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高介电材料广泛应用于电容器、存储器、滤波器、谐振器等电子元器件中,是电子元器件高性能化和尺寸小型化的重要基础。通常在一种介电材料中同时实现介电常数高、介电损耗低、温度稳定性好和耐击穿电场强度高的优异性能指标是一项充满挑战的任务,因而对高介电材料的探索长期以来一直是国内外新材料领域的热点。近年澳大利亚国立大学课题组报道了(Nb,In)共掺杂TiO2陶瓷材料优异的高介电性质,介电常数可以达到104量级,而介电损耗低于5%,温度稳定性较好,即介电常数在80 K至450 K的温度范围内变化较小。该课题组还提出高介电性起源于电子钉扎缺陷偶极子效应。在随后的跟踪研究中,西安交通大学的课题组也制备了(Nb,In)共掺杂TiO2陶瓷材料,并且指出此类材料的高介电性应该是源于材料的内阻挡层电容效应,而非所谓的电子钉扎缺陷偶极子效应。作者所在课题组对(Nb,In)共掺杂TiO2陶瓷材料的高介电性的起源展开了一些研究,并成功地制备出了综合性能比较优异的陶瓷材料。在上述研究背景下,作者利用改良的固相反应法制备了若干系列的共掺杂TiO2陶瓷样品,探讨了烧结条件、退火处理和共掺杂组合对高介电性质的影响。一、制备了 一系列不同烧结温度的组分为(Nb0.5In0.5)0.01Ti0.99O2的陶瓷样品,系统地考察了微观结构和介电常数、介电损耗、耐击穿电场强度等性质。退火处理后的陶瓷样品的介电常数呈现大幅下降,晶界电阻增大,绝缘性得以提高,介电损耗大幅度降低。陶瓷样品的介电常数随烧结温度的变化较为明显;当烧结温度较低时,陶瓷样品的介电常数较小,介电损耗较大。当烧结温度条件为1400℃、退火温度为800℃时,陶瓷样品的介电常数可以达到11000左右,介电损耗可以保持在5%以下;而当烧结温度升高至1450℃时,介电常数会有所下降,介电损耗也会有所增加。退火处理后的陶瓷样品耐击穿电场强度也达到了较高的水平。介电温谱的测试结果显示,陶瓷样品的高介电性随温度的变化较小。由此可见,烧结温度和退火温度对样品的介电性能有重要的影响。二、制备了组分为(Sb0.5In0.5)xTi1-xO2 和(Ta0.5In0.5)xTi1-xO2 的陶瓷样品(式中x=0.01、0.03、0.05、0.10),研究了五价元素掺杂对共掺杂TiO2陶瓷的高介电性质的影响。通过对退火处理后的陶瓷样品的介电频谱的测试发现,当掺杂量较低、在退火温度为780℃时,这两种陶瓷样品都展现出优异的高介电性,即介电常数都可以保持在104量级,介电损耗也能控制在5%以下。对复阻抗谱的测试表明,退火处理可使陶瓷样品的晶界电阻大幅提高,绝缘性得到了很大的改善。对Ⅰ-Ⅴ曲线的测试发现,当掺杂量较低时,掺杂这两种五价元素的共掺杂陶瓷样品的耐击穿电场强度可以达到(Nb,In)共掺杂TiO2介电陶瓷的水平。可以判断,分别实施了(Sb,In)、(Ta,In)共掺杂的TiO2陶瓷样品也是综合性能比较良好的高介电材料。三、制备了组分为(A0.5Nb0.5)0.01Ti0.99O2的陶瓷样品(式中A代表Sm、Gd、Nd、Dy元素),研究了三价元素对共掺杂TiO2陶瓷的高介电性质的影响。通过与未经退火处理的陶瓷样品的比较发现,退火处理后陶瓷样品的介电常数下降较多,介电损耗也有所下降。但是,退火处理后陶瓷样品的介电损耗仍然较高,即使退火温度升高至较高值时,介电损耗仍然在20%左右。通过对陶瓷样品的复阻抗谱的测试发现,退火后陶瓷样品的晶界电阻有所提高,但仍然比退火处理后的(Sb,In)共掺杂TiO2陶瓷样品和(Ta,In)共掺杂的TiO2陶瓷样品的晶界电阻小。