界面结构对钙钛矿微波介质材料性能的影响

B位复合钙钛矿型微波介质陶瓷是目前最受瞩目的微波介质材料体系，然而同其他微波介电体系一样，由于其内部微观结构为非均质的复合体系，影响性能的结构因素复杂且尺度跨度大，其结构与性能相关性研究无法满足新材料体系开发和性能优化的需要。非均质的微波介质陶瓷材料中，各均质结构单元间的界面对微波介质陶瓷的性能起到了决定性的作用。本项目拟将微波介质陶瓷中各类界面处理为独立的结构单元，通过设计不同的非均质界面原子结构模型，利用第一性原理方法计算分析其物理性质，将材料计算领域的尺度问题转化为界面问题，建立等效界面模型，分析界面结构与复合钙钛矿结构微波介质陶瓷性能之间相关性，并结合制备工艺研究界面结构调控，实现材料性能的优化。

按照项目研究计划，采用第一性原理的电子结构计算方法，研究界面可能出现八面体畸变、空位、取向等的特征结构，对其介电常数、损耗以及频率温度稳定性的影响规律；采用Pechini方法和水溶液凝胶法叠层制备了异质介电薄膜，从而获得特定的异质界面，以开展界面结构与性能相关性研究，并在此基础上发展了复杂组分异质薄膜的制备工艺；基于不同类型异质介电薄膜，结合建立模拟等效电路、介电常数和介电损耗的理论计算公式等手段，研究了界面对介质薄膜结构和介电性能的本征与非本征影响。. 本项目研究内容全部按原计划完成，所开展的研究工作和取得的研究结果如下：.1、对界面高应力所造成的八面体扭转和氧缺位进行了建模计算，发现以上畸变导致新键的产生、共价性的增强以及促进B位原子的有序化排列，将提高薄膜的介电性能；对不同取向与截止面类型的表面模型计算，发现 (112)取向阳离子截止表面产生了新的能级，将具备较块体内部更低的介电损耗；.2、通过对克劳修斯-莫索蒂方程的近似分析，发现改变钙钛矿结构微波介电陶瓷材料介电响应中离子位移极化和电子位移极化的比例，可调节频率温度系数。通过电子结构计算和容忍因子分析预测，并实验制备了具有近零频率温度系数的钙钛矿结构陶瓷，实验结果验证了理论分析。.3、采用Pechini方法和水溶液凝胶法制备了均一光滑致密的钙钛矿结构异质薄膜，以之为对象开展界面研究。所用原料无毒、稳定性好，获得前驱体水溶液的稳定性好，易保存，通过热处理形成致密的薄膜，为介质陶瓷异质界面研究和复杂体系薄膜的制备提供了一条有效途径。.4、以异质薄膜为对象，研究了界面层对其介电性能的影响，模拟等效电路计算结果与实验结果说明，异质界面层的存在有利于改善叠层薄膜的介电性能，通过减小异质界面层和电极界面层厚度可以有效提高薄膜的介电性能； .5、实验发现薄膜生长取向与计算结果吻合，引入采用界面处理手段，去除O原子截止面，同时降低界面过渡层的厚度，有效提高了薄膜介电性能，对于拥有相同厚度的异质薄膜，通过增加异质界面数可以使薄膜介电性能提高，增大薄膜介电常数，降低介电损耗。实验结果与计算及模拟电路分析结果一致；.6、实验发现随着薄膜厚度增加，界面效应累积引起薄膜表面粗糙度、局部应变及由薄膜晶体结构的松弛、相结构的畸变、晶体内部的缺陷等，通过非本征效应影响薄膜介电性能。