巨介电CCTO体系电子结构和缺陷特征及其对介电/压敏特性的影响

类钙钛矿结构CaCu3Ti4O12（CCTO）化合物具有巨介电性能和优良的压敏性能，其复杂的晶体结构和独特的介电/压敏双功能特性显示其具有丰富的物理内涵。本课题拟采用正电子湮没等技术：（1）探究体系介电反常突变前后（100K附近）电子结构和缺陷特征变化对介电常数的影响规律；（2）探究替代离子价态、磁性以及尺寸对体系晶体结构、电子结构和缺陷以及电子-声子耦合产生的影响，利用正电子湮没等理论分析上述微观信息对体系介电性能和晶粒半导化影响的机制，探索体系巨介电响应及压敏效应的机理及两者的本质联系；（3）研究CCTO/Ba(Sr)TiO3多层膜层间缺陷种类、大小、浓度分布对体系电极化、层间电畴的影响规律，从而探索多层膜体系介电/压敏特性的微观机理。该研究将为解释CCTO体系反常介电响应、介电-压敏关联等基本物理问题提供直接证据，从而为CCTO类双功能机理的理解提供基础实验资料。

CaCu3Ti4O12（CCTO）材料复杂的晶体结构和独特的巨介电/非线性压敏（双功能）特性显示其具有丰富的物理内涵和巨大的应用前景。然而其巨介电性能机理及其与压敏性能的关联机理仍存在很大争议。为此，本项目利用正电子湮没、Raman等实验技术并结合理论计算，进行了如下研究：(1)研究了CCTO陶瓷/薄膜制备工艺参数对体系微结构和物理性能的影响。发现900℃烧结、850℃氧气氛后热处理能提高CCTO体系的介电和压敏性能；600-800MPa压力下成型样品大幅提高了CCTO的介电常数，而200MPa下成型样品则提高了压敏性能；发现热处理温度和膜厚对CCTO薄膜的晶体结构有较大影响。(2)变温正电子湮没实验表明温度对正电子参数影响不明显，证明CCTO体系在低于100K温区发生的介电突变与体系的缺陷演化和结构相变无关。(3)采用元素替代法对CCTO掺杂，研究掺杂离子尺寸、价态、浓度以及占位等因素对体系晶格结构、微观形貌、缺陷浓度以及分子极化的影响；发现了微结构对体系介电和压敏特性的影响特征，并对此予以理论上的解释。(4)设计了多种性能的氧化物（导电材料、绝缘体、低介电损耗材料和多铁材料）对CCTO掺杂，发现氧化物掺杂能够引起体系微观形貌、缺陷分布、晶格结构等微结构的变化，进而对体系的介电和压敏性能产生影响。对不同功能氧化物掺杂对CCTO的影响机理进行了理论探讨和物理解释。(5)创新性地将硅橡胶与CCTO复合，得到了具有良好力学和介电性能的复合材料：质量分数各为50％的复合材料的弹性模量为1.33 MN / m2，介电常数和损耗值分别为42.4和0.0082；发现了影响复合材料力学和介电性能的重要因素。本课题的研究结果将对CCTO体系的双功能机理的理解提供有价值的实验资料，同时为正电子湮没技术用于钙钛矿结构介电材料的缺陷研究方面提供例证，在该类材料的改性和应用方面也具有一定的实际意义。