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《非铁电巨介电压敏材料CCTO》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、高介电常数氧化物介电材料是以电子器件的小型化和高速化为特征的微电子技术升级换代的关键材料，在目前器件加工工艺接近极限，不能再简单缩小尺寸的情况下，小型化最终取决于提高电容器中绝缘介质材料静态介电常数&值。高介电常数材料是指介电常数大于二氧化硅介电常数(^=319)的材料，目前主要有介电常数在1000以上的钛酸钦系和钛酸铅系铁电材料。由于铁电材料在居里温度发生铁电2顺电相变，使其介电常数的温度稳定性变差，迫切需要开发新型、宽温度稳定型高介电材料。近年来陆续发现了一些高介电常数的非铁电材料，如NiO基［1］、CuO基卩］、ACu3TiQ】2系m和AFeiP2BiP2()
2、3系⑷。这些材料的普遍特点是具有超过104的高介电系数，并且在一定温度范围内非常稳定，同时不含对环境污染的Pb等重金属元素，具有环境友好性，因此在电容器材料方面具有很好的应用前景。金属氧化物基陶瓷非线性电阻器件(如ZnO、TO、SiTO等)是电力系统和电子系统关键的过电压保护器件，用于吸收电涌能量，防止电涌对电子设备或系统的破坏。提高压敏电阻片的介电常数能明显改善避雷器内压敏电阻柱电位分布的均匀性，这样避雷器不用加均压电容器就能保证电位分布均匀，大大简化避雷器的结构"目前采用添加稀土氧化物、过渡金属氧化物等烧制而成的ZnO压敏电阻，介电常数低，本身电容与其对地及周围
3、物体的杂散电容相当，导致避雷器内压敏电阻柱的电位分布很不均匀，一些压敏电阻片承受的电压过高，加速其老化，危及避雷器的安全运行。此外，半导化后的TiCh、SrTiOs可以作为压敏2电容双功能陶瓷器件，其介电常数达到几千;但是纯TiCh、SrTiO；.为绝缘体，首先需要掺杂高价阳离子使其半导化,S「TiCh甚至需要在还原气氛中烧结来强化半导，然后再经过空气下热处理，工艺相对复杂且不易控制。而寻找温度稳定型电容2压敏双功能器件对于微电子技术中实现器件小型化和功能一体化具有重要的意义。1967年就已知ACu.Ti^i：家族的化合物15),1989年进行过结构测量⑹，但并未进
4、行介电特性的测量。2()()()年Subramanian等⑶首次报道了具有巨介电常数的CaCusTiaOiz材料(简称CCTO),其在1kHz交流电场作用下，值可达到1200(),在很宽的温区范围内(10()—400K)介电常数几乎不变，反映了介电响应的高热稳定性。2004年Chung等⑴发现没有任何掺杂的CaCinTiQ^具有明显的电流2电压非线性特征，非线性系数超过900,远高于ZnO。这些良好的综合性能，使其有可能在高密度能量存储、薄膜器件(如MEMS,GB2DRAM)、高介电电容器等一系列领域中获得广泛的应用。近年来,6CibTiQ2材料得到学术界的重视，但
5、是还没有对其介电特性和压敏特性进行系统归纳。本文以基本结构、机理探讨为基础，性能应用为目的，系统综述了CaCwTiQ?材料的研究状况。1CaCujTi4Oi2的结构CaCu3Ti4O>2(CCTO)是一种具有BCC类钙钛矿结构的复杂氧化物，在晶体学上属于加3空间群，常温下的晶格常数约为017395m。其结构如图1所示，单胞中各原子的坐标为:Ca(000);Cu(01212);Ti(141414);0(0130380117970)。图1CaCmThg的晶体结构示意图⑹Fig.1CrystalstructuresketchofCaCu^Oiz（61Ti原子处于氧八面体的
6、中心,Cu原子通过4个键与O原子相连，而Ca与0没有形成化学键。在正六面体体心和六面体的8个顶点占据着Ca原子，在六面体的12条棱中心和6个面的面心占据着Cu原子，在晶胞内有8个相互夹角为141°的8个TiO,八面体,TiO6八面体是斜置的。研究表明具有钙钛矿结构的BaTiOs在120°C左右晶体结构从具有铁电性的四方转变为顺电的立方。Subramanian等⑼利用中子衍射测量各个原子键长,发现从35K到10（）K,CaCmTiaO.2的结构并没有发生变化,也就是说铁电相变没有发生。热膨胀系数和比热容的测试结果也显示在这个温度范围内没有相变发生。这是由于具有类似钙钛
7、矿的CaCinTiQ^虽然具有TiO.A面体结构，但是由于受制于Cu原子的平面正方结构,TiO（，八面体发生倾斜且受到限制,从而使得CaCwTiQ懾体很难发生铁电相变。2CaCu3Ti4O】2的制备和表征CaCu?TijOi2器件或元件主要有多晶块体、单晶块体、多晶薄膜、外延薄膜等。CaCibTidO"元器件的制备条件和主要介电性能见表1。CaCu3Ti40.2多晶体制备的典型方法是固相反应法和传统电子陶瓷工艺。首先合成CaCu3Ti40.2粉体，用CaCO’CuO和TiCh,原料以化学配比1:3:4称量,混合、球磨,900—1000°C左右熾烧数小时，得到Ca
