论文摘要
类钙钛矿化合物CaCu3Ti4O12（CCTO）的相对介电常数不仅数值极高（εr>104）且在较宽的温度范围内（100K-600K）基本不随温度变化,因而在微电子器件领域具有较好的应用前景。然而,由于未能观察到类似于BaTiO3的铁电—顺电相变,CCTO巨介电常数的本质机理目前还存在较大争议。对于有一定实用前景的CCTO陶瓷材料,目前已有很多实验证据支持用边界阻挡层电容器（IBLC）模型解释其巨介电常数。该模型认为由于CCTO陶瓷中存在电学特性差别很大的半导体晶粒和绝缘性晶界,因而在晶界附近会发生正负电荷的分离和积聚而产生晶界电偶极矩,CCTO陶瓷的巨介电常数则主要源自这种品界电偶极矩的贡献。因此,CCTO陶瓷的介电性能与陶瓷晶粒晶界特性关系密切。目前已有很多研究人员开展了CCTO陶瓷晶粒晶界成分,形貌与电学特性变化对陶瓷介电性能影响的相关研究。他们主要通过两种方法来改变晶粒晶界特性,一是调控陶瓷的烧结工艺,二是离子掺杂。然而,还有很多问题有待解决,比如烧结工艺对CCTO陶瓷晶粒晶界特性影响的本质机制还不清楚；使用一些特殊烧结方法制备CCTO陶瓷电学特性的相关研究还鲜见报道；某些极可能对CCTO陶瓷电学特性产生较大影响的变价或大半径离子掺杂的相关研究也还未见报道；另外,CCTO陶瓷较大的低频介电损耗也是其实用化的重大障碍。有鉴于此,本论文从陶瓷烧结工艺和离子掺杂两个方面针对上述问题开展研究,以期深入理解CCTO陶瓷特殊介电性能的物理机理并探求降低陶瓷损耗的有效方法。主要完成了以下共作：（1）分别在不同烧结温度（1035℃和1800℃）和差别较大的烧结时间（3h和48h）下使用常规烧结工艺烧结CCTO陶瓷。成分与形貌表征结果显示较高温度烧结会在陶瓷中形成富铜缺钛的晶界相；室温介电和直流电传导测试结果显示相比延长烧结时间,升高烧结温度更有利于增大电流密度和介电常数；通过不同温度下复阻抗测试,我们发现在较高温度下烧结所得陶瓷具有相对较小的晶粒电阻率,但晶粒电导的激活能基本不随烧结条件改变而变化；而延长烧结时间则有利于减小晶界电阻率和增加晶界电导的热激活能,这和晶界附近Ti3+含量随烧结时间延长而增加有一定关系。但是相比晶界,晶粒电学特性的变化会对CCTO陶瓷的介电性能产生更重要的影响。（2）分别在1atm空气和纯氧与3atm纯氧气气氛环境中烧结CCTO陶瓷。室温介电,直流电传导与复阻抗测试结果显示在富氧环境中烧结可以使陶瓷的品粒电阻率增大4个量级,而陶瓷电流密度和低频介电常数则急剧下降,并伴随着较强低频弛豫的出现。通过不同温度下的介电和复阻抗性能测试,我们发现在1atm空气中烧结所得CCTO陶瓷晶粒电导的热激活能为0.09eV,接近中性氧缺陷级离子化的激活能,而富氧气氛中烧结陶瓷晶粒电导的热激活能则显著升高至接近晶界电导的激活能,这表明CCTO陶瓷的介电行为与晶粒内部的氧缺陷数目及晶粒电子结构关系密切。另外,富氧气氛中烧结所得陶瓷的低频弛豫具有较大能垒高度,可能对应于表面富氧层与电极接触界面附近的空间电荷极化。（3）使用放电等离子烧结工艺在900℃下保温5min制得厚度约为2mm的CCTO陶瓷,使用石墨毡以防止模具压头与陶瓷粘结。通过打磨使陶瓷减薄至不同厚度并在室温下测量各厚度陶瓷的电传导,复阻抗和介电性能,我们发现随着厚度减小,陶瓷电流密度,品界电阻率及介电常数均随之明显减小,这很可能源于碳与CCTO发生还原反应而产生的氧缺陷含量随厚度增加而减少。另外,我们观察到当厚度大于1.4mm时,陶瓷电流一电压曲线的非线性系数在1～2之间,且低频部分出现明显的介电弛豫,而当陶瓷厚度小于1.4mm时,非线性系数接近2,符合空间电荷限制电流机理,且低频介电弛豫基本消失。这说明渗碳还原反应导致的氧缺陷主要集中于陶瓷表而0.3-0.4mm,并且这部分高电导层和内部陶瓷的分界面上存在空间电荷产生的电偶极矩。（4）用不超过10%的Rb+替代Ca2+制备了Rb+掺杂的CCTO陶瓷。通过相与成分分析及陶瓷表面形貌观察,我们发现Rb+替代Ca2+会导致少量CuO和TiO2第二相及富铜缺钛晶界相的形成,并且晶界层厚度随着掺杂量增大而增大；直流电传导,复阻抗和介电性能测试则显示陶瓷电学特性随Rb+掺杂量增大发生非单调变化：当Rb+掺杂量为30%时,晶界电阻率,晶界肖特基能垒高度均有所增大,低频介电常数变化不大,晶粒电阻率,低频损耗则有所减小,而当Rb+掺杂量大于30%时,低频介电常数,晶界肖特基能垒高度明显降低,而晶粒电阻率和低频损耗则有所增大。我们认为,这种非单调变化说明Rb+掺杂所导致的晶粒与晶界特性变化对陶瓷电学行为存在竞争性影响：当Rb+掺杂量较小时,晶粒氧缺陷数目增大起了主婴作用,而当Rb+掺杂量较大时,晶粒晶界成分变化及晶界层厚度增大起了主要作用。（5）用微量（不超过2%）的Fe3+替代Cu2+制备了Fe3+掺杂的CCTO陶瓷。通过电传导,复阻抗和介电性能测试,我们发现在Cu2+位掺入不超过1%的微量Fe3+便会对CCTO陶瓷的电学性能造成极大影响,其现象和前述富氧环境下烧结陶瓷的相关结果非常相似：晶粒电阻率增大4到5个量级,晶粒电导热激活能显著增大,电流密度和低频介电常数则急剧下降,并伴随着较强的高能垒低频弛豫的出现。这些结果表明和富有氧环境中烧结一样,Fe3+替代Cu2+也可以导致氧缺陷的减少,从而对陶瓷电学特性产生极大影响。