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清华大学林元华教授课题组：同时具有巨介电常数和低介电损耗的Nb掺杂SrTiO3陶瓷

已有 786 次阅读 2024-9-24 11:09 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cai J, Qi J, Yang Y, et al. Colossal permittivity and ultralow dielectric loss in Nb-doped SrTiO₃ ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(12): 2247-2256.

文章DOI：10.26599/JAC.2023.9220815

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/377154225_Colossal_permittivity_and_ultralow_dielectric_loss_in_Nb-doped_SrTiO_3_ceramics

1、研究背景

作为电子领域快速发展的基础，电子元器件正逐渐向微型化、集成化发展，同时众多应用领域对于其综合性能的要求也越来越高。巨介电材料具有超高介电常数，意味着与相同尺寸和厚度的其他电介质材料相比具有更强的存储电容的能力和更高的能量密度，契合电子元器件的发展趋势，因此受到了广泛关注。然而，巨介电材料往往伴随较大的介电损耗，在工作场景下会导致温度升高，影响使用寿命，严重限制了其实际应用。因此研究制备能同时具有巨介电常数、低介电损耗以及良好温度频率稳定性的电介质材料具有重要的意义。

SrTiO₃作为典型的具有钙钛矿结构的线性电介质，具有较低的介电损耗、较大的击穿场强和良好的温度、频率稳定性，因此选取SrTiO₃作为巨介电材料基体，通过掺杂和气氛烧结诱导缺陷产生以获得优异的介电性能。

2、研究结果及结论

本工作采用传统固相反应法合成了化学组成为SrTiNb_xO₃ (x=0, 0.003, 0.006, 0.009, 0.012)的SrTiO₃基电介质材料（简称为STNx，x=0,3,6,9,12）。通过对陶瓷微观结构、电学性能的测试、元素价态的分析以及再氧化前后性能对比，证实了掺杂和工艺优化对SrTiO₃基体的改性效果，并揭示了该材料体系基于缺陷的主导巨介电机制。实验表明，施主离子Nb⁵⁺的引入和还原性烧结气氛（5% H₂/Ar）的使用促进了Ti³⁺和氧空位的产生，并进一步形成缺陷偶极子和缺陷偶极团簇，在提高介电常数的同时对载流子起到一定的束缚作用，从而使STN材料同时表现出巨介电常数和低介电损耗。当Nb掺杂浓度为x=0.003时，综合性能最佳，同时获得了巨介电常数（4.6×10⁴），极低介电损耗（0.005）和宽温稳定性（-60～160℃）。

图文导读

如图2所示，制备得到的STN样品均为钙钛矿结构，无杂相。随着Nb掺杂量的增大，特征峰向低角度方向偏移。根据SEM测试结果，Nb的引入会导致晶粒尺寸略微减小。

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图2 (a)STNx陶瓷样品的XRD图，(b) (110)峰局部放大图

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图3 (a)STN3, (b) STN6, (c) STN9, (d)STN12陶瓷样品的SEM图

图4给出了STNx样品的介电性能测试结果，可见随Nb含量增加，介电常数先增大后减小，各样品都获得高于3.5×10⁴的介电常数，同时维持了较低的介电损耗。其中，STN3样品温度稳定性最佳，如图5所示。

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图4 STNx陶瓷样品的室温介电频谱

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图5 STNx陶瓷样品的介电温谱

图6为STN3样品的损耗谱及活化能拟合结果，结合图7元素价态分析，认为STN系列样品获得高介电常数的来源主要是电子钉扎的缺陷偶极子效应。同时，IBLC效应对高介电常数的贡献不能被完全排除，但考虑到介电常数随晶粒尺寸变化趋势不符合IBLC效应规律，因此该效应为STN体系巨介电机制主要来源的可能较低。

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图6 STN3陶瓷样品的(a)变温介频谱，(b)损耗温谱，(c)损耗峰活化能拟合，(d)介电常数温度稳定性

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图7 (a, c) STN0，(b, d)STN3陶瓷样品的XPS图

进一步对STN3样品进行了空气退火处理，比较退火前后阻抗谱可见氧化效果主要作用于晶粒。氧化后介电性能快速恶化，表明氧空位的存在对于STN体系获得高介电性能不可或缺，证实了巨介电机制中缺陷的主导贡献。

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图8 STN3陶瓷样品(a)再氧化前阻抗谱，(b)再氧化后阻抗谱，(c)晶界活化能拟合，(d)氧化前后介电性能比较

3、作者及研究团队简介

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第一作者，蔡婧涵，清华大学材料学院博士研究生，研究方向为高介电常数陶瓷材料的成分、结构设计及性能优化等相关研究工作。

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通讯作者，林元华，博士，院长，2001.8-至今于清华大学材料学院任助研、副研究员、教授。研究领域：1. 面向高端电子用氧化物无机介质材料与器件。2.面向能源转换的氧化物高温热电材料与器件。承担包括国家自然科学基金委基础科学中心项目、国家重点研发计划等多项国家重大科研项目，并取得了一系列重大科研成果，相关研究成果多次发表在Science、Nature Energy、Nature Materials等领域内高水平期刊上，SCI论文被引用超过40000余次。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。