基于MEMS超级电容器的高介电常数CaCu_3Ti_4O_(12)薄膜制备及电学特性

相对于电化学超级电容器,静电式电容器具有更高的功率密度和可靠性,但能量密度过低。本研究提出制备基于高介电常数薄膜CaCu_3Ti_4O_(12)(CCTO)的高能量密度MEMS静电式超级电容器。首先,以硅片为基底,通过溶胶-凝胶法在不同烧结温度700、800、900℃下制备CCTO薄膜,分别采用场发射扫描电镜(FE-SEM)和X射线衍射仪(XRD)对薄膜的形貌、组分和结晶状况进行表征,发现在800℃烧结温度下CCTO薄膜结晶状况最佳。然后,利用金属-绝缘层-半导体结构测试其电流-电压(I-V)和电容-电压(C-V)特性,计算得到薄膜的最大阈值电压和能量密度分别为47 V和3.2 J/cm~3。同时,首次对高介电常数介质膜中存在的介质充电现象进行了研究,并分析了介质充电对静电式超级电容器性能的影响。     

烧结温度对CaCu3Ti4O12陶瓷C波段介电性能的影响

采用固相反应法制备了CaCu3Ti4O12(CCTO)陶瓷,研究了烧结温度对CCTO晶相、微观形貌、致密度以及在C波段(3.95～5.85 GHz)的介电性能的影响。结果表明,在1040℃烧结的试样除了含有CCTO,还存在部分没有反应的TiO2。随着烧结温度的升高,TiO2逐渐消失。与1040℃和1060℃烧结的试样相比,在1080℃烧结的试样晶粒尺寸较大且粒径较均匀,而在1100℃烧结的试样有明显的熔化现象。试样的密度随烧结温度的升高而增加,在1080℃时达到最大值。在1040～1080℃烧结的试样,其介电常数随着烧结温度的升高而增加,而在1100℃烧结的试样的介电常数反而有所降低。不同烧结温度下的CCTO陶瓷的介电常数和介电损耗随频率的增大变化不大。在所得的试样中,在1080℃烧结的CCTO陶瓷介电常数最高,介电损耗最低。     

放电等离子烧结WMoNbTaV-Al2O3 高熵合金组织及磨损性能

以金属粉末为原料,采用放电等离子烧结技术制备新型含α-Al₂O₃的WMoNbTaV难熔高熵合金,研究了烧结温度对合金致密化行为、相结构、显微组织和耐磨性能的影响。结果表明：在1800~1900 ℃烧结时,WMoNbTaV-Al₂O₃高熵合金基体具有单一bcc相结构,Al₂O₃的平均晶粒尺寸为1.15 μm。随着烧结温度升高,合金的晶粒尺寸增大,致密度和显微硬度也在不断增高,在1900 ℃烧结时硬度达到7967.4 MPa。1900 ℃烧结得到的合金具有优异的耐磨性,磨损量仅为1800 ℃烧结合金的一半。且WMoNbTaV-Al₂O₃高熵合金的耐磨性远高于纯W材料。当磨料粒度为37.5 μm时,1900 ℃烧结的合金磨损量为0.9 mg,磨损性能是纯W材料的83倍。     

四元Mg2Si0.27Ge0.05Sn0.65Sb0.03固溶体的热电性能

通过氧化硼助熔剂法和放电等离子烧结技术制备了Mg_2(1+x)Si_0.27Ge_0.05Sn_0.65Sb_0.03 (x = 0.05, 0.08)四元固溶体热电材料。测量了在300 K - 800 K 的温度区间内测试了所有四元固溶体试样的塞贝克系数、电导率和热导率。研究结果表明随着温度的升高电导率单调降低而塞贝克系数单调升高,所有样品的晶格热导率明显高于通过Abeles模型计算所得到的理论值。最高无量纲热电优值出现在x=0.08样品中,在800 K时达到最高值1.0.     

Li3-2xB1-xNxO3(x=0.1,0.2,0.3)锂离子固体电解质的制备和性能研究

首次以硝酸锂、碳酸锂、氧化硼为原料,采用固相法制备得到了Li_3-2xB_1-xN_xO₃(x=0.1,0.2,0.3)锂离子固体电解质,通过无压烧结制备得到固体电解质片,并通过x射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),电化学交流阻抗(EIS)对Li_3-2xB_1-xN_xO₃(x=0.1,0.2,0.3)固态电解质进行了表征。结果表明：当x=0.2时,采用无压烧结在600℃烧结10 h制备得到的固体电解质片致密度最高,达到理论密度的90.07%,室温锂离子总电导率也最大,为6.37×10_-6 S/cm,此时激活能值最小,为0.48eV。     

SNDC/La2Mo2O9复合电解质材料的制备及性能表征

本文采用甘氨酸-硝酸盐法(GNP)和溶胶凝胶法分别合成了Sm_0.1Nd_0.1Ce_0.8O_1.9(SNDC) 和La₂Mo₂O₉(LAMOX)粉末,并用常压烧结的方法制备了不同比例的SNDC和LAMOX的复合材料,通过XRD和SEM等手段表征了不同复合比例样品的物相和表面形貌并测试了烧结样品的电导率。结果表明,复合样品的电导率在相变点前后随着复合量增加变化趋势相反,其中LAMOX含量为20mol%的样品在550℃时的电导率能达到0.01S/cm,高于同温度下SNDC电导率。     

高分子辅助沉积法制备Sm x Nd1- x NiO3 外延薄膜

采用高分子辅助沉积法制备掺杂不同钐（Sm）含量的Sm_xNd_1-xNiO₃外延薄膜（钐掺杂量x=0.5,0.55,0.6）。X射线衍射（特征θ-2θ扫描、摇摆曲线和φ-scan）和扫描电子显微镜的测试结果表明,制备的薄膜结晶性和外延性良好,与衬底的（001）取向保持一致。电阻率-温度曲线表明制备的外延薄膜均表现出金属绝缘体转变现象。随着Sm掺杂量的提高,金属绝缘体转变温度逐渐升高;当x=0.55时,外延薄膜的转变温度在室温附近。并且高分子辅助沉积法可以简单有效地制备热致变色外延薄膜。     

基于第一性原理的石榴石型Li7La3Zr2O12 固态电解质的设计与合成

基于密度泛函理论（DFT）的第一原理方法计算了四方相和立方相中2种不同的Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）固体电解质材料的能带结构,晶格参数,态密度和成键特性。基于理论计算结果,通过电子结构特性解释了四面体相的离子电导率低于立方相的离子电导率的原因。基于LLZO的第一性原理计算,设计了2种晶体结构的LLZO材料,并通过高温固相法制备并分析了不同烧结时间的LLZO颗粒的性能。探索了合成工艺参数对Li₇La₃Zr₂O₁₂性能的影响。立方晶Li₇La₃Zr₂O₁₂（C-LLZO）的平均晶格大小为a=b=c=1.302 246 nm,而四方Li₇La₃Zr₂O₁₂（T-LLZO）的平均晶格大小为a=b=1.313 064 nm,c=1.266 024 nm。在1000 ℃下烧结12 h的C-LLZO为纯立方相,在室温（25 ℃）下最大离子电导率为9.8×10^-5 S·cm^-1。T-LLZO在室温（25 ℃）下的离子电导率为5.96×10^-8 S·cm^-1,在800 ℃下烧结6 h具有纯的四方相结构,与计算结果基本吻合。     

等离子喷涂La2Zr2O7热障涂层高温烧结的硬化行为

热障涂层在高温服役过程中发生烧结和硬化,是引发涂层开裂和剥离失效的主要因素,因此掌握涂层烧结规律是进行涂层设计制备、寿命预测和工艺优化的前提。 文中采用等离子喷涂技术制备 La₂ Zr₂ O₇热障涂层,在 1250 ℃ 条件下进行涂层高温热暴露试验,表征了涂层高温烧结过程中力学性能的变化规律,从孔隙结构的角度揭示了涂层高温烧结硬化机理。 研究结果表明,喷涂态 La₂ Zr₂ O₇ 涂层为典型的层状结构,硬度为(405±20) HV_0.3 ,高温热暴露后涂层呈现先快后慢的硬化趋势,热暴露 200 h 后涂层硬度提高了 80%。 涂层结构分析表明,涂层物相保持不变,但涂层孔隙率呈现出先快后慢的下降规律。 坐标轴变换处理后发现,硬度和孔隙率均呈现以 10 h 为临界的双阶段特性。 通过对涂层孔隙结构的高温准原位观察,发现涂层孔隙初期多点桥接超快愈合、后期以边界推进方式缓慢烧结的双阶段烧结现象, 从而揭示了 La₂ Zr₂ O₇ 热障涂层分阶段硬化的烧结机理,从而为发展抗烧结高性能热障涂层提供了新的理论依据。     

镶嵌结构Na0.5Bi0.5TiO3-CoFe2O4复相多铁性陶瓷的制备与界面阻抗特性

使用溶胶-凝胶法原位制备了具有镶嵌结构的0-3型Na_0.5Bi_0.5TiO₃-CoFe₂O₄(NBT-CFO)复相多铁性陶瓷,并研究了其电、磁性能。通过TG-DTA、XRD等表征手段研究了干凝胶的结晶过程,利用CFO与NBT的差异化结晶温度设计了分步煅烧结晶工艺并得到粒径45 nm的NBT-CFO纳米粉体,并烧结得到具有镶嵌结构0.9NBT-0.1CFO复相陶瓷,陶瓷中CFO晶粒均匀分布在NBT晶粒内部。与使用机械混合法制备的复相陶瓷相比,具有镶嵌结构的0.9NBT-0.1CFO复相陶瓷在250-1M Hz频率范围内的室温介电损耗均更低,250 Hz时其损耗只有前者的30%。介电温谱、阻抗谱与模谱分析表明具有镶嵌结构的复相陶瓷在350-650 ^_oC温区内表现出由铁电-铁磁相界面极化造成的介电弛豫行为,其激活能为0.77 eV。镶嵌结构使复相陶瓷在室温下具有更大的剩余极化和更高的抗击穿场强,提高了其铁电性能。     

Li掺杂Ba(Ti1/7Sn1/7Zr1/7Hf1/7Nb1/7Ga1/7Li(1/7-x))O3高熵陶瓷的制备及介电性能研究

近年来,在高熵合金基础上发展起来的高熵陶瓷逐渐引起了研究者的广泛关注,其出现为开发高性能的无机非金属材料提供了新的设计思路。本文采用固相法制备了BaMO3基钙钛矿型高熵陶瓷Ba(Ti1/7Sn1/7Zr1/7Hf1/7Nb1/7Ga1/7Li(1/7-x))O3 (x = 0, 2.3%, 5.3%, 8.3%, 11.3%),并研究了Li含量对高熵陶瓷物相结构、微观形貌及介电性能的影响。结果表明,Li含量对陶瓷结构的影响不大,陶瓷均保持立方钙钛矿结构,且无杂相产生;陶瓷的晶粒尺寸相对较均匀。当x = 0时,即B位七元等摩尔比Ba(Ti1/7Sn1/7Zr1/7Hf1/7Nb1/7Ga1/7Li1/7)O3高熵陶瓷,其介电常数达到了最大值2920 (@100 Hz),相较于已报道的不掺Li的六元高熵钙钛矿陶瓷Ba(Ti1/6Sn1/6Zr1/6Hf1/6Nb1/6Ga1/6)O3提升了近50倍。     

0.95(K0.5Na0.5)NbO3-0.05Li(Nb0.5Sb0.5)O3无铅压电陶瓷的显微结构分析与电学性能

采用传统固相反应合成法制备0.95(K0.5Na0.5)NbO3-0.05Li(Nb0.5Sb0.5)O3基无铅压电陶瓷,研究了烧结温度对0.95(K0.5Na0.5)NbO3-0.05Li(Nb0.5Sb0.5)O3陶瓷相结构、显微组织和压电介电性能的影响。结果表明,在960~1060℃的温度区间内,所得到的一系列烧结样品在室温下均为纯的钙钛矿型结构,未观察到第二相出现;随着烧结温度的升高,晶粒的平均尺寸显示出先增大后减小的趋势,在1020℃时晶粒的平均粒径达到最大值3.5μm。电学性能分析表明,烧结温度为1020℃时,该体系陶瓷压电介电性能达到最优值:d33=245pC/N,kp=0.42,tanδ=0.03,ε3T3/ε0=640,Ec=2.1kV/mm,Pr=20μC/cm2。     

溶胶—凝胶法制备CaCu3Ti4O12-MgTiO3复合陶瓷的介电性能与IV特性

通过溶胶凝胶方法制备得到CaCu3Ti4O12-MgTiO3复合陶瓷粉料,并在1000,1050和1100℃3个温度点烧结成瓷。采用XRD、SEM等对得到的样品成分、结构进行了分析,发现材料为CCTO-MgTiO3/MgTi2O4复相体系。在此基础上,对材料的介电性能、IV非线性特性做了相关测试。复合陶瓷在1100℃下烧结后,其介电常数比纯的CCTO要提高3到4倍。对材料的IV测试发现,复合陶瓷的IV非线性系数可以通过复合体系的线性法则拟合得到,材料的非线性系数约为4.56。     

Overlapping large polaron tunneling conductivity and giant dielectric constant in Ni0.5Zn0.5Fe1.5Cr0.5O4 nanoparticles (NPs)

We report an orderly study on the structural and dielectric properties of Ni_0.5Zn_0.5Cr_0.5Fe_1.5O₄ nanoparticles (NPs) synthesized by a polyethylene glycol (PEG)-assisted hydrothermal technique. XRD, FT-IR, FE-SEM and EDX measurements were implemented for the structural, morphological and compositional investigations of the product. Dielectric spectroscopy was used for the dielectric property investigation of the sample. Average particle size of the nanoparticles was estimated using Debye-Scherrer's equation as 34 nm. Electrical properties of the sample have been investigated in the range of 1 Hz to 3 MHz (233-412 K). It is observed that the sample has a giant dielectric constant approaching to 10⁶ within the examined temperature range. It is also determined that the sample exhibits a dispersive phase transition around 305 K at which this giant value of dielectric constant has been obtained. This transition has been characterized by Diffuse Phase Transition. Temperature and frequency dependence of dielectric loss function has been attributed to surface charges for the short-time relaxations and to hopping electrons for the long-time relaxations. At low frequencies, dielectric loss function has been supported by the modified Cole-Cole equation. Frequency and temperature dependent conductivity behavior of the sample has been explained by Overlapping Large Polaron Tunneling model.     

Low temperature processing of (Zr0.8Sn0.2)TiO4 ceramics with improved Q factor

Polycrystalline (Zr_0.8Sn_0.2)TiO₄ (ZST) ceramics have been synthesized by solid-sate reaction method. The effect of B₂O₃, ZnO-B₂O₃ or 5ZnO-2B₂O₃ glass addition (0.2-1.0 wt.%) on microwave dielectric properties of ZST ceramics are investigated. The increase in average grain size via growth of large grains and dissolution of small grains is explained by Ostwald ripening phenomena. The highest Q × f_o values are found to be 61,500, 48,500 and 51,900 GHz for the ZST dielectric resonators added with B₂O₃, ZnO-B₂O₃ and 5ZnO-2B₂O₃ respectively. The effect of liquid phase sintering on microstructure and microwave dielectric properties of ZST ceramics is discussed.     

TiO2晶型对FeTiTaO6陶瓷介电特性的影响

分别选取纯金红石结构和金红石与锐钛矿混合结构的TiO2为钛源,通过传统固相法制备FeTiTaO6陶瓷。利用X射线衍射、扫描电子显微镜等手段对比表征了2种钛源条件下合成FeTiTaO6的相结构和微观形貌,并测试了二者的介温谱。结果显示,以纯金红石TiO2为原料合成的FeTiTaO6陶瓷有明显的介电弛豫特性,而以含有锐钛矿的TiO2为原料合成的FeTiTaO6陶瓷没有介电峰出现。原因是由于在煅烧阶段不同晶型TiO2之间发生结构转变,使制得的陶瓷粉体反应活性不同,进而影响陶瓷烧结的热力学进程,并导致陶瓷的介电性能出现差异。     

MoSi_2含量对MoSi_2/Al_2O_3复合涂层介电与力学性能的影响(英文)

通过喷雾干燥法制备MoSi2包覆Al2O3的壳核结构混合粉,利用该混合粉以等离子喷涂技术制备MoSi2/Al2O3复合涂层材料。研究MoSi2/Al2O3质量比涂层材料的力学和介电性能的影响。结果表明:随着MoSi2含量从0增加到45%,复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别从198MPa和3.05MPa·m1/2增加到324MPa和4.82MPa·m1/2,随后又降到310MPa和4.67MPa·m1/2。在8.2-12.4GHz微波频率波段内,随着MoSi2含量的增加,复合材料的介电损耗增加,而介电常数的实部却呈减小趋势。这主要是由于MoSi2颗粒熔化后的凝聚及导电网络结构的形成导致电导率的增加引起的。     

La2O3与Sb2O3掺杂钛酸锶钡陶瓷的介电性能及相变（英文）

采用固相法制备La2O3与Sb2O3掺杂的钛酸锶钡陶瓷,研究其介电性能及相变特性。通过X射线衍射法分析体系微观结构并利用扫描电镜观察其表面微观形貌。(La,Sb)共掺杂的钛酸锶钡陶瓷具有典型的钙钛矿结构,且随着Sb2O3掺杂量的增多其平均粒径显著减小。La3+离子以及Sb3+离子均占据钙钛矿晶格的A位。La2O3与Sb2O3添加量的改变显著影响钛酸锶钡基陶瓷的介电常数以及介电损耗。La2O3改性的钛酸锶钡陶瓷其四方?立方相变为二级相变,且居里温度随着La2O3掺杂量的增多向低温方向移动。(La,Sb)共掺杂的钛酸锶钡陶瓷则体现为弥散相变,随着Sb2O3含量的增大而偏离居里-外斯定律越显著。由于Sb3+离子对晶格原位离子的取代使得(La,Sb)共掺杂的钛酸锶钡陶瓷的介电常数最大值下的温度亦随着Sb2O3含量的增大而降低。     

Ba0.5Sr0.5TiO3铁电薄膜的微弧氧化成膜研究

以0.2 mol/L Ba(OH)2+0.2 mol/L Sr(OH)2溶液为电解液,采用微弧氧化法,在Ti板表面原位生长铁电薄膜,并对薄膜的物相构成、元素分布情况、截面结构及介电性能进行表征。结果表明:该工艺下制备的薄膜主要由四方相Ba0.5Sr0.5TiO3构成,薄膜致密层内,Ba,Sr,Ti和O元素分布都较均匀,但在微弧氧化孔洞附近存在含量波动;该薄膜在1 kHz下的介电常数较优,为411.3。最后对微弧氧化沉积铁电薄膜的成膜过程进行了分析,提出了微弧氧化过程中可能存在的化学反应。