高密度CaCu3Ti4O12陶瓷的介电性质
郝文涛1,2, 张家良3, 徐攀攀3, 曹恩思1,2, 彭华1,2
1. 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 太原 030024
2. 太原理工大学 物理与光电工程学院, 太原 030024
3. 山东大学 物理学院, 济南 250100

郝文涛(1984-), 男, 讲师. E-mail:hhhaowentao@163.com

摘要

利用热压方法制备了高密度的CaCu3Ti4O12陶瓷, 研究了其微观结构、晶格结构和介电性质。实验发现, 短时间热压方法制备的陶瓷的相对密度就能达到98.3%, 并且微观结构呈现晶粒尺寸双峰分布的特点。XRD显示热压方法制备的陶瓷中含有少量的Cu2O第二相, 而经过退火处理的热压陶瓷则只含有CuO第二相。热压方法制备的陶瓷和经过退火处理的热压陶瓷的室温介电频谱上有两个介电弛豫, 而常规方法制备的陶瓷只有一个。并且热压方法制备的陶瓷的低频介电常数高达2×105, 经过退火处理的热压陶瓷的低频介电常数更是达到1×106。本研究进一步讨论了其微观结构和介电性质之间的关系。

关键词: 热压方法; CaCu3Ti4O12; 微观结构; 介电性质
中图分类号:TM283   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2014)01-0067-04
Dielectric Property of High Density CaCu3Ti4O12 Ceramics
HAO Wen-Tao1,2, ZHANG Jia-Liang3, XU Pan-Pan3, CAO En-Si1,2, PENG Hua1,2
1. Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control Systems, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China
2. College of Physics and Optoelectronics, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China
3. School of Physics, Shandong University, Jinan 250100, China
Abstract

High density CaCu3Ti4O12 ceramics was prepared by the hot-press sintering technique, and their microstructure, crystalline structure and dielectric property were investigated. The hot-pressed ceramics exhibit the microstructure of bimodal grain distribution with a high theoretical relative density of 98.3%. X-ray diffraction analysis shows that there is Cu2O minor phase in the hot-pressed ceramics whereas only CuO secondary phase exists after a further thermal treatment in ambience. Both the hot-pressed ceramics and its further thermally treated one exhibit two dielectric relaxations at room temperature, whereas the conventionally sintered ceramics have only one dielectric relaxation. Moreover, the hot-pressed CCTO ceramics have an extremely large low-frequency permittivity of 2×105, which further increases to nearly 1×106 through the ambient thermal treatment. The relation between microstructure and dielectric property is also discussed.

Keyword: hot-press sintering technique; CaCu3Ti4O12; microstructure; dielectric property

现代科学技术要求电容器、滤波器、谐振器等电容性电子器件向高性能化和微型化方向发展, 高介电材料显得越来越重要。CaCu3Ti4O12(CCTO)材料受到广泛关注[ 1, 2, 3, 4, 5], 该材料不论单晶还是陶瓷都具有异常高的介电常数(~104), 并且其静介电常数在100~380 K的温度范围内几乎不发生变化[ 1, 2]。CaCu3Ti4O12通常在40 Hz~100 MHz的测试频率范围内, 室温或低温介电频谱只有一个特征频率在 1 MHz附近的介电弛豫[ 1, 2, 3, 6]; 而高温介电频谱将会在低频区间出现另一个介电弛豫[ 7, 8]

然而到目前, 人们对CCTO高介电机制的理解仍然存在很大的争议。早期, 学者们提出了多个内在机制(如高度极化弛豫模型[ 1]、Ti离子偏离晶格中心增加了氧八面体的极化率[ 9]、纳米畴内偶极扰动的弛豫性动态慢化[ 2, 10])来解释CCTO的高介电性质; 近几年, 学者们更倾向于CCTO的高介电性质是由外在机制引起的, 包括内阻挡层电容效应[ 3, 6, 11, 12]、畴界[ 8, 11, 13]、电极效应[ 8, 13, 14, 15]、表面层效应[ 16]、点缺陷排列[ 17]等因素。目前, 虽然这些机制解释还存在很大的争议, 但是大部分学者接受的观点是CCTO陶瓷高温下低频区间的介电弛豫起源于陶瓷和电极之间非欧姆接触形成的电极效应[ 15, 18], 高频区间的介电弛豫起源于由半导体性的晶粒和绝缘性的晶界形成的内阻挡层电容效应[ 3, 6, 19, 20]

在之前对于常规方法制备的CCTO陶瓷的研究中, 本课题组发现陶瓷的介电性质与其微观结构有密切的关系[ 7, 8]。但是常规方法制备的CCTO陶瓷通常相对密度比较低, 只有85%到90%[ 7], 这会严重影响到CCTO的介电性能。本工作采用热压方法制备了高密度CCTO陶瓷, 并研究了其微观结构和节点性质。

1 实验

实验中采用分析纯CuO (99.0%)、CaCO3 (99.0%)和TiO2 (99.8%)为初始原料, 按化学计量比精确秤量后用行星式球磨机球磨12 h。浆料烘干后在700℃下预烧8 h, 使其发生充分的化学反应。将预烧合成好的粉末再进行12 h球磨后分为两份, 一份用于热压方法制备CCTO陶瓷, 另一份用于常规方法制备CCTO陶瓷。把用于热压烧结的粉体装入φ2.5 cm× 4 cm的圆柱体中, 圆柱体装入石墨模具后放在热压炉的Si3N4质强压头中间。热压炉以5 ℃/min的速率升温至1050℃, 然后对填料的圆柱体施以500 kg/cm2的压力, 并保温4 h, 烧结完成后断开加热电源, 自然降温至室温; 挑选不受石墨模具和压头污染的陶瓷进行后续实验。为了研究热处理的效果, 部分热压方法制备的陶瓷又在大气中升温到950℃保温2 h进行退火处理。常规方法制备的CCTO陶瓷采用了文献[7-8]报道的制备方法, 其烧结温度为1050℃。

利用扫描电子显微镜(HITACHI S-520)分析陶瓷的断面微观结构。用X射线光电子能谱分析仪(MSAL-XD2)分析陶瓷的室温晶格结构。陶瓷表面用烧渗法(575℃保温20 min)被覆了银电极, 用于电学性质测量。利用Agilent 4294A阻抗分析仪在 40 Hz~100 MHz的频率范围内测量了陶瓷的介电频谱和复阻抗谱。

2 实验结果与讨论

图1给出了三种CCTO陶瓷的断面SEM照片。从图1(a)可以看到, 常规方法制备的陶瓷晶粒大小、分布均匀, 平均晶粒尺寸约为3 μm, 并且孔隙率较大。但是, 热压方法制备的CCTO陶瓷的孔隙率要小得多, 并且晶粒尺寸呈双峰分布, 大晶粒的尺寸达到30 μm左右, 如图1(b)所示, 这表明热压方法可以促进晶粒生长、降低孔隙率, 其微观结构同烧结时间较长的常规方法制备的陶瓷的微观结构十分类似[ 8, 12, 13, 21]。在图1(c)中, 经过退火处理的热压CCTO陶瓷依然保持晶粒尺寸双峰分布的特点, 只是大晶粒的尺寸变得更大, 而且所占体积比例分数上升了40%~60%。

图1 三种CCTO陶瓷的断面SEM照片Fig. 1 SEM images of fractured cross-section microstructures for the three different kinds of CCTO ceramics(a) Conventionally sintered, (b) hot-pressed and (c) hot-pressed and further thermally treated. The insets in (b) and (c) are the partially enlarged views

图2给出了三种CCTO陶瓷的XRD图谱。文献[22]报道通过XRD图谱可以发现常规方法制备的CCTO陶瓷存在CuO或Cu2O第二相[ 21], 并且推断在形成CCTO陶瓷高介电性质上起了极其重要的作用[ 13, 22, 23]。但是在XRD图谱(图2(a))上并没有直接观测到常规方法制备的CCTO陶瓷中存在CuO或Cu2O第二相, 而是只有CCTO的衍射峰。从图2(b)可以看到, 在热压方法制备的CCTO陶瓷中, 除了CCTO主相外, 还看到了Cu2O第二相的存在。除了热压导致晶粒的生长速率加快外, 还导致了CCTO的分解加快, 又因为在制备过程中, 陶瓷外边由石墨包覆, 处于还原环境, 所以析出的是Cu2O。从图2(c)中看到, 热压制备的陶瓷在大气中升温到950℃保温2 h退火处理后, 原来的Cu2O第二相不见了, 取而代之的是大量的CuO第二相。

图2 三种CCTO陶瓷的XRD图谱Fig. 2 XRD patterns of the three different CCTO ceramics.(a) Conventionally sintered, (b) hot-pressed, (c) hot-pressed and further thermally treated

表1列出了热压和常规方法制备的CCTO陶瓷的相对密度。总的来说, 常规方法制备的CCTO陶瓷的相对密度普遍较低, 其中烧结4 h的陶瓷的相对密度只有83.1%, 这与图1(a)中孔隙率比较大的现象是一致的。虽然随着烧结时间的延长, 陶瓷的相对理论密度不断增大, 但是烧结时间为80 h的陶瓷的相对理论密度仍然只有94.3%, 这个结果与其他学者的报道相吻合[ 3, 21]。然而利用热压方法制备的陶瓷的密度有了显著的提高, 仅仅烧结了4 h, 它的相对密度就达到了98.3%。

表1 不同制备条件下的CCTO陶瓷的相对密度 Table 1 Theoretical relative density data of CCTO ceramics prepared under the various sintering conditions

图3给出了室温下三种CCTO陶瓷的介电频谱的实部。常规方法制备的CCTO陶瓷在低频区间的介电常数几乎不随频率变化, 保持在4000左右; 在1 MHz以上频率段会有一个急剧的下降, 这同之前报道的结果相吻合[ 3, 7, 8]。而热压方法制备的CCTO陶瓷的低频介电常数高达2×105; 并且其介电常数会有两个台阶式的变化, 第一次下降开始于3 kHz附近, 第二次下降开始于300 kHz附近。退火处理后的热压CCTO陶瓷的低频介电常数又有显著的提高, 接近1×106, 这也意味着介电常数的两个台阶式的变化更加明显。热压制备的CCTO陶瓷和经过退火处理的热压CCTO陶瓷的室温介电频谱同常规方法制备的CCTO陶瓷的高温介电频谱十分类似[ 7, 8], 它们都有两个介电弛豫平台和两个类德拜弛豫。

图3 室温下三种CCTO陶瓷的介电频谱的实部Fig. 3 Real parts of dielectric dispersions measured at room temperatureSymbols of filled squares, empty circles and filled triangles represent the data for the conventionally sintered, the hot-pressed and the hot-pressed with further thermally treatment ceramics, respectively

前期研究发现CCTO陶瓷的介电性质和复阻抗性质与其微观结构密切相关, 并且提出了等效电路模型来解释实验结果[ 7, 8]。如图4所示, 这个等效电路模型包含三个RC并联单元和一个与频率相关的阻抗项 ZUDR Rg Cg代表晶粒的贡献, Rgb Cgb代表晶界的贡献, RxCx描述的是电极和陶瓷之间由于非欧姆接触形成的耗尽层效应的贡献[ 15]。接下来, 用同样的等效电路模型可解释在热压方法制备的CCTO陶瓷和经过退火处理的热压CCTO陶瓷中观察到的介电性质。基于这种模型, 介电频谱中的低频弛豫平台、中频弛豫平台和高频极限分别由 Cx、Cgb Cg确定; 高频弛豫特征频率和低频弛豫特征频率分别由 Cgb Rg CxRgb确定[ 7, 8]。从图3可以看出, 热压方法制备的CCTO陶瓷和经过退火处理的热压CCTO陶瓷的 Cgb近乎相等, 但是热压方法制备的CCTO陶瓷的 Cx要比经过退火处理的热压CCTO陶瓷的 Cx小得多。通过测量复阻抗谱, 发现常规方法制备的CCTO陶瓷、热压方法制备的CCTO陶瓷和经过退火处理的热压CCTO陶瓷的 Rg分别为85、12和16 Ω•cm; 经过退火处理的热压CCTO陶瓷的 Rgb有了明显的提高。总的来说, 之前提出的等效电路模型可以很好地描述本研究中观察到的热压方法制备的CCTO陶瓷和经过退火处理的热压CCTO陶瓷中的介电现象。

图4 用于解释CCTO陶瓷电学性质的等效电路模型Fig. 4 Equivalent circuit model to delineate the electrical properties of CCTO ceramics

如前所述, CCTO陶瓷介电频谱上的低频弛豫特征频率由 CxRgb确定。在所制备的三种陶瓷中, 热压方法制备的陶瓷和经过退火处理的热压陶瓷的 Cx要比常规方法制备的陶瓷的 Cx高两个数量级, 而 Rgb并没有如此明显的变化。所以导致热压方法制备的陶瓷和经过退火处理的热压陶瓷的低频弛豫特征频率要远远高于常规方法制备的陶瓷的这个介电弛豫特征频率。因此, 在所测试频率范围内, 热压方法制备的陶瓷和经过退火处理的热压陶瓷的介电频谱上有两个介电弛豫, 而常规方法制备的陶瓷则只有一个。

Rgb 、Cgb 、Rx Cx数值的意义在本研究中值得进一步讨论。热压方法制备的CCTO陶瓷和经过退火处理的热压CCTO陶瓷都有类似的晶粒尺寸双峰分布的微观结构和相近的平均晶粒尺寸; 而常规方法制备的CCTO陶瓷的晶粒小并且分布均匀, 气孔率较大。结合图3推断: 相对于第二相的化学组分, Cgb值受陶瓷微观结构的影响更大; 在热压CCTO陶瓷中, 第二相化学组分的变化对 Rgb值有较大的影响; 经过退火处理后 Cx Rx值有明显提高, 这是由于陶瓷内部的载流子密度因为退火处理而下降以及由此导致的陶瓷功函数发生改变引起的。

3 结论

利用热压技术制备了CCTO陶瓷, 发现热压技术可以促进陶瓷晶粒生长、降低陶瓷孔隙率, 在1050℃仅仅保温4 h进行热压烧结可以得到相对密度高达98.3%的CCTO陶瓷。所制备的高密度CCTO陶瓷具有晶粒尺寸双峰分布的微观结构, 并包含少量的Cu2O第二相。与常规方法制备的CCTO陶瓷不同, 热压方法制备的CCTO陶瓷室温下具有更高的介电常数(大约2×105)和两个介电弛豫。经过950℃退火2 h处理后, 陶瓷中只包含CuO第二相, 并且两个介电弛豫的特征变得更加明显, 其低频介电常数达到了1×106。之前提出的等效电路模型仍能很好的解释本研究中观察到的热压方法制备的CCTO陶瓷和经过退火处理的热压CCTO陶瓷中的介电现象。

The authors have declared that no competing interests exist.

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