编号：CYYJ043905
篇名： A/B位掺杂对SrSnO3陶瓷介电性能的影响
作者： 王德鹏
关键词： 锡酸锶; 掺杂; 氧空位; 介电性能; 阻抗分析;
机构：烟台大学
摘要： 钙钛矿锡酸盐（MSnO3,M=Sr,Ba,Ca……）陶瓷因其出众的化学稳定性、低介电损耗及优良的电学特性,在高频电容器、微波介电材料及传感器等领域展现出广阔的应用前景。而纯相MSnO3材料的介电常数偏低,其在高频和高温条件下的稳定性也有所欠缺,难以满足高性能电子器件日益增长的需求。掺杂改性是优化其介电性能的重要手段,通过掺杂调控其晶格结构、引入氧空位的同时增强极化效应,可以有效改善材料的介电性能,使其更适用于多种应用场景。 本文采用固相反应法制备了A/B位掺杂的锡酸锶（SrSnO3）陶瓷,通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）等表征手段结合宽频域（f=10～2～10～6 Hz）和宽温域（T=180～380 K）介电测试分析,系统地研究了掺杂元素对其微观结构和介电性能的影响,获得了以下结果: （1）A位Ba2+离子掺杂SrSnO3(BaxSr1-xSnO3,BSSO)样品的研究表明,Ba2+(1.61（?）)取代Sr2+(1.44（?）)后导致晶格膨胀,但依然保持正交钙钛矿结构。适量Ba2+掺杂（x=0.4）优化了晶粒尺寸（1.5～3μm）,提高了材料的致密度,并降低了孔隙率,减少晶界缺陷,增强了界面极化效应。在室温和1 k Hz条件下,对于掺杂浓度为x=0.4的样品,其介电常数达到最高（>2.8×10～4）,同时介电损耗降至最低（<0.90）。主要原因是样品中的氧空位提供电子将Sn4+还原为Sn2+,氧空位的移动和电子的捕获会引起材料内部载流子在晶界处积累,进而提升了界面极化。然而,过量掺杂（x>0.4）会导致晶粒均匀性下降,出现晶界缺陷和介电损耗增大的现象。 （2）A位La3+离子掺杂的SrSnO3(LaxSr1-xSnO3,LSSO)样品的研究表明,适量La3+（x=0.2～0.6）掺杂可显著细化晶粒,使晶粒平均尺寸在1.8μm左右,同时提升晶粒均匀性并有效减少晶界缺陷。XPS分析证实,La3+掺杂后会出现更多的氧空位,而La3+和氧空位会提供额外电子将Sn4+还原为Sn2+来保持电荷平衡,这些氧空位和电子有助于提高电导率,并增强极化能力。在室温和1 k Hz条件下,样品La0.4Sr0.6SnO3表现出最高的介电常数（>2.0×10～4）和最低的介电损耗（<0.30）。通过电模量分析发现,样品弛豫时间分布与温度无关,表明极化机制是以氧空位为主的偶极子弛豫和界面极化为主。通过对奈奎斯特图（Nyquist）的分析进一步表明,La3+掺杂提升了界面极化效应,从而使材料在高温和高频环境下具有更优异的介电稳定性。 （3）B位Co2+离子掺杂的SrSnO3(Sr CoxSn1-xO3,SCSO)研究表明,Co2+掺杂改变了SrSnO3的电子结构和极化行为。XRD分析显示,Co2+(0.745（?）)取代Sn4+(0.83（?）)后导致晶格参数略微收缩,且掺杂浓度较高时可能出现次级相。掺杂后的样品相对于纯相SrSnO3的介电性能有所提升。在室温和1 k Hz条件下,掺杂浓度x=0.3的样品表现出较大的介电常数（>3.8×10～4）和较低的介电损耗（<0.70）。所有掺杂样品在低频区均表现出较高的介电常数,主要归因于界面极化和空间电荷极化的贡献,高频区介电常数趋于稳定,表明电子极化和离子极化的主导作用。此外,Co2+掺杂的样品在高温条件下表现出更高的介电常数和介电损耗。然而,过量掺杂（x>0.3）可能导致晶格畸变,增加载流子散射,从而影响其介电性能。 （4）B位In3+和Nb5+离子共掺杂的SrSnO3(Sr(In0.5,Nb0.5)xSn1-xO3,SINS)研究表明,共掺杂能够同时调控材料的载流子浓度和晶格畸变,有效改善介电特性。XRD分析表明,少量掺杂情况下In3+(0.80（?）)和Nb5+(0.64（?）)取代B位Sn4+(0.83（?）)后,使晶格轻微收缩,但并未影响样品的钙钛矿结构。共掺杂后样品的晶粒尺寸变小,均匀性增加,说明In3+和Nb5+的协同作用促进了晶粒生长的均匀性。介电测试结果表明,在室温和1 k Hz条件下,样品Sr(In0.5,Nb0.5)0.4Sn0.6O3具有较高的介电常数（>1.1×10～4）和较低的介电损耗（<0.30）。通过对奈奎斯特图的分析表明,B位In3+和Nb5+离子共掺杂有效降低了晶界电阻,改善了其在高温和高频条件下的介电性能。