高介电常数BaTiO3陶瓷畴反转电流影响因素的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)天津师范大学物理与电子信息学院 作者:张艳杰

  采用溶胶-凝胶结合二次煅烧的方法制备了高介电常数BaTiO3陶瓷,通过X射线衍射分析得到所制备的体系为四方相和立方相共存结构,从扫描电镜的图像中能观察其晶粒尺寸为1μm。通过TF2000铁电分析仪得到其介电常数在煅烧温度为1310℃,保温时间为4h,室温、测试频率为100Hz、测试电压为100V的条件下最大值为38306。研究了BaTiO3铁电陶瓷的反转电流随温度、频率和电压的影响规律,研究发现随着温度的升高反转电流缓慢降低,而随着电场和频率的增加反转电流迅速升高。从能量的观点也能进一步分析温度和电场对于反转电流的影响。

1、引言

  BaTiO3陶瓷是一类具有ABO3型钙钛矿晶体结构的典型的铁电陶瓷,由于它的高介电性和高铁电性广泛用于电容器、正温度系数(PTC)元件、探头以及介质放大器等电子元件中。Xu Huarui等用热液合成法合成80nm高纯度的BaTiO3粉末的最大介电常数为6200;Xie Yahong等用水热法在低温下混合氢氧化物的方法制备的纯BaTiO3在居里温度(130℃)处频率为1000Hz的测试条件下介电常数为9500,而该样品在室温下的介电常数低于3000。

  铁电陶瓷的一个突出的特点就是电畴的反转,在铁电材料中铁电畴在足够大的电场或者应力下瞬间就会发生反转从一种畴转化为另外一种畴,而电畴反转行为是极化反转随时间变化的结果,所以研究反转电流就可以更加深入地理解铁电体的畴反转过程。漏电流也是反转电流的一部分,但是由于BaTiO3陶瓷具有高的电阻率和相对低的外电压,所以可以忽略漏导电流对反转电流的影响。Sun和Kalkur用一个指数增长和衰减电流来模拟铁电体电容器的极化反转情况。Lente等用瞬间电流测试和电滞回线测试来研究PZT陶瓷的畴壁的影响。

  本文通过溶胶-凝胶结合二次煅烧的方法制备了BaTiO3陶瓷,通过TF2000铁电分析仪在室温下、小信号频率为100Hz、小信号电压为100V 的测试条件下测试煅烧温度为1310℃保温4h得到BaTiO3的最大介电常数为38306。

  本文通过对BaTiO3陶瓷的反转电流随着温度、频率和电压的依赖关系深入研究电流反转过程。

2、实验过程

  采用乙酸钡(质量分数为99.5%、分析纯)、钛酸丁酯(98.0%、化学纯)为前驱体,采用无水乙醇(99.7%、分析纯)和冰乙酸(99.5%、分析纯)作为溶剂。首先将0.1mol乙酸钡溶解在90mL的质量分数为36%的冰醋酸中作为A溶液,同时将0.1mol的钛酸丁酯混合0.6mol乙醇和0.3mol乙酸作为B溶液。将AB溶液混合均匀在60℃水浴锅中反应0.5h得到溶胶,然后在烘箱中烘干得到干凝胶。将干凝胶在马弗炉中煅烧得到粉末之后研磨,然后将粉末进行第二次煅烧研磨,得到钛酸钡粉末,并将粉末在压片机下压成直径为10mm 的圆片,在马弗炉中进行煅烧得到BaTiO3陶瓷的过程。所得陶瓷表面进行抛光之后,两面涂有银浆在TF2000铁电分析仪下测试其介电性质。

  其中电容-电压曲线(C-V 曲线)和畴反转电流曲线是由德国生产的型号为TFABU 487-1的TF2000铁电分析仪测试得到。晶体结构是由德国布鲁克公司生产的型号为D8.Advance的X射线演示仪(XRD)测试得到,测试条件为Cu靶单晶管。表面形貌和晶粒尺寸是由日立公司生产的型号为S-3000N的扫描电镜(SEM)下观察得到的。

3、结果和讨论

  图1为BaTiO3的XRD表征。从图1中最强烈的峰能够很清楚地看到本文得到的具有ABO3型的纯钙钛矿晶体结构,在45°附近的峦峰(002/200)的出现和75°出现的双峰(103/310),说明本文得到晶相为四方相和立方相共存的BaTiO3。

BaTiO3的XRD图谱

图1 BaTiO3的XRD图谱

结论

  通过溶胶-凝胶结合二次煅烧的方法制备了BaTiO3陶瓷,其平均晶粒尺寸为1μm,结构为四方相和立方相共存的钙钛矿结构,目前得到其介电常数的最大值为38306。通过TF2000铁电分析仪的测试得到其反转电流随电压和频率的升高,反转电流显著增大,说明电压和频率的升高可以加快畴的形成和反转速度。而随着温度的升高反转电流微弱地降低,说明温度的升高使得畴产生一个热浮动,进而降低了剩余极化和矫顽场,但是这一热浮动对于反转粒子的影响是相对较小的。而通过能量的观点也能解释温度和电场对于畴反转的影响。

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