《鈦酸銅鈣薄膜的介電弛豫和介電反常微觀機制研究》是依託湖北大學，由徐玲芳擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：鈦酸銅鈣薄膜的介電弛豫和介電反常微觀機制研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：徐玲芳
- 依託單位：湖北大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鈦酸銅鈣（CaCu3Ti4O12，簡稱CCTO）材料一般具有很高的介電常數（~10,000），在高密度信息存儲和薄膜器件等領域受到廣泛關注，但目前由於巨介電性能的起因尚未定論而制約了它的套用和發展。本項目提出氧空位缺陷和深能級陷阱態的觀點，研究適合小型化和集成化要求的CCTO薄膜的介電弛豫和介電反常特性。用射頻磁控濺射通過不同氣氛退火處理來製備立方相結構、氧空位濃度可調節的CCTO薄膜。用寬頻域和寬溫區的介電譜和阻抗譜來劃分不同氧空位缺陷的貢獻區域。用順磁共振和深能級瞬態譜來確定氧空位深能級陷阱態的微觀信息。並基於密度泛函理論，採用第一性原理計算氧空位缺陷和深能級陷阱態能級，給出CCTO薄膜的界面能帶模型。從而合理解釋外電場刺激下不同形態氧空位對載流子捕獲和釋放導致的介電弛豫和介電反常行為。該項目不僅對CCTO新穎電學行為的研究有指導意義，而且對巨介電理論的完善有推動作用。
結題摘要
鈦酸銅鈣（CaCu3Ti4O12，CCTO）由於具有異常高的介電常數和非線性係數而受到廣泛關注。該類材料介電常數有較好的溫度和頻率穩定性，使得其在微電子和大容量存儲等領域有很好的套用前景。而到目前為止，CCTO巨介電常數產生的機制尚未明確，這限制了其性能的最佳化和進一步套用。本項目基於前期在CCTO陶瓷研究中提出的氧空位缺陷和深能級陷阱態機制，研究更有利於小型化和集成化套用領域的CCTO薄膜的巨介電特性。項目主要用射頻磁控濺射，在單晶Si基片上通過調節工藝參數來製備純立方相類鈣鈦礦結構的CCTO薄膜，通過寬頻域和寬溫區的測試手段，結合相關結構表征以及第一性原理理論計算來開展其介電弛豫和反常特性與微觀缺陷間關在線上制的研究。研究結果表明，在單晶Pt/Ti/SiO2/Si襯底上製備了厚度為600 nm左右的純立方相類鈣鈦礦CCTO薄膜，且其中氧空位可以通過預製備後的退火工藝來調節；氧空位對CCTO薄膜介電性能有重要貢獻，且受到退火工藝影響；第一性原理計算表明氧空位或Cu間隙原子對CCTO的能帶結構有重要影響，從而影響其介電性能。本研究的實驗結果和理論分析相互印證，說明氧空位對其介電特性的重要貢獻，這不僅對CCTO巨介電理論的完善有重要意義，而且為其實際套用奠定了一定理論基礎。與此同時，我們也開展了其他兩部分與項目相關的重要工作：一是共濺射製備Nb摻雜CCTO薄膜；二是高溫高壓極端條件製備CCTO陶瓷及其結構與性能研究。前者表明，合理控制濺射工藝參數可以製備純立方相的摻雜CCTO薄膜，Nb摻雜對其介電性能有明顯影響；後者表明，極端製備條件可以調控CCTO顯微結構和微區成份，特別是對晶粒大小和晶界區域的有效調節，從而改變其介電弛豫特性。這部分研究可以更好地佐證CCTO材料介電弛豫特性取決於其外稟機制，如缺陷或非均質結構區域。從而可以通過實驗手段調節此類區域而有效最佳化其介電性能。
