鈦酸鋇摻雜鑭陶瓷的電學(xué)性質(zhì)研究

玄兆坤， 魏淑麗

（1.河北民族師范學(xué)院，河北 承德 067000 2.承德廣播電視大學(xué)，河北 承德 067000）

鈦酸鋇摻雜鑭陶瓷的電學(xué)性質(zhì)研究

玄兆坤1， 魏淑麗2

（1.河北民族師范學(xué)院，河北 承德 067000 2.承德廣播電視大學(xué)，河北 承德 067000）

許多文獻(xiàn)報(bào)道，在鈦酸鋇陶瓷中摻入稀土多酸微量元素（0.1-0.3%），會(huì)使鈦酸鋇陶瓷的電阻率降低[1][2][3]。將鈦酸鋇摻雜鑭陶瓷阻抗譜和純鈦酸鋇陶瓷阻抗譜相比較，發(fā)現(xiàn)摻入量為0.02%時(shí)的阻抗譜和鈦酸鋇陶瓷阻抗譜形狀大體一致，可以認(rèn)為具有相同的物理過程。而當(dāng)摻入量為0.01%時(shí)，圖譜的形狀發(fā)生了變化。據(jù)此，我們采用溶膠-凝膠法制備鈦酸鋇及摻雜鑭的鈦酸鋇納米晶；利用交流阻抗譜測試其電學(xué)性質(zhì)；主要對鈦酸鋇系電子陶瓷的晶粒電阻進(jìn)行了更深的研究和探討，分析摻鑭0.01%碳酸鋇陶瓷阻抗譜，得出樣品阻抗譜所對應(yīng)的最佳等效電路和參數(shù)值。

摻鑭鈦酸鋇；納米晶；阻抗譜

引言

自從20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)鈦酸鋇的優(yōu)良的壓電和介電性能以來，關(guān)于鈦酸鋇及摻雜鈦酸鋇的制備和性能的研究已成為無機(jī)固體化學(xué)的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域，很多國家的科研工作者在這方面都展開了廣泛而深入的研究，尤其是美國、日本和韓國始終處在領(lǐng)先地位。我國對鈦酸鋇的研究起步較晚，在這方面還有許多工作有待開展。目前，從研究角度來說，對鈦酸鋇的研究主要分為兩個(gè)方面；一方面是對鈦酸鋇及摻雜鈦酸鋇的制備方法的研究，重點(diǎn)是鈦酸鋇的形成機(jī)理或是粒子的性質(zhì)。另一方面是對鈦酸鋇及摻雜鈦酸鋇電生性能的研究，而這方面研究的原料主要采用固相法合成，很少有關(guān)于液相法制備條件、燒結(jié)性能與電學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系方面的研究。因此我們選擇鈦酸鋇及摻雜鈦酸鋇的液相制備和電學(xué)性質(zhì)作為研究課題，采用溶膠—凝膠法制備鈦酸鋇及摻雜鈦酸鋇納米晶；利用交流阻抗譜測試其電學(xué)性質(zhì)；用EUIVCRT軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和解析，主要對鈦酸鋇系電子陶瓷的晶粒電阻的關(guān)系進(jìn)行了研究和探討。

1 摻雜鑭鈦酸鋇系納米晶的制備

1.1 試劑規(guī)格

氯化鑭（分析純） 醋酸鋇（分析純）

冰醋酸（分析純） 鈦酸四丁酯（分析純）

乙醇（分析純，中國上海生產(chǎn)） 2%的氨水

1.2 儀器：CS多通道電化學(xué)工作站(四通道)

掃描電鏡：Hitachi(日立)S 4800—I型場發(fā)射掃描電子顯微鏡

1.3 摻雜鑭鈦酸鋇系納米晶的制備

準(zhǔn)確稱取一定量的醋酸鋇，攪拌溶于冰醋酸中；將與醋酸鋇等摩爾的鈦酸四丁酯攪拌溶解于無水乙醇中，攪拌均勻，直到形成澄清透明的溶膠。在室溫下將鈦酸四丁酯溶膠傾倒在醋酸鋇溶膠中，攪拌0.5h，形成均勻透明的混合溶膠。

準(zhǔn)確稱量鑭元素的氫氧化物 （定量的氯化鑭溶于蒸餾水中，逐滴加入氨水，直至沉淀不再生成，抽濾，并反復(fù)用蒸餾水洗滌，除去雜質(zhì)離子。將濾餅在373K左右烘干，得到鑭元素的氫氧化物。）溶于50ml乙酸中，配成溶液備用。

制備摻雜鑭鈦酸鋇粉體時(shí)，在醋酸鋇溶膠中按預(yù)計(jì)比例摻入鑭元素的氫氧化物的醋酸溶液，在363K時(shí)回流2h，得到透明的凝膠，再在363-373K下真空干燥8-10h，得到黃色的干凝膠顆粒，研磨，過500目篩，得白色的干凝膠粉末，在973K時(shí)煅燒2h，制成摻雜的鈦酸鋇納米粉末。

1.4 稀土摻雜鈦酸鋇系列電子陶瓷的燒結(jié)

將得到的鈦酸鋇納米粉末反復(fù)研磨，再分別稱取 1g左右，在 3.5×103kg/cm2的壓力下，壓成13mm×2mm的圓片。陶瓷生片在1373K下保溫2h后退火，退火速率為10K／min。燒成的陶瓷片經(jīng)被銀、燒銀后測定電學(xué)性質(zhì)。

圖1是鈦酸鋇摻雜鑭陶瓷的SEM照片?？梢钥闯?，在燒陶過程中，鑭摻雜鈦酸鋇顆粒發(fā)生了明顯的長大，平均粒徑為150nm左右，而且有些地方還發(fā)生了燒結(jié)現(xiàn)象。這是因?yàn)殍|摻雜鈦酸鋇的原始顆粒要比未摻雜的鈦酸鋇的小，所以表面能也比較高，在相同的溫度下制陶時(shí)，更容易發(fā)生晶粒的長大和陶瓷的燒結(jié)現(xiàn)象。

2 摻雜鑭0.01%鈦酸鋇系陶瓷電學(xué)性質(zhì)

2.1 摻雜鑭0.01%鈦酸鋇陶瓷的阻抗譜分析

利用CS多通道電化學(xué)工作站，用交流阻抗譜測試其電學(xué)性質(zhì)；用EUIVCRT軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和解析后，得到摻鑭0.01%鈦酸鋇陶瓷阻抗譜和純鈦酸鋇陶瓷阻抗譜在高頻區(qū)的分布態(tài)勢是一樣的，均有一個(gè)通過原點(diǎn)的、發(fā)生畸變的?。▓D2）；這兩個(gè)圖譜的區(qū)別在于在低頻區(qū)摻雜鑭鈦酸鋇陶瓷圖譜出現(xiàn)了另一個(gè)?。▓D3），而且這個(gè)弧的半徑要遠(yuǎn)比高頻區(qū)的弧的半徑大。這說明在低頻區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)阻值較大的電阻，這樣在阻抗譜中就出現(xiàn)了兩個(gè)弧。高頻區(qū)的弧仍是由介質(zhì)的極化產(chǎn)生的，而低頻區(qū)的弧所表示的具體內(nèi)容還需將陶瓷的結(jié)構(gòu)和擬合出的最佳等效電路的形式結(jié)合在一起共同決定。

3 阻抗譜擬合分析

依然采用“試探法”對鑭摻雜鈦酸鋇陶瓷阻抗譜進(jìn)行擬合，所采用的等效電路對應(yīng)的電路碼分別為：（[R1Q2]Q3）、([R1Q2]C3)、（[R1Q2][R3C4]） 和 （[R1(R2Q3)]Q4）。表1列出了由這些等效電路擬合出的結(jié)果。

表1 制定等效電路對摻鑭0.01%鈦酸鋇陶瓷擬合結(jié)果

從以上擬合數(shù)據(jù)可以看出，等效電路（[R1(R2Q3)]Q4）擬合效果最好，圖4時(shí)擬合出的阻抗和Bode圖譜，實(shí)測圖譜和擬合圖譜均吻合較好。

分析有效電阻R2在等效電路中的位置，可知它和表示弛豫現(xiàn)象的有效電阻R1串聯(lián)，和表示電容的常相角元件Q4并聯(lián)，由此可以得知它表示的是陶瓷晶粒的電阻，所以，在低頻區(qū)的弧應(yīng)為晶粒內(nèi)部弧。這說明當(dāng)鑭的滲入量為0.01%，晶粒電阻得到了一定程度的降低，已在阻抗譜中體現(xiàn)出來。證明了等效電路（[R1(R2Q3)]Q4）和純鈦酸鋇陶瓷的等效電路表示了相似的物理過程，即在陶瓷對交變電場的相應(yīng)過程中，介質(zhì)的極化還是過程的主要方面。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在鈦酸鋇中摻雜鑭的摻入量為0.01%時(shí)，使晶粒電阻降低了，為以后鈦酸鋇納米晶粒電阻的進(jìn)一步降低，直至形成半導(dǎo)體奠定了一定的基礎(chǔ)，在鈦酸鋇納米晶粒中進(jìn)一步改變鑭的摻雜量的研究中，可以進(jìn)行更深一步的研究。

[1]趙俊英，崔斌，暢柱國，唐宗薰．介電溫度穩(wěn)定型鈦酸鋇基陶瓷的研究進(jìn)展[J]．材料導(dǎo)報(bào),2008，22（11）：21-25．

[2]呂文中，張道禮，黎步印等．高εr，微波介質(zhì)陶瓷的結(jié)構(gòu)、介電性質(zhì)及其研究進(jìn)展[J]．功能材料．2000，3l(6)：572-576．

[3]史美倫．交流阻抗譜及其應(yīng)用[M]．國防工業(yè)出版社,2001.

O614.1

A

1005-1554（2011）02-0023-03

2010-12-07

玄兆坤（1974-），男，河北承德人，河北民族師范學(xué)院化學(xué)系講師。