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CAS Key Lab of Inorganic Functional Materials and Devices, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, P. R. China
Most widely used dielectrics for MLCC are based on BaTiO3 composition which inevitably shows performance degradation during the application due to the migration of oxygen vacancies (). Here, the BaTiO3, ()TiO3, Ba()O3, ()()O3, ()()O3 ceramics (denoted as BT, BCT, BTM, BCTM and BCDTM, respectively) were prepared by a solid-state reaction method. The core-shell structured grains (200 nm) featured with 10-20 nm wide shell were observed and contributed to the relatively flat dielectric constant-temperature spectra of BTM, BCTM and BCDTM ceramics. The TSDC study found that the single/ mix doping of Ca, especially the Mg, Mg/Ca and Mg/Ca/Dy could limit the emergence of during the sintering and suppress its long-range migration under the electric-field. Because of this, the highly accelerated lifetimes of the ceramics were increased and the value of BCDTM is 377 times higher than that of BT ceramics. The junction model was built to explain the correlation mechanism between the long-range migration of and the significantly increased leakage current of BT-based dielectrics in the late stage of HALT.
BaTiO3-based dielectrics failure mechanism microstructure regulation oxygen vacancies leakage current Journal of Advanced Dielectrics
2023, 13(2): 2350002
BaTiO3凭借其较高的电光系数、优良的压电性质和非线性光学性质, 成为制备高性能电光调制器的关键材料。其制备方法、实验条件和衬底的选择等决定了薄膜的质量、生长取向和电光系数等, 进而影响电光调制器的传播损耗、半波电压、消光比等性能。本文从电光调制器的工作原理出发, 围绕BaTiO3薄膜的制备方法、实验条件和薄膜衬底等, 探讨了成膜的取向和质量的影响因素, 分析了各个BaTiO3薄膜制备方法的优缺点, 论述了波导的结构及参数, 并展望了未来优化BaTiO3薄膜制备和波导制作工艺的方向。
BaTiO3薄膜 电光调制器 波导 电光系数 化学气相沉积法 分子束外延法 BaTiO3 thin film electro-optic modulator waveguide electro-optic coefficient chemical vapor deposition method molecular beam epitaxy method
1 福建贝思科电子材料股份有限公司, 龙岩 366300
2 福州大学材料科学与工程学院, 福州 350108
由于在-55~150 ℃存在正交-四方和四方-立方相变, 相变对应的尖锐介电峰使BaTiO3陶瓷介电性能难以满足X8R温度稳定性要求。本文采用50 nm的纳米BaTiO3粉体和少量堇青石(MgO-Al2O3-SiO2, MAS)玻璃, 制备了满足X8R介电温度特性的BaTiO3基细晶陶瓷。结果表明, 随着MAS玻璃的加入, BaTiO3基陶瓷的室温晶体结构从四方相转变成赝立方相, 平均晶粒尺寸从纯BaTiO3陶瓷的1.904 μm显著降低到添加0.5%(质量分数)MAS玻璃的BaTiO3基陶瓷的183 nm。与此同时, BaTiO3基陶瓷虽然介电常数有所下降, 但是介电损耗和介电性能的温度稳定性大幅度改善。其中添加0.5%MAS玻璃的BaTiO3基细晶陶瓷介电性能为: 在1 kHz时室温介电常数为984, 介电损耗为0.006 5, 满足X8R温度特性要求。
介电性能 细晶 MAS玻璃 介电损耗 BaTiO3 BaTiO3 X8R X8R dielectric property fine grain MAS glass dielectric loss
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1 School of Materials Science and Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, P. R. China
2 School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, P. R. China
In this work, Li2CO3 was added into 0.70.30.01molMnO2 (70BFBTMn) piezoelectric ceramics to reduce their sintering temperatures. 70BFBTMn ceramics were sintered by a conventional solid reaction method, and their structural, dielectric, piezoelectric and ferroelectric properties were studied. These results indicate that 0.5% (mole) Li2CO3 is the optimized content and it can reduce the sintering temperature by 100C, making the possibility of the piezoelectric ceramics cofiring with Ag electrodes at low temperatures to manufacture multilayer piezoelectric actuators.In this work, Li2CO3 was added into 0.70.30.01molMnO2 (70BFBTMn) piezoelectric ceramics to reduce their sintering temperatures. 70BFBTMn ceramics were sintered by a conventional solid reaction method, and their structural, dielectric, piezoelectric and ferroelectric properties were studied. These results indicate that 0.5% (mole) Li2CO3 is the optimized content and it can reduce the sintering temperature by 100C, making the possibility of the piezoelectric ceramics cofiring with Ag electrodes at low temperatures to manufacture multilayer piezoelectric actuators.
Piezoelectric ceramics BiFeO3–BaTiO3 low temperature co-fired ceramic technology Journal of Advanced Dielectrics
2022, 12(6): 2241003
1 1.山东大学 材料科学与工程学院, 材料液固结构演变与加工教育部重点实验室, 济南 250061
2 2.齐鲁工业大学(山东省科学院) 化学与化工学院, 济南 250353
钛酸钡(BaTiO3)具有优异的介电、铁电、压电和热释电等性能, 在微电子机械系统和集成电路领域具有广泛的应用。降低BaTiO3薄膜的制备温度使其与现有的CMOS-Si工艺兼容, 已成为应用研究和技术开发中亟需解决的问题。本研究引入与BaTiO3晶格常数相匹配的LaNiO3作为缓冲层, 以调控其薄膜结晶取向, 在单晶Si(100)基底上450 ℃溅射制备了结构致密的柱状纳米晶BaTiO3薄膜。研究表明：450 ℃溅射温度在保持连续柱状晶结构和(001)择优取向的前提下, 能获得相对较大的柱状晶粒(平均晶粒直径27 nm), 一定残余应变也有助于其获得了较好的铁电和介电性能。剩余极化强度和最大极化强度分别达到了7和43 μC·cm-2。该薄膜具有良好的绝缘性, 在 0.8 MV·cm-1电场下, 漏电流密度仅为10-5 A·cm-2。其相对介电常数εr展现了优异的频率稳定性：在1 kHz时εr为155, 当测试频率升至1 MHz, εr仅轻微降低至145。薄膜的介电损耗较小, 约为0.01~0.03 (1 kHz ~ 1 MHz)。通过电容-电压测试, 该薄膜材料展示出高达51%的介电调谐率, 品质因子亦达到17(@1 MHz)。本研究所获得的BaTiO3薄膜在介电调谐器件中有着良好的应用前景。
硅 BaTiO3 铁电薄膜 柱状纳米晶 介电调谐率 品质因子 silicon BaTiO3 ferroelectric film columnar nanograins dielectric tunability figure of merit
桂林电子科技大学, 材料科学与工程学院,电子信息材料与器件教育部工程研究中心, 广西信息材料重点实验室,桂林 541004
近年来, 冷烧结低温制备陶瓷引起了很大关注, 并在BaTiO3陶瓷的制备上取得了一定进展。为了提高冷烧结BaTiO3陶瓷性能, 本研究采用水热法制备了分散性好、粒径为100 nm的四方相(晶格参数c/a为1.0085) BaTiO3粉末。采用0.1 mol/L的乙酸在100 ℃/1 h的条件下对粉末进行水热活化处理。以质量分数10% Ba(OH)2·8H2O为熔剂, 在350 MPa、400 ℃/1 h的条件下对粉体进行冷烧结, 最后经600 ℃/0.5 h退火获得了相对密度为96.62%、晶粒尺寸为180 nm, 常温介电(εr)为2836, 介电损耗(tanδ)低至0.03的BaTiO3陶瓷。乙酸处理后高活性粉末表面形成的非晶钛层有效促进了陶瓷的致密化, 抑制了杂相的生成和晶粒长大, 提高了介电性能, 大幅改善了冷烧结BaTiO3陶瓷出现的介电弥散现象, 从而实现了BaTiO3陶瓷的低温冷烧结制备。
纳米BaTiO3 介电陶瓷 冷烧结 低温制备 介电性能 nano-BaTiO3 dielectric ceramics cold sintering low temperature preparation dielectric properties
1 国网陕西省电力有限公司电力科学研究院, 西安 710100
2 国网(西安)环保技术中心有限公司, 西安 710100
3 国网陕西省电力有限公司, 西安 710048
4 国网陕西省电力有限公司渭南供电公司, 渭南 714000
5 国家电网有限公司, 北京 100031
本文采用传统固相反应法, 成功制备了新型无铅弛豫铁电陶瓷(1-x)［0.9BaTiO3-0.1Bi(Mg0.25Ta0.5)O3］-xBi0.5Na0.5TiO3。结果表明, 较高居里温度的Bi0.5Na0.5TiO3的引入, 使得材料体系中建立了更多的以Bi-O耦合为主的极性纳米区域, 弥补了因Bi(Mg0.25Ta0.5)O3的加入导致的宏观极化强度的减少, 提高了材料的饱和极化强度, 实现了较高储能密度的同时具有更好的温度稳定性。在245 kV/cm电场强度下, x=0.2样品的储能密度约为4.01 J/cm3, 储能效率约为84.86%, 同时该组分在20~170 ℃储能密度的变化率小于5%, 储能效率的变化率小于6%, 表现出优异的温度稳定性。
无铅 弛豫铁电体 能量存储 BaTiO3基陶瓷 储能效率 温度稳定性 lead free relaxor ferroelectric energy storage BaTiO3 based ceramics energy storage efficiency temperature stability
华东师范大学 电子科学系, 极化材料与器件教育部重点实验室, 上海 200241
多铁材料在新型器件领域的应用非常广泛, 其研究已成为当今材料研究领域的热点之一。钛酸钡(BaTiO3, BTO)在室温下具有较强的铁电性、高介电常数和电光特性等丰富的物理性能, 吸引了科研人员对其进行多铁化的研究。本工作通过固相烧结法制备BTO和BaTi0.94(TM1/2Nb1/2)0.06O3(TM = Mn/Ni/Co)陶瓷, 系统研究了B位共掺杂对陶瓷的生长特性与电学、磁学和光学方面的影响。实验结果表明: 掺杂有效抑制了六方相的产生, 样品晶体结构由四方相向立方相转变, 不同元素离子半径的差异使得相变的程度有所不同。通过拉曼散射发现BTO基陶瓷四方相的特征峰变弱, 进一步证明了共掺杂导致四方相减少。介电温谱表明BaTi0.94(TM1/2Nb1/2)0.06O3的居里温度(TC)也较BTO有大幅度降低, 同时样品的铁电性虽然也明显削弱, 但是还保持有较好的铁电性, 这些都和晶体结构的相变程度密切相关。磁性测试结果表明: 在三组共掺组分中, Ni-Nb共掺杂具有最好的室温铁磁性, 铁磁性的形成机制可以通过F中心交换(F-center exchange, FCE)理论来解释。与BTO相比, BaTi0.94(TM1/2Nb1/2)0.06O3的带隙明显减小, 这主要是因为掺杂产生杂质能级使带隙减小, 与能带理论吻合。上述结果表明: 通过B位共掺杂可以获得室温下铁电性与铁磁性共存的BTO基多铁陶瓷, 有望在多铁性功能器件中获得更广泛的应用。
钛酸钡 铁电性 多铁性 掺杂 BaTiO3 ferroelectric multiferroic doping
以聚丙烯腈(PAN)基碳纤维无纬布和短切网胎纤维交互叠层针刺, 在预制体制备过程中掺杂0%、5%、15%、25%和35%五种不同质量分数的BaTiO3, 制备得到纵向纤维排布环形碳纤维预制体, 通过化学气相沉积(CVD)和液相浸渍相结合的方法, 制备得到BaTiO3改性碳/碳复合材料。对该复合材料进行垂直和平行两个方向的力学性能测试, 并且观察断口处的组织结构及其形貌特征。结果表明, 引入纳米BaTiO3后, 加快了热解碳形核与生长的过程, 改变了热解碳的组织结构, 由单一的光滑层组织结构转变为光滑层和粗糙层两种组织结构。随着BaTiO3含量的增加, 复合材料的垂直压缩强度先基本不变后逐渐增大, 平行压缩强度先增大后减小。复合材料的垂直压缩断裂方式均为脆性断裂, 平行压缩断裂方式也均为脆性断裂同时呈现层间断裂的特征。
碳/碳复合材料 垂直压缩 平行压缩 脆性断裂 层间断裂 C/C composite BaTiO3 BaTiO3 vertical compression parallel compression brittle fracture interlaminar fracture
1 桂林电子科技大学材料科学与工程学院, 桂林 541004
2 桂林电子科技大学, 广西信息材料重点实验室, 桂林 541004
BiFeO3基无铅压电陶瓷常因漏电流较大而压电性能欠佳, 然而, 改善其绝缘性和电性能的方法都较为复杂, 限制了其产业化生产与应用。本工作在不针对0.7BiFeO3-0.3BaTiO3陶瓷进行组分掺杂以及气氛烧结的条件下, 仅通过简单的原料预处理(改变Fe2O3原料的干燥时间)即实现了其高绝缘性与高压电性能。研究结果表明,0.7BiFeO3-0.3BaTiO3陶瓷的晶粒尺寸和绝缘性随Fe2O3原料干燥时间的增加而增大, 同时其电性能及温度稳定性也随之增强。当原料干燥时间为192 h时, 样品晶粒尺寸最大, 绝缘性最好, 同时其压电性能(d33=203 pC/N,kp=0.33)和居里温度(Tc=460 ℃)也达到最佳。这为今后BiFeO3基陶瓷压电性能的研究提供了一个新思路。
无铅压电陶瓷 原料预处理 绝缘性 压电性能 居里温度 温度稳定性 0.7BiFeO3-0.3BaTiO3 0.7BiFeO3-0.3BaTiO3 lead-free piezoelectric ceramics raw material pretreatment insulating piezoelectricity Curie temperature temperature stability
