La2O3对Ba0.92Sr0.08Ti0.9Sn0.1O3介质瓷结构及性能的影响

　　Ba1-xSrxTiO3(BST)铁电陶瓷材料因其具有独特的介电性能、热释电和声光性能而使之在微电子学、集成光学、光电子学以至铁电致冷等高技术领域中得到广泛的应用[1]。目前为获得较高的介电常数(εr)、低的损耗(tanδ)和高的可调性及其他各方面性能,国外采用的方法主要有向钛酸锶钡系统中加入金属氧化物或其衍生物,如Al2O3[2]、ZrO2[3]、Bi2O3[4]及MgO、MgZrO3、MgAlO4、MgTiO3等改性剂[5-6];向Ba0.6Sr0.4TiO3-MgO系统中加入不同的稀土元素氧化物如CeO2、La2O3等[7],以改变材料的介电性能和烧结性能及稳定性等;Y3+、Ta5+、Sc3+等取代Ti离子用以提高材料的温度稳定性[8-9]。

　　通过改变材料的组成和结构,可在很宽的范围内调整该系陶瓷材料的εr、tanδ和居里温度(TC),满足不同的需要。但从现有的报道来看,其tanδ仍偏大。笔者研究了掺杂La2O3对BST系陶瓷材料介电性能的影响。

　　1　实验

　　采用分析纯的原料为BaCO3、SrCO3、SnO2、TiO2、Y2O3(微量)和La2O3等。主配方为Ba0.92Sr0.08Ti0.9Sn0.1O3(BSTS),掺杂剂为Y2O3和La2O3,其中La2O3的摩尔分数为0.1%~0.8%。按照主配方称取BaCO3、SrCO3、SnO2和TiO2等原料,在V(料)∶V(球)∶V(水)=1∶1∶2的条件下将混合球磨4 h,其中水为去离子水;球磨料干燥后经过1 080℃预合成,加入Y2O3和La2O3,在V(料)∶V(球)∶V(水)=1∶1∶1.5的条件下将混合球磨6 h;球磨料干燥后加入w(PVA)=7%水溶液进行造粒,造粒料过40目筛,然后在250 MPa压强下压制成 10 mm×2 mm的圆片试样。试样分别在1 310℃、1 320℃、1 330℃和1 340℃下进行烧结,烧成后的试样经超声清洗后,经610℃烧渗银电极,然后对试样进行性能测试。

　　本实验采用Philip XL30 ESEM型扫描电镜对各试样进行了微观形貌的观察。采用Cu Kα靶X-射线衍射(XRD, Rigaku D/max 2500 V/pc)对其显微结构进行分析。Automatic LCR Meter 4225仪器测试试样的电容量C和介质损耗因数D(测试条件为1 kHz,温度为25℃),材料的介电常数-温度谱采用Automatic LCR Meter 4225结合智能温度控制系统测得。根据下式计算试样的εr、tanδ及介电常数的变化率:

　　εr=14.4Ch/Φ2   (1)

　　tanδ=fD/1 000    (2)

　　Δε/ε=(ε25℃-ε85℃)/ε25℃     (3)

　　式中　h为试样的厚度;Φ为试样的电极直径;f为测试频率;ε25℃、ε85℃分别为在25℃及85℃的介电常数。

　　2　结果与讨论

　　2.1　La3+含量对试样微观形貌及结构的影响

　　图1为掺杂不同La3+含量的微观形貌。由图可知,在1 340℃下所观察到的显微形貌随着La3+含量的增加呈较明显的变化。在x(La3+)=0.1%时有明显的气孔,随着La2O3含量的加入,粒径明显减小细化,气孔消失。在x(La3+)=0.6%时试样的晶粒排列紧密且粒径较小,几乎无气孔。这是由于La2O3的加入,使得部分La3+沉积在晶界位置,在晶界处的La3+抑制晶粒的长大,从而随着La2O3的加入,晶粒尺寸趋于减小细化且均匀。