类钙钛矿ACu3Ti4O12材料A位离子的选择与其巨介电性能关联性研究

高介电材料是微电子技术领域中电子元器件发展的关键材料和研究热点。项目拟采用溶胶-凝胶法制备ACu3Ti4O12材料的致密陶瓷，研究粉体、陶瓷制备条件对ACu3Ti4O12材料的相结构、微观结构和介电性能等影响，优化制备工艺。重点研究不同种类、价态、离子半径的A位离子对材料介电频谱性、介电温度稳定性以及阻抗特性等性能的影响规律，揭示ACu3Ti4O12材料具有巨介电性的本质，阐明ACu3Ti4O12材料产生巨介电的机制，提出产生巨介电性能A位离子选择的基本原则。根据此基本原则，设计新型ACu3Ti4O12基二元体系，结合掺杂改性技术，研究材料的组成对相结构和介电性能的影响，从而实现类钙钛矿型结构ACu3Ti4O12材料巨介电性的调控，为片式电容器等电子元器件提供介电常数大、介电损耗低的新巨介电材料。项目的开展将促进微电子元器件向高性能和小型化的方向发展，具有非常重要的理论意义和应用价值。

本项目选择具有类钙钛矿结构的ACu3Ti4O12（ACTO）作为研究对象。首先，分别采用传统固相法和溶胶-凝胶法，设计并筛选出一系列介电性能优异的ACu3Ti4O12 (ACTO, A=Ca, Cd, Y2/3, La2/3, Bi2/3, Na0.5Y0.5, Na0.5Bi0.5, Na0.5La0.5)介质材料，同时利用交流阻抗分析、EDX能谱以及XPS光电子能谱分析技术，阐明了ACTO材料显微结构与宏观电性能之间的相互关联性（半导化晶粒和绝缘化晶界），揭示了ACTO材料巨介电性物理起源，探索了ACTO材料半导晶粒和绝缘晶界的物理根源；其次，通过A、B位离子掺杂取代以及新型ACTO-ATiO3二元体系的设计进一步优化了ACTO材料的介电性能，特别是低频介电损耗的降低，并揭示了与低频介电损耗降低相互关联的物理机制。另外，提练出了类钙钛矿型ACTO材料产生巨介电性能的A位离子选择的基本原则；最后，研究了ACTO材料在介温谱中不同温度范围内出现的介电弛豫行为，尤其深入分析并提出了ACTO材料的高温介电异常物理机制。最终获得了一系列具有巨介电常数、低介电损耗，且介电性能温度、频率稳定性优越的新型ACTO巨介电材料。本项目共发表SCI源期刊论文38篇(标注），获授权发明专利6项。培养毕业博士生2名，毕业硕士研究生7名。