PDF《Ultra-High Pressure Sintering》

Effect of Oxygen Vacancies on Ferroelectric Properties of Nanocrystalline BaTiO3 Ceramics Fabricated by Ultra-High Pressure Sintering Chang-jiang Xiao* , Zheng-xin Li, Xiang-rong Deng, Xue-feng Yang, Dong-dong Song School of Material Science and Technology, Henan University of Technology, Zhengzhou, China,

450007 *cjxiao@haut.

edu.cn Abstract:

10 nm raw BaTiO3 powder was fabricated by ultra-high pressure sintering at 6GPa. The grain size of BaTiO3 ceramics was calculated to be about

30 nm. During ultra-high pressure sintering, oxygen vacancies were produced owing to strongly reducing atmosphere. The paper investigated the effect of oxygen vacancies of nanocrystalline BaTiO3 ceramics on its ferroelectric properties. The results showed that, for as-prepared

30 nm BaTiO3 ceramics, the dielectric constant was

3175 at Curie temperature and the dielectric losses were more than 1.1 at temperatures ranging from

80 to

150 ℃;

moreover there exist no full hysteresis loop;

After annealing in O2 atmosphere at

600 °C for

8 h, dielectric constant decreased to1920 at Curie temperature whereas the dielectric losses were less than 0.15;

full hysteresis loop could be shaped at different electric field. Furthermore, F+ centers were formed because oxygen vacancies caught electrons, therefore the color of nanocrystalline BaTiO3 ceramics became black;

on the contrary, the post-annealed

30 nm BaTiO3 ceramics was white. Keywords: nanocrystalline BaTiO3 ceramics;

ultra-high pressure sintering;

oxygen vacancies;

dielectric con- stant;

hysteresis loop 超高压烧结纳米钛酸钡陶瓷的氧空位对铁电性能的影响 肖长江* , 栗正新, 邓相荣, 杨雪峰, 宋冬冬 河南工业大学材料科学与工程学院,河南,郑州,450007,中国 *[email protected] 摘要:10 nm 钛酸钡粉在 6GPa 超高压下烧结得到了

30 nm 钛酸钡陶瓷.由于超高压烧结过程中还原 性气氛使烧结过程出现了氧空位.本文研究了氧空位对钛酸钡铁电性能的影响.结果表明,超高压烧 结得到的样品在居里温度处的介电常数为 3175,在80-150℃范围内,介电损耗都大于 1.1;

且不能形 成完整的电滞回线.在氧气氛中退火后,介电常数变为 1920,介电损耗都小于 0.15;

且在不同的出现 电场下都有完整的电滞回线.此外,由于产生氧空位形成带有电子的 F+ 色心,使纳米钛酸钡陶瓷颜色 变黑;

在氧气氛中退火后,样品颜色为白色. 关键词:纳米钛酸钡陶瓷;

超高压烧结;

氧空位;

介电常数;

电滞回线

1 引言 钛酸钡陶瓷材料由于具有较高的介电常数、 良好的 铁电、压电、耐压及绝缘性能,在电学、热学、声学、 光学等学科领域得到了广泛应用.近年来,随着科学 技术的飞速发展,对陶瓷元器件提出了更高的要求, 尤其是近些年来,功能陶瓷的一个重要的发展趋 势就是器件重量不断减轻、尺寸不断缩小、小型化、 集成化、片式化、多层化、多功能化渐渐成为发展的 主流.特别是进入二十一世纪以来,以半导体为基础 的微电子技术的发展,特征尺寸将下降到

100 nm 以下,功能陶瓷必须面对纳米技术的挑战,而这又是实 现小型化/微型化的技术基础. 因此, 功能陶瓷纳米化、 纳米陶瓷、纳米器件是信息陶瓷进一步发展的必然趋 势,也正成为国际研究的一个新的热点.但是在纳米 陶瓷的致密化过程中,既要使陶瓷致密化,又要保持 原来的纳米尺寸,需要特殊的烧结工艺,原因是纳米 粉的低的表观密度、低的流动率、很强的气体和混合 物化学吸附、高的比表面积和颗粒间强烈的摩擦作用 [1] .因此在纳米陶瓷的烧结中,必须采取一切措施控 制晶粒的长大,对纳米陶瓷致密化过程中控制晶粒长 基金项目:河南工业大学博士基金项目(2007BS012) 大而言,温度是决定因素,要降低烧结温度,又要使 样品致密,增加烧结时施加的压力或采用新的烧结方 法无疑是最有效的,目前纳米陶瓷的应用较广且比较 成功的烧结方法主要是放电等离子烧结(SPS 烧结)[2,3] 、两步法烧结[4,5] 、超高压烧结[1,6] 等手段. 超高压烧结被认为是一种比较理想的得到致密的 细晶陶瓷的方法.因为高压能够显著增加致密的驱动 力;