钛酸锶钡陶瓷材料的掺杂改性

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1、钛酸總顿陶瓷材料的掺杂改性摘要钛酸總顿(BST)是一种重要的具有钙钛矿结构的铁电材料。顺电态下，其介电损耗较小，结构稳定。因此对顺电态下的BST进行掺杂改性是近年来铁电材料的研究热点Z-o本文简耍介绍了冃前国内外科研工作者利用稀土、碱土氧化物进行掺杂时对BST的微观结构、介电损耗、介电常数以及可调率方面的影响。关键词凝聚态物理，铁电材料，钛酸W，掺杂改性，介电性能1引言近年来，研究人员发现微波铁电材料具有较高的可调谐性，其电性能满足适中的介电常数、低介电损耗、高调谐率等条件。目前，这方面的热点研究材料之一是钛酸锂顿(Bal-xSrxTiO3-BST)。

2、钛酸總顿(BST)材料以其高的介电常数、低的介电损耗、大的调谐率、快的反应速度、好的抗击穿能力、简单的制造工艺，受到了广泛的欢迎。其在微波电子领域如相控阵天线或雷达的移相器［1〜2］、新颖微波调谐器件、延迟线、混合器、动态随机存储器［3〜4］、铁电存储器上都有重要的应用。在微波应用中，通过材料的设计［5］,其介电常数可以被调节在100-350范围内，强电场调谐率可以达到70%,击穿电场〉2X104V/mmo不仅如此，BST铁电薄膜材料还有开关速度快、功率容量大、温度稳定性好、抗辐射能力强、驱动功率低、电容电压可控等优点［6］。目前，与钛酸總顿基体陶瓷相

3、关的工作在国内外已经取得了很大的进展［7］。美国在20世纪60年代就开始研究铁电材料的微波性能。美国陆军实验室(USArmyElectronicsLaboratories)于1964年完成了微波铁电移相器和开关(microwaveferroelectriephaseshiftersandswitches)的研究报告［8］,由于当时铁电材料的微波介质损耗大，没有研制出可供使用的铁电移相器。在20世纪90年代，由于工艺条件的改善和对铁电材料认识的深入，人们重新掀起了对铁电材料研究的高潮。美国陆军研究实验室(USArmyResearchLaboratory)

4、系统地研究了掺杂对BST介电性能的影响，发现掺入非铁电氧化物(如Zr02.B1203等)可有效降低微波介质损耗，并能保持较高调谐率值。美国国防预研局于1998年启动了“频率敏捷电子材料”(FrequencyAgileMaterialsforElectronics,FAME)计划，其目的是开发高性能微波调谐材料。目前，其计划研究出的微波铁电薄膜材料已经得到了应用［10］,比如，美国的Paratek微波公司采用BST铁电薄膜材料，生产出了电调谐微波器件(调谐微波器、双工器和压控振荡器)、动态可重构的无线网络(DRWIN)天线及卫星天线，其中DRWIN天线和

5、卫星天线分别应用在无线通信系统和中低地球轨道(LEO/MEO)卫星系统中［11］。另外，微波铁电材料的研究已经引起世界范围的重视，俄罗斯、德国、英国和瑞士等国也正在积极开展这方面的研究工作。可以预计，铁电移相器、铁电滤波器等微波器件将得到更广泛的应用。我国在铁电材料的改性研究方面起步较晚，目前，中国科学院、华东电子工程研究所、华中科技大学、成都电子科技大学、天津大学、东南大学等单位都对铁电移相器展开了积极探索，有了一些钛酸總锲制备、介电性能测试和介质阻抗匹配方面的报道。比如华中科技大学尝试用BST研制微波震荡器；成都电子科技大学用La2()3掺杂BST

6、,试图提高在微波频率下的调谐率；哈尔滨工业大学尝试用B203掺杂BST降低烧结温度，提高致密度，并用BST的梯度化控制介电常数，降低损耗。由此可见，对顺电态下的BST可调谐材料的研究，对铁电移相器、动态随机存储器(DRAM).雷达通讯系统等都有着重大意义。2钛酸總顿(BST)铁电材料的基本结构和介电性能钛酸總锁(BST)是钛酸锁(BaTiO3)和钛酸總(SrTiO3)的固溶体,是一种具有典型的AB03钙钛矿结构的铁电材料。钙钛矿结构可以看成是由氧八面体在相互垂直的三个方向上以顶角相互连接的形式形成的空间网络。低电价、大半径的Ba2+、Sr2+占据氧八面

7、体的面心(A位)，配位数为12；高电价、小半径的Ti4+占据氧八面体的中央(B位)，配位数为6o高温下，离子热运动的能量比较高，B位离子平均来说处在氧八面体的中心，晶体属于n)3n)点群，没有自发极化，为非极性的顺电态。随着温度下降，平均热运动能量减少，B位离子热运动减弱，不能够再维持在氧八面体屮心的平衡位置，而是向位于相互垂直的三个晶轴方向上的六个氧离子中的某一个偏移。高电价的离子偏离中心位置会形成很强的偶极矩，而相邻晶胞之间的相互耦合，使得所有晶胞中的B位离子均向同一方向偏移,直到晶胞之间的耦合被缺陷中止。这样，材料的正负电荷中心发牛偏移，出现电偶

8、极矩和自发极化。本征BST的性能随着Ba/Sr比例的不同而变化［12］,通常随着總含量的增加，