Ti0.95O2陶瓷的晶体结构、磁学、介电和磁介性能,分析了磁介响应与介电极化的关系。晶胞参数a=b=4.5528(3)A,c=2.9311(6)A,利用XPS能谱分析可知,Co3+和Nb5+对Ti的价态产生影响。介电性能:室温、100 kHz下,介电常数2100,介质损耗0.2。变温频谱和电输运性能分析表明,试样中仅观察到极化子弛豫和界面极化。这是由于Co3+离子半径相对Ti4+离子半径太小,Co3+离子进入晶格后产生更多不均匀的局域缺陷结构,破坏电子局域化,引起局域化电子缺陷偶极消失。在5 K至300 K温度范围内,磁介电测试结果表明试样具有磁介响应,其产生原因与极化子弛豫和界面极化密切相关。5.采用两步烧结法制备了 PbNb206陶瓷,选择第二步烧结温度为1220和1180℃,可有效抑制晶粒异常生长。掺杂0.5 wt%的ZrO2后,增宽烧结温区至1160℃、有利于保存高温正交相、改善了氧空位所造成的介电异常,并且提高其压电性能。