《界面結構對鈣鈦礦微波介質材料性能的影響》是依託武漢理工大學，由沈傑擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：界面結構對鈣鈦礦微波介質材料性能的影響
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：沈傑
- 依託單位：武漢理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
B位複合鈣鈦礦型微波介質陶瓷是目前最受矚目的微波介質材料體系，然而同其他微波介電體系一樣，由於其內部微觀結構為非均質的複合體系，影響性能的結構因素複雜且尺度跨度大，其結構與性能相關性研究無法滿足新材料體系開發和性能最佳化的需要。非均質的微波介質陶瓷材料中，各均質結構單元間的界面對微波介質陶瓷的性能起到了決定性的作用。本項目擬將微波介質陶瓷中各類界面處理為獨立的結構單元，通過設計不同的非均質界面原子結構模型，利用第一性原理方法計算分析其物理性質，將材料計算領域的尺度問題轉化為界面問題，建立等效界面模型，分析界面結構與複合鈣鈦礦結構微波介質陶瓷性能之間相關性，並結合製備工藝研究界面結構調控，實現材料性能的最佳化。
結題摘要
按照項目研究計畫，採用第一性原理的電子結構計算方法，研究界面可能出現八面體畸變、空位、取向等的特徵結構，對其介電常數、損耗以及頻率溫度穩定性的影響規律；採用Pechini方法和水溶液凝膠法疊層製備了異質介電薄膜，從而獲得特定的異質界面，以開展界面結構與性能相關性研究，並在此基礎上發展了複雜組分異質薄膜的製備工藝；基於不同類型異質介電薄膜，結合建立模擬等效電路、介電常數和介電損耗的理論計算公式等手段，研究了界面對介質薄膜結構和介電性能的本徵與非本徵影響。本項目研究內容全部按原計畫完成，所開展的研究工作和取得的研究結果如下： 1、對界面高應力所造成的八面體扭轉和氧缺位進行了建模計算，發現以上畸變導致新鍵的產生、共價性的增強以及促進B位原子的有序化排列，將提高薄膜的介電性能；對不同取向與截止面類型的表面模型計算，發現 (112)取向陽離子截止表面產生了新的能級，將具備較塊體內部更低的介電損耗； 2、通過對克勞修斯-莫索蒂方程的近似分析，發現改變鈣鈦礦結構微波介電陶瓷材料介電回響中離子位移極化和電子位移極化的比例，可調節頻率溫度係數。通過電子結構計算和容忍因子分析預測，並實驗製備了具有近零頻率溫度係數的鈣鈦礦結構陶瓷，實驗結果驗證了理論分析。 3、採用Pechini方法和水溶液凝膠法製備了均一光滑緻密的鈣鈦礦結構異質薄膜，以之為對象開展界面研究。所用原料無毒、穩定性好，獲得前驅體水溶液的穩定性好，易保存，通過熱處理形成緻密的薄膜，為介質陶瓷異質界面研究和複雜體系薄膜的製備提供了一條有效途徑。 4、以異質薄膜為對象，研究了界面層對其介電性能的影響，模擬等效電路計算結果與實驗結果說明，異質界面層的存在有利於改善疊層薄膜的介電性能，通過減小異質界面層和電極界面層厚度可以有效提高薄膜的介電性能； 5、實驗發現薄膜生長取向與計算結果吻合，引入採用界面處理手段，去除O原子截止面，同時降低界面過渡層的厚度，有效提高了薄膜介電性能，對於擁有相同厚度的異質薄膜，通過增加異質界面數可以使薄膜介電性能提高，增大薄膜介電常數，降低介電損耗。實驗結果與計算及模擬電路分析結果一致； 6、實驗發現隨著薄膜厚度增加，界面效應累積引起薄膜表面粗糙度、局部應變及由薄膜晶體結構的鬆弛、相結構的畸變、晶體內部的缺陷等，通過非本徵效應影響薄膜介電性能。
