三价稀土离子掺杂SrTiO_3陶瓷的缺陷结构、极化机理及击穿特性研究

钛酸锶(SrTiO3)陶瓷是脉冲功率用固态储能介质材料的重要候选体系之一，进一步提高其相对介电常数εr并保持较高的电击穿强度Eb是实现脉冲功率系统小型化和高功率化的关键技术。研究结果表明La掺杂SrTiO3能显著提高εr，但其中所涉及的不等价取代缺陷结构仍存在很大的争论，对其极化机理和击穿特性的研究则更少且缺乏系统性。本项目拟采用不同种类的三价稀土离子掺杂取代SrTiO3中的二价Sr离子，从三种可能的电荷补偿机制入手获得三个不同的特征化学式，并根据各特征化学式制备陶瓷，探讨在可能电荷补偿机制前提下陶瓷内部的真实缺陷结构。系统研究缺陷结构、界面极化与介电驰豫之间的内在关联，深入分析其高介机理。研究各陶瓷分别在直流、交流、脉冲信号电压下的击穿特性，探讨微观结构、缺陷结构和晶界特征对不同信号电压下陶瓷击穿的作用机制。本研究可望为设计新型高储能密度稀土掺杂SrTiO3陶瓷提供一定的理论指导。

本课题围绕三价稀土离子掺杂钛酸锶陶瓷的缺陷结构、极化机理及介电性能等相关内容展开研究，很好地完成了项目申请书的预期研究目标，主要取得了以下重要研究成果：. (1) 系统研究了稀土Nd掺杂SrTiO3陶瓷的相结构、微观结构及介电性能，探讨了由于三价离子Nd取代二价离子Sr所引起的电荷不平衡补偿机制，基于陶瓷保持高击穿强度这一事实，提出了阳离子空位电荷补偿而不是电子补偿的内在缺陷结构机制。在宽的温度范围(-60℃~550℃)和宽的频率范围(20 Hz~1 MHz)研究了Nd掺杂SrTiO3陶瓷的弛豫特性与交流阻抗特性，分析了陶瓷的界面极化机理；研究了陶瓷在室温下的电击穿性能，提出晶界的高度绝缘特性决定了陶瓷具有高的电击穿强度，同时，稀土掺杂导致的晶粒细化也是陶瓷具有高电击穿强度的原因之一。. (2) 基于阳离子空位电荷补偿机制，分别采用预先引入A位Sr离子空位和B位Ti离子空位电荷补偿方式进行配方设计，成功制备了不同种类三价稀土离子掺杂SrTiO3陶瓷，其化学式分别为Re0.02Sr0.97TiO3和Re0.02Sr0.98Ti0.995O3 (Re=La，Pr，Sm，Nd，Gd，Dy，Er)，结果表明陶瓷均为纯立方钙钛矿结构，从实验上证实了预设A位Sr离子和B位Ti离子空位进行电荷补偿的可行性。研究获得了综合介电性能优良的稀土掺杂SrTiO3陶瓷：介电常数εr>3000，介电损耗tanδ<0.03，电击穿强度Eb>140 kV/cm，加上其具有良好的温度稳定特性和偏压稳定特性，该陶瓷是良好的中高压固态高密度储能电容器陶瓷候选材料之一。. 本项目共发表学术论文8篇，其中SCI收录7篇，EI收录1篇。在本项目的支持下，研究组成员共参加学术会议9人次，其中项目负责人作邀请报告2次。邀请国内专家到课题组进行学术访问交流累计2人次，共培养硕士研究生2名。