幾種典型微波介電陶瓷的結構與性能研究.pdf

1、微波介電陶瓷材料(microwave dielectric ceramics，MWDC)是一種近30年來快速發(fā)展的新型電子功能陶瓷材料，被廣泛應用于300MHz~300GHz的微波頻段。隨著技術發(fā)展對高性能材料的需求，人們對微波介電陶瓷材料性能的研究越來越重視。利用計算材料科學方法可以預測材料的物理性質并有效指導相關材料的制備。而基于密度泛函理論(density functional theory，DFT)的第一性原理(first-pr

2、inciple，F(xiàn)P)方法，在材料的結構研究、性質預測、實驗設計等方面已取得了大量成果，成為計算材料科學的基石。本論文采用FP方法研究了鈣鈦礦結構和尖晶石結構材料的結構、光學性質、力學性質、聲子與熱力學性質；采用固相反應法制備了CaTiO3基陶瓷，研究了燒結溫度和不同摻雜物對陶瓷材料相組成、微觀結構和微波介電性能的影響。
　　(1)采用FP方法計算了立方結構BaTaO3晶體摻雜N后的局域能帶結構、態(tài)密度和光學性質。結果表明，BaT

3、aO2N為直接帶隙半導體，能帶寬度為0.62eV；價帶主要由O2p、N2p和Ta5d電子構成，且N2p態(tài)位于價帶頂；導帶主要由Ta5d電子構成。計算了介電函數(shù)、折射率、光電導率、吸收譜和能量損失函數(shù)等光學性質。靜態(tài)介電常數(shù)?1?0?值為6.13，折射率n0為2.48，在紫外區(qū)有較大的吸收系數(shù)。
　　(2)計算了立方結構CaTiO3摻雜NdAlO3的性質。建立了0.5NdAlO3-0.5CaTiO3虛擬超晶胞，計算了能帶結構、電子態(tài)

4、密度、彈性性質和光學性質。優(yōu)化后晶格參數(shù)與實驗值符合很好，誤差小于1％；能帶結果表明0.5NdAlO3-0.5CaTiO3為間接帶隙半導體，帶隙值為0.52eV；費米面附近能帶由Nd4f、Nd4p、O2p、Al3p和Ti4d電子確定。分析了介電函數(shù)、反射率和復折射率等光學性質。
　　(3)計算了正交結構CaTiO3晶體中的摻雜，首先建立Sr0.5Ca0.5TiO3晶體，計算了能帶結構、電子態(tài)密度、彈性性質和光學性質。Sr取代部分C

5、a后，CaTiO3晶胞變小，能帶寬度減?。徽唤Y構Sr0.5Ca0.5TiO3滿足力學穩(wěn)定性條件；計算了體彈模量、剪切模量和楊氏模量，分析了材料的延展性和彈性各向異性；計算了Sr0.5Ca0.5TiO3晶體的介電函數(shù)、吸收系數(shù)等光學性質，得到了靜態(tài)介電常數(shù)ε1(0)和靜態(tài)折射率n0。
　　(4)以立方、四方和正交結構CaTiO3晶體為研究對象，分析了能帶、態(tài)密度和Mulliken布居。CaTiO3從立方Pm-3m→正交I4/mcm

6、→正交Pbnm轉變時，氧八面體傾斜角變大，帶隙變寬；不同結構CaTiO3晶體的電子態(tài)密度基本相似。Ca-O鍵鍵長大于Ca-Ti鍵，Ti-O鍵長隨扭轉角度的增大略有降低，而Ca-O鍵強度隨扭轉角度的增大而增加。結構變化時，Ti-O鍵的Mulliken布居數(shù)變小，鍵長變長，氧八面體內共用電子數(shù)減少，八面體體積增大，使對外電場產(chǎn)生響應的Ti-O電子密度降低，介電常數(shù)降低。
　　(5)計算了尖晶石結構ZnAl2O4和ZnAl2S4晶體的彈

7、性性質、聲子和熱力學性質。采用Murnaghan、Birch-Murnaghan、Poirier-Tarantola和Vinet四種狀態(tài)方程擬合了晶體的平衡態(tài)性質。利用應變能—應變關系計算了三個獨立的彈性常數(shù)c11、c12和c44，分析了彈性模量，如體彈模量、剪切模量、楊氏模量、泊松比。討論了晶體的彈性各向異性和脆性。采用密度泛函微擾理論計算了兩種晶體的聲子性質，并對Γ點的振動特性進行了分析。使用準簡諧聲子模型和德拜模型計算了兩種晶體在

8、不同溫度下的物理性質，如Gibbs自由能、比熱、熱膨脹系數(shù)、Grüneisen常數(shù)和體彈模量等。
　　(6)以CaTiO3基陶瓷為研究對象，利用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)和網(wǎng)絡分析儀等系統(tǒng)地研究了燒結工藝、相成分、微觀組織結構和微波介電性能之間的關系。(a)采用固相反應法制備了0.7CaTiO3-0.3NdAlO3陶瓷粉體，在不同溫度下燒結，探索了燒結性能、微觀組織和微波介電性能。隨燒結溫度升高，該陶瓷逐漸形成單一的