高压烧结CaCu3Ti4O12陶瓷及其介电弛豫特性研究

Giant dielectric CaCu3Ti4O12 (CCTO) based ceramics is an important branch of high dielectric materials and is also a good platform for deep understanding of high dielectric materials. The exploring of controllable preparation and giant dielectric property of CaCu3Ti4O12 based ceramics is of great significance. This project is focused on controllable preparation, dielectric relaxation properties and physical mechanisms of CCTO based ceramics, and the major research content is as follows: 1)CCTO based ceramics with high dielectric constant and low dielectric loss are obtained by high pressure sintering. 2) Study on the evolution behaviors of grains and boundaries with temperature, pressure, time, atmosphere and other factors and reveal the microscopic polarization mechanism of giant dielectric properties. 3)Build giant defect-dipoles by co-doping of high valence ion (such as: Nb5+，V5+, etc.) and low valence ion (such as: K+，Na+, etc. ), study on the discipline how ion doping adjust the dielectric properties of CCTO based ceramics and explore new mechanisms of giant dielectric CCTO based ceramics. This project is mainly focused on exploration and experiment to understand the physical mechanisms of giant dielectric CCTO based ceramics.

CaCu3Ti4O12(CCTO)基巨介电陶瓷是高介电材料领域的一个重要分支，也是深刻理解高介电材料的一个良好平台，探索CCTO基陶瓷的可控制备和巨介电特性具有重要意义。本项目关注CCTO基陶瓷的可控制备、介电弛豫特性及其物理机制，主要研究包括：1）采用高压烧结技术制备高介电常数、低损耗的CCTO基陶瓷样品；2）研究CCTO基陶瓷的晶粒和界面随烧结温度、压力、时间、气氛等因素的演化行为，揭示CCTO基陶瓷巨介电特性的微观极化机制；3）采用高价离子(如：Nb5+，V5+等)和低价离子(如：K+，Na+等)共掺杂的方式构建大量的缺陷偶极子，研究离子掺杂调控CCTO基陶瓷介电特性的规律，探索CCTO基陶瓷巨介电特性的新机制。本项目以实验探索为主，深刻理解CCTO基陶瓷巨介电特性的物理机制。

CaCu3Ti4O12(CCTO)具有巨大的介电常数(达到104-105量级)、良好的温度稳定性(在100-600 K范围内介电常数基本不随温度发生变化)和压敏电阻特性。然而，CCTO表现出巨大介电常数的同时通常伴随着较高的介电损耗；CCTO的介电性能对制备条件表现出强烈的敏感性；以及CCTO巨介电效应的物理起源尚不明朗等，是困扰学术界的几个关键问题。本项目首先采用柠檬酸溶胶凝胶法、水热反应法、固相反应法等合成了ACu3Ti4O12（A=Ca, Bi2/3, Bi1/2Na1/2, La1/2Na1/2等）系列样品，接着分析了烧结温度、时间和气氛对样品的物相、微结构和介电特性的影响。PVA溶胶凝胶法法获得的前驱粉体在700℃下烧结2小时后能够获得单相的CCTO基纳米颗粒，样品的微结构和化学组分跟烧结过程密切相关，高温下烧结的前驱分体都表现出明显的晶粒-晶界结构，同时，晶粒尺寸能够调控样品的介电特性。将柠檬酸盐溶胶凝胶法制备的系列ACu3Ti4O12（A=Ca, Bi2/3, Bi1/2Na1/2, La1/2Na1/2）样品进行高压烧结处理，分别研究了压力、烧结温度对样品高介电特性的影响，X射线衍射和拉曼光谱研究表明选择适当的压力和烧结温度能够制备出单相的CCTO基陶瓷。SEM结果显示高压下样品的致密度明显提高，孔隙减少，这促进了样品介电性能的改善。采用高价离子Nb5+和低价离子Na+共掺杂CCTO基陶瓷，通过构建大量的缺陷偶极子，比较等价掺杂、非等价掺杂以及掺杂浓度对样品巨介电特性的影响，研究发现高价离子和低价离子共掺杂可以有效的降低CCTO基陶瓷的介电损耗，CCTO的巨介电特性源于其内部非均匀导电区域的微结构。本项目基于高压烧结和新的物理机制探索了获得高介电常数、低损耗的CCTO基陶瓷的方法，并探讨了CCTO基陶瓷的介电弛豫行为和巨介电特性的起源，为其在微电子器件方面的应用提供实验参考。