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        BCZT陶瓷的Nd3+摻雜機(jī)制與介電性能研究

        2018-08-14 08:25:30丁士華宋天秀那文菊
        關(guān)鍵詞:電性能陶瓷補(bǔ)償

        丁士華,彭 勇,宋天秀,那文菊

        (西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 成都 610039)

        具有ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的無鉛材料越來越受到人們的重視。特別是BaTiO3基鐵電陶瓷,由于其優(yōu)良的介電與壓電性能,被廣泛應(yīng)用于陶瓷電容器及正溫度系數(shù)電阻器等電子器件中[1-2]。摻雜的BaTiO3陶瓷,其居里溫度高于室溫(約120 ℃),且介電常數(shù)較小,其使用性能受到限制。近年來,科研工作者對BaTiO3基陶瓷材料體系做了大量工作。在理論模擬方面,Lewis等[3]研究了在不同氧分壓情況下各種本征和非本征缺陷能;Buscaglia[4]運(yùn)用平均場模擬,發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)離子半徑是衡量替代位置的一個重要參量。在實(shí)驗(yàn)方面,主要集中在BaTiO3基陶瓷體系的離子替位以及非化學(xué)計(jì)量比等方面,探索其結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系[5-10],研究表明:離子摻雜的替代位置、補(bǔ)償機(jī)制都會對陶瓷電性能產(chǎn)生影響;離子半徑及其化合價差異也將影響著材料的松弛行為[11]。由此可知:研究離子摻雜機(jī)制、介電松弛行為有助于改善BaTiO3基陶瓷材料的室溫介電特性, 提高其使用性能。目前,通過實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合去描述其介電松弛行為,國內(nèi)還鮮有報(bào)道。

        對BaTiO3-BaZrO3陶瓷體的研究表明,Zr4+替代B位的Ti4+能離子可以使居里溫度降低,介電峰值溫度變寬[5-7]。Mitsui等[8]研究Ca2+添加到BaTiO3時發(fā)現(xiàn),介電峰值發(fā)生微小變化,但峰值范圍變寬。Baskaran等[9]也發(fā)現(xiàn)Ca2+的添加能微弱減小鐵電相的轉(zhuǎn)變溫度。本課題組在研究Ca2+摻雜Ba(Ti0.82Zr0.18)O3時發(fā)現(xiàn),Ca2+能減小陶瓷晶粒尺寸,且是很好的展寬劑,也可以調(diào)節(jié)居里溫度[10]。為此,本實(shí)驗(yàn)以(Ba0.92Ca0.08)(Ti0.82Zr0.18)O3(簡稱BCZT)為基體材料。由于稀土元素在許多方面具有獨(dú)特性質(zhì),因此常被用作添加劑。近年來,對BaTiO3體系陶瓷的摻雜改性備受關(guān)注。本文選用Nd3+對A位進(jìn)行摻雜研究,討論了(Ba0.92-xCa0.08Ndx)(Ti0.82Zr0.18)O3(簡稱BCZT-x,0≤x≤0.02)陶瓷樣品的結(jié)構(gòu),模擬計(jì)算了各種缺陷能、缺陷簇能及溶解能,并對摻雜機(jī)制與介電性能做了分析和闡述。

        1 實(shí)驗(yàn)過程與模擬方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)過程

        以BaCO3、TiO2、ZrO2、CaCO3和Nd2O5為原料(分析純),采用固相反應(yīng)工藝制備(Ba0.92-xCa0.08Ndx)(Ti0.82Zr0.18)O3(0≤x≤0.02)陶瓷樣品。以去離子水為介質(zhì)、二氧化鋯球?yàn)槟ソ?,機(jī)械球磨8 h,預(yù)燒溫度為1 100℃,保溫2.5 h。二次球磨后以質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%聚乙烯醇水溶液作為黏結(jié)劑造粒,干壓成型,圓瓷片的尺寸為Φ10 mm×1 mm,燒結(jié)溫度為1 380℃,保溫時間2.5 h,隨爐冷卻。燒結(jié)樣品經(jīng)磨光清洗后被銀,用于介電性能測試。

        利用X射線衍射(XRD)(DX-2500型)進(jìn)行物相分析(管電壓35 kV,管電流20 mA,X射線源為CuKα1,λ=1.54056?,其中掃描速度為2°/min,掃描范圍2θ為20~80°);樣品的介電性能采用LCR阻抗儀(Agilent4284型)進(jìn)行測試,測試頻率范圍為1 kHz~1 MHz,測試溫度范圍為-30~130℃。

        1.2 模擬方法

        近些年,分子動力學(xué)模擬方法被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域,特別是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物的缺陷形成研究廣泛采用原子尺度的模擬計(jì)算。本文采用分子動力學(xué)模擬(GULP)軟件[12]計(jì)算BaTiO3基陶瓷中缺陷的能量。該軟件是基于Born的晶體離子模型,運(yùn)用Mott-Littleton方法模擬晶格缺陷的形成能量,離子之間的作用勢采用經(jīng)驗(yàn)公式和Dick和Overhauser的殼模型

        (1)

        α=q2/k,

        (2)

        去計(jì)算材料中本征和非本征缺陷能量。式(1)中第1項(xiàng)為庫侖作用勢, 第2項(xiàng)為Buckingham排斥勢,第3項(xiàng)為Van der Waals 勢。式(2)殼模型描述了離子的極化效應(yīng)。式中:Zi、Zj為離子電荷;e為電子電荷;A、ρ和C分別是buckingham的勢參數(shù);rij為相互作用離子的間距;α為極化系數(shù);q為殼層(shell)電量;k為核(core)與殼層的彈性系數(shù)。式(1)和(2)計(jì)算中采用的勢參數(shù)如表1所示。

        表1 Nd3+摻雜BCZT陶瓷的勢參數(shù)

        2 結(jié)果與分析

        2.1 XRD分析

        圖1為摻雜不同量Nd2O3的BCZT陶瓷樣品的XRD圖譜。由圖可知:當(dāng)x≤0.01時,各組分樣品均為單一的四方鈣鈦礦結(jié)構(gòu),當(dāng)x≥0.015時,出現(xiàn)第二相,表明Nd2O3在BCZT陶瓷的固溶度小于0.015。

        圖1 不同摻雜量BCZT陶瓷樣品的XRD圖

        2.2 摻雜機(jī)制分析

        為了研究Nd3+摻雜BCZT陶瓷Ba位的各種補(bǔ)償機(jī)制,采用缺陷化學(xué)的方法對Nd3+:BCZT晶體存在的缺陷模型進(jìn)行討論,缺陷方程用Kroger-Vink符號表示。

        ① Nd3+替代Ba2+產(chǎn)生傳導(dǎo)電子平衡

        (3)

        (4)

        ② Nd3+替代Ba2+產(chǎn)生Ti4+空位平衡

        (5)

        (6)

        ③ Nd3+替代Ba2+產(chǎn)生Ba2+空位平衡

        (7)

        (8)

        ④ 電荷自我補(bǔ)償

        (9)

        (10)

        Ebinding-energy=Edefect-associate-∑Eisolated-defect

        (11)

        表2 Nd3+摻雜BCZT陶瓷的替代能和溶解能

        表3 用于計(jì)算Nd3+摻雜BCZT陶瓷溶解能的一些表征能量

        Tsur等[15-16]在研究稀土離子摻雜BaTiO3陶瓷的占位情況時發(fā)現(xiàn):當(dāng)雜質(zhì)離子半徑大于0.094 nm(6配位)時,優(yōu)先進(jìn)入A位。同時,Takada等[17]研究表明,當(dāng)Ti4+過量時,Nd3+也會優(yōu)先進(jìn)入Ba2+位。 因此,當(dāng)Nd2O3摻雜BCZT陶瓷時,Nd3+(0.0983 nm/6配位)優(yōu)先固溶到A位。這與模擬計(jì)算Nd3+替代Ba位的能量比Ti位低是一致的(見表2)。不等價替代產(chǎn)生的缺陷補(bǔ)償機(jī)制由A、B位元素摩爾比率(n(A)/n(B) )決定[16]。

        一方面,通過表2溶解能可知,優(yōu)先補(bǔ)償方式為傳導(dǎo)電子補(bǔ)償,而事實(shí)上,大量研究表明,三價稀土離子只有在極少量施主摻雜下才可能發(fā)生電子補(bǔ)償,如謝道華等[18]發(fā)現(xiàn)只有Nd3+摻雜量x≤0.002時,BaTiO3陶瓷才會發(fā)生電子補(bǔ)償。同時,Shaikh等[19]在研究Nd2O3(0.01≤x≤0.05)摻雜BaTiO3時發(fā)現(xiàn)介電損耗較低,認(rèn)為摻雜不是由電子補(bǔ)償完成,并且發(fā)現(xiàn)Nd3+替代Ba位,電荷補(bǔ)償由Ti空位來完成。 在本文Nd3+:BCZT(x≥0.002 5)陶瓷中,由樣品較低的介電損耗,如圖3所示,可知,當(dāng)x≥0.002 5時,摻雜補(bǔ)償機(jī)制不是由傳導(dǎo)電子完成。

        圖缺陷簇的微觀結(jié)構(gòu)模型

        圖3 1 kHz下BCZT-x陶瓷樣品介電性能與摻雜量的關(guān)系

        另一方面,表2也表明自我補(bǔ)償機(jī)制的溶解能也較低。Hirose等[20]實(shí)驗(yàn)證實(shí),在n(Ba)/n(Ti)=1時,發(fā)生自我補(bǔ)償,且固溶度隨燒結(jié)溫度的增加而增加,在1 300℃時,固溶度達(dá)到0.12。Buscaglia等[4]在模擬計(jì)算雜質(zhì)離子摻雜BaTiO3陶瓷的補(bǔ)償機(jī)制時也發(fā)現(xiàn),Er3+(0.089 nm)、Y3+(0.090 nm)、Tb3+(0.092 nm)、Gd3+(0.094 nm)摻雜時,缺陷補(bǔ)償機(jī)制更偏向于自我補(bǔ)償。這與當(dāng)0.087 nm≤r≤0.094 nm, 此類離子被看作兩性離子,既可發(fā)生受體摻雜也可發(fā)生授體摻雜是一致的[15-16]。Nd3+半徑為0.098 3 nm,接近兩性離子范疇,并且Nd3+(0.0983 nm)幾乎在Ba2+(0.135 nm)和Ti4+(0.0605 nm)的中點(diǎn),故可知:在BCZT-x陶瓷中,自我補(bǔ)償機(jī)制可能發(fā)生;但由于補(bǔ)償機(jī)制與n(A)/n(B)的比率密切相關(guān),本文n(Ba+Ca)/n(Ti+Zr)<1,所以補(bǔ)償機(jī)制④,即自我補(bǔ)償不會占主導(dǎo)地位。結(jié)合溶解能的計(jì)算,在本研究材料體系中,隨著Nd3+濃度增加,補(bǔ)償機(jī)制②優(yōu)先發(fā)生。

        2.3 介電性能分析

        圖4 1kHz下BCZT-x陶瓷介電常數(shù)與溫度的關(guān)系

        不同頻率下BCZT-x陶瓷樣品的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系如圖5所示。

        圖5 x=0.000(a)、0.0025(b)、0.010(c)和0.020(d)下BCZT-x陶瓷樣品介電溫譜圖

        3 結(jié)論

        1)Nd3+摻雜BCZT陶瓷后,主晶相為四方BaTiO3結(jié)構(gòu),當(dāng)x≥0.015時,出現(xiàn)第二相。隨著Nd3+摻雜量增加,介電常數(shù)和介電損耗均減小,介電峰值溫度向低溫移動。

        2)結(jié)合實(shí)驗(yàn),通過GULP模擬可知:在BCZT-x(x≥0.0025)陶瓷中,隨著Nd3+濃度增加,Ti4+空位補(bǔ)償機(jī)制優(yōu)先發(fā)生,可能會伴隨少量自我補(bǔ)償。

        特約作者介紹

        丁士華(1963—),男,安徽懷寧人,1981.9—1988.6在西安交通大學(xué)電子工程系學(xué)習(xí), 獲電子科學(xué)與技術(shù)(電子材料與元件)學(xué)士、碩士學(xué)位,2004年獲同濟(jì)大學(xué)材料學(xué)博士學(xué)位。國家自然科學(xué)基金委評審專家、科技部項(xiàng)目評審專家、上海市科委項(xiàng)目評審專家、教育部學(xué)位論文評審專家。

        主持、參與完成國家級、省部級等各類科研項(xiàng)目20余項(xiàng)。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文140余篇,被SCI/EI/ISTP收錄文章70余篇。擔(dān)任Journal of the American Ceramic Society、IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation、Journal of Materials Physics and Chemistry 等多家國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物審稿人。

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