BaTiO3陶瓷晶粒結構及尺寸效應的理論研究.pdf

1、近年來，隨著微電子和通訊技術的發(fā)展，電子元器件的小型化和集成化成為當今電子技術發(fā)展的主流。應用于正溫度系數熱敏電阻（PTCR）的施主摻雜的BaTiO3半導體陶瓷材料和應用于多層陶瓷電容器（MLCC）的BaTiO3鐵電陶瓷材料都向著小型化方向發(fā)展。BaTiO3陶瓷的電學特性隨著晶粒尺寸減小到納米尺寸將發(fā)生巨大的變化，這種變化直接影響到器件的性能。本文以BaTiO3陶瓷作為研究對象，基于電動力學、半導體物理及Landau熱力學等理論，從理論

2、上定量的研究了BaTiO3鐵電陶瓷材料的結構、相變、介電性質及其施主摻雜的半導體陶瓷材料導電性質的晶粒尺寸效應，主要內容和結論如下：
　　 考慮到表面效應，在Landau熱力學理論的基礎上建立了一個定量的球狀納米BaTiO3鐵電陶瓷的多殼層結構模型，研究了其結構、相變及介電常數的尺寸效應。進一步，引入不均勻極化能，采用二相模型分析了各種晶粒尺寸、溫度及外電壓下的核殼結構、BaTiO3晶粒極化強度的徑向分布、相變的尺寸效應、晶體結

3、構c/a、熱電性能和介電性能的尺寸效應等。隨著晶粒尺寸減小，表面能增大，鐵電-順電相界向晶粒中心移動。隨著晶粒尺寸進一步減小，最后變成穩(wěn)定的立方相結構。表面效應導致了由表面順電層和內部鐵電核組成的BaTiO3納米粒子的多殼層結構，使鐵電順電相變彌散化。介電常數的計算結果發(fā)現隨著晶粒尺寸的減小，室溫BaTiO3陶瓷介電常數減?。粌蓚€較低的介電峰向高溫移動，而較高的介電峰向低溫移動；三個介電峰值減小且變寬。隨晶粒尺寸減小，表面順電層厚度增大

4、是介電常數減小的原因之一。
　　 研究了一唯電疇模型，計算了單疇臨界尺寸、鐵電臨界尺寸，分析了偶極相互作用對居里溫度的影響。進一步研究了三維電疇模型，通過引入一參數η來表示晶粒表面電荷補償系數，結合疇壁能得出BaTiO3納米陶瓷的鐵電性隨晶粒尺寸的變化關系，并討論了疇壁運動對介電常數的貢獻。結果指出鐵電性能的消失主要由遠程庫侖相互作用的減弱導致?？紤]電疇的影響后，能夠解釋BaTiO3顆粒的室溫介電常數在臨界尺寸以上達到最大值。<

5、br>　　 從泊松方程出發(fā)，考慮了施主、受主、電子及空穴的濃度分布對晶界勢壘的影響，并將晶界模型擴展到三維，首次建立了一個全面的、定量的模型來解釋施主摻雜的BaTiO3半導體陶瓷的導電特性。通過建立了一個關于電子能級的微分方程，按照四價標準龍格-庫塔公式求解該方程，從數值上得到晶界勢壘的能級圖。進一步計算得到BaTiO3半導瓷的阻溫關系。結果指出室溫電阻率隨施主濃度的增大形成U 形曲線。隨著晶粒尺寸減小到受主擴散長度的2倍附近時，室溫

6、電阻急劇上升。材料的升阻比在指定的受主濃度摻雜和指定的晶粒尺寸下取得極大值。
　　 分別用傾斜能帶的方法和連續(xù)介質方法研究了BaTiO3半導體陶瓷的非線性特性及晶粒尺寸效應，并分析了晶界特征。計算得到的升阻比隨著外電壓的增大而降低，在居里溫度以下的電流電壓特性很弱，而在居里溫度以上很強。非線性系數在電阻達到最大值的溫度、接近受主擴散長度2倍的晶粒尺寸達到最大值。非線性電流電壓特性的模擬結果指出電流電壓曲線分為三個區(qū)域：線性區(qū)、非

7、線性區(qū)和回升區(qū)。隨著外電壓增大，晶界勢壘在非線性區(qū)急劇下降。隨著晶粒尺寸減小，材料的擊穿電壓和非線性系數都增大。
　　 總之，本文對BaTiO3陶瓷晶粒結構及尺寸效應的研究結果與實驗數據基本吻合，合理的解釋了BaTiO3陶瓷材料的尺寸效應，并對更小的晶粒尺寸的BaTiO3材料結構及性能作出了理論預測。本文的理論結果為鐵電BaTiO3陶瓷材料的小型化、集成化的研究提供了理論依據，對制備高性能的熱敏材料及電容器材料的進一步研究具有指