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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究

作　者: 沈宗洋
导　师: 刘韩星
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: SrTiO3 稀土掺杂介电弛豫缺陷结构储能
分类号: TQ174.758
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

具有ABO₃型钙钛矿结构的SrTiO₃材料是重要的电子材料之一,常温下SrTiO₃为立方结构,是量子顺电体。SrTiO₃陶瓷不仅具有较高的介电常数（ε_r～300）,还具有较高的耐压强度（E_b～10kV/mm）。正是因为其同时具有较高介电常数和较高耐压强度的独特性能,SrTiO₃陶瓷在高压储能介质材料的领域有着广阔的应用前景。SrTiO₃掺杂能改变其许多特性,从而拓展其应用是一个重要的研究方向。近年对SrTiO₃陶瓷中阳离子的不等价取代研究越来越多,这类SrTiO₃基陶瓷显现出很多有趣的性能,如量子铁电性、超导性和高介电常数等等,但其中很多机理问题尚未认清。本论文选取三价稀土Nd³⁺离子A位取代二价的Sr²⁺离子,通过对其介电性能研究,构建结构与性能之间的关联,并探讨其缺陷结构机理。通过本论文的研究,有望对SrTiO₃陶瓷中阳离子的不等价取代机制有较清楚的认识,这项研究有着重要的理论意义和实际的应用价值。本文从Nd³⁺离子掺杂SrTiO₃陶瓷的三种可能电荷补偿机制入手,设计相应的组成Nd_xSr_1-3x/2TiO₃（NST）,Nd_xSr_1-xTi_1-x/4O₃（NTO）,Nd_xSr_1-xTiO₃（NSTO）,采用传统固相法制备了相应的陶瓷粉体,并制备陶瓷。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）分析其物相结构和微观结构,X射线光电子能谱（XPS）、能谱（EDX）分析相应的组成,结合各系列陶瓷介电性能的研究,探讨了Nd³⁺掺杂SrTiO₃陶瓷的缺陷结构机理。晶体结构分析表明,三个系列陶瓷在相应掺杂范围内形成了单相,晶体结构的变化具有相似性,随着Nd掺杂量的增加有立方相向四方相转变的趋势,并最终完成转变,晶胞参数的变化趋势根据掺杂方式的不同而不同。微观结构分析发现Nd的掺入起到了晶粒抑制剂的作用,适量的掺杂使得NTO,NSTO陶瓷的平均粒径可从10μm左右降低到1μm以下。各系列陶瓷的弛豫特性均满足Arrhenius定律,受热激发所致。NSTO常温介电性能在频率为1kHz时,当x=0.1时ε′取得最大值10100,达到10⁴级别,呈现“巨介电效应”。交流阻抗结果显示,各系列陶瓷呈现电学非均匀性结构,常温下,Maxwell-Wagner界面弛豫是NTO、NSTO陶瓷材料介电常数提高的根源。在其它测试条件基本相同的情况下,三个系列陶瓷的击穿强度和陶瓷的微观结构有直接关系,均匀细小的晶粒可获得高的击穿强度。在NSTO陶瓷体系中,当Nd掺杂量x=0.01时具有最高的击穿强度E_b=13.52kV/mm。在分析陶瓷样品化学组成的基础上,结合Nd掺杂SrTiO₃陶瓷三个体系的介电性能研究,提出了“强迫型电荷补偿机制”的概念,其含义是在陶瓷制备的配料化学式中人为引入一种电荷补偿方式。分析发现,Nd掺杂SrTiO₃陶瓷中的Ti离子仍然为+4价,Ti离子的化学状态没有发生改变。对于按“强迫型电荷补偿机制”制备的NST,NTO陶瓷来说,其内部的电荷补偿机制就是按照其强迫的方式进行的,即NST陶瓷内部的电荷补偿机制为Sr空位,NTO陶瓷内部的电荷补偿机制为Ti空位。而对于按Nd等摩尔取代Sr制备的NSTO陶瓷来说,其电荷“自补偿”的方式则是Sr空位和Ti空位两种电荷补偿方式兼而有之。Nd掺杂SrTiO₃陶瓷的介电性能与自身不同体系的缺陷结构和氧空位有着极大的关系,氧空位的一级和二级电离产生的传导电子与缺陷粒子的耦合与Nd掺杂SrTiO₃陶瓷不同体系的介电弛豫特性有着紧密的联系,不同缺陷粒子组成的缺陷粒子对的运动对介电弛豫也做出贡献。

全文目录

中文摘要  5-7
Abstract  7-13
1 绪论  13-30
  1.1 电介质基础理论  14-17
    1.1.1 相对介电常数和介质极化  14-15
    1.1.2 介电损耗  15-16
    1.1.3 电介质的击穿  16-17
  1.2 电介质陶瓷储能的基本原理  17-19
  1.3 储能介质陶瓷的研究进展  19-26
    1.3.1 TiO_2基陶瓷  19-21
    1.3.2 BaTiO_3基陶瓷  21-23
    1.3.3 PbZrO_3基陶瓷  23-24
    1.3.4 SrTiO_3基陶瓷  24-26
  1.4 SrTiO_3的结构与介电性能特征  26-28
  1.5 存在的问题与本论文的研究内容  28-30
2 实验研究方法  30-35
  2.1 Nd~(3+)掺杂SrTiO_3的电荷补偿机制  30-31
  2.2 实验方法  31-34
    2.2.1 实验设计与实验路线  31-32
    2.2.2 实验所用药品  32-33
    2.2.3 实验所用仪器及测试设备  33-34
  2.3 电性能测试与表征  34-35
3 Nd_xSr_(1-3x/2)TiO_3陶瓷的结构及介电性能研究  35-52
  3.1 NST陶瓷样品的制备  35-36
  3.2 NST陶瓷样品的晶体结构分析  36-39
  3.3 NST陶瓷样品的介电性能  39-44
    3.3.1 常温介电性能  39-40
    3.3.2 高温介电弛豫特性  40-44
  3.4 交流阻抗及等效电路  44-47
  3.5 NST陶瓷样品的显微结构及耐压特性  47-50
    3.5.1 NST陶瓷样品的显微结构  47-49
     3.5.2 NST陶瓷样品的耐压特性  49-50
  3.6 小结  50-52
4 Nd_xSr_(1-x)Ti_(1-x/4)O_3陶瓷的结构及介电性能研究  52-71
  4.1 NTO陶瓷样品的制备  52-53
  4.2 NTO陶瓷样品的晶体结构分析  53-56
  4.3 NTO陶瓷样品的介电性能  56-67
    4.3.1 常温介电性能  56-58
    4.3.2 介电弛豫特性  58-67
  4.4 NTO陶瓷样品的显微结构及耐压特性  67-69
    4.4.1 NTO陶瓷样品的显微结构  67-68
    4.4.2 NTO陶瓷样品的耐压特性  68-69
  4.5 小结  69-71
5 Nd_xSr_(1-x)TiO_3陶瓷的结构及介电性能研究  71-92
  5.1 NSTO陶瓷样品的制备  71-72
  5.2 NSTO陶瓷样品的晶体结构分析  72-75
  5.3 NSTO陶瓷样品的介电性能  75-84
    5.3.1 常温介电性能  75-77
    5.3.2 介电弛豫特性  77-84
  5.4 交流阻抗及等效电路  84-87
  5.5 NSTO陶瓷样品的显微结构及耐压特性  87-90
    5.5.1 NSTO陶瓷样品的显微结构  87-89
    5.5.2 NSTO陶瓷样品的耐压特性  89-90
  5.6 小结  90-92
6 Nd掺杂SrTiO_3陶瓷的缺陷化学机理探讨  92-107
  6.1 Nd掺杂SrTiO_3陶瓷的电荷补偿机制分析讨论  92-102
    6.1.1 X射线光电子能谱(XPS)分析  93-95
    6.1.2 能谱分析(EDX)  95-102
  6.2 Nd掺杂SrTiO_3陶瓷缺陷结构与介电性能关系探讨  102-105
    6.2.1 NST陶瓷体系缺陷结构与介电性能关系探讨  102-104
    6.2.2 NTO陶瓷体系缺陷结构与介电性能关系探讨  104-105
    6.2.3 NSTO陶瓷体系缺陷结构与介电性能关系探讨  105
  6.3 小结  105-107
7 结论  107-109
参考文献  109-116
致谢  116-117
附录  117

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究

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