Yb掺杂对Ba（Zr0.1Ti0.9）O3陶瓷微观形貌及介电性能的影响*

王艳

（宝鸡文理学院 化学与化工学院 铁电功能材料工程（技术）研究中心 陕西省植物化学重点实验室，陕西 宝鸡 721013）

Yb掺杂对Ba（Zr0.1Ti0.9）O3陶瓷微观形貌及介电性能的影响*

王艳

（宝鸡文理学院 化学与化工学院 铁电功能材料工程（技术）研究中心 陕西省植物化学重点实验室，陕西 宝鸡 721013）

采用溶胶-凝胶一步法制备了Yb掺杂锆钛酸钡基陶瓷，陶瓷样品的容温变化率均符合Y5V标准，通过XRD、SEM等分析检测手段对陶瓷样品进行表征。探讨了Yb掺杂量对锆钛酸钡基陶瓷微观形貌、介电常数、容温变化率及介电损耗的影响。研究表明：随着Yb掺杂量的增大，陶瓷的晶粒尺寸有增大趋势，室温介电常数呈现出先增大后减小的变化趋势；当Yb掺杂量为0.06mol%时，陶瓷的晶粒尺寸较小，陶瓷较为致密，其室温介电常数达到最大值18221，介电损耗较小为0.0061。

溶胶-凝胶法；Ba（Zr0.1Ti0.9）O3；Yb掺杂；介电性能

前言

BaTiO3基陶瓷具有高的介电常数，优良的铁电、压电、绝缘性能及环境友好等特点，因而被广泛应用于多层陶瓷电容器领域[1]。钛酸钡陶瓷的制备方法有固相法[2]、水热法[3]、沉淀法[4]和溶胶-凝胶法[5]等方法，其中溶胶-凝胶法制备陶瓷粉体材料具有组成容易控制、烧结活性高、纯度高等优点，而且陶瓷的烧结温度较低。纯BaTiO3随着温度不断的变化，存在着很多种相变。尤其在居里温度处，介电常数随着温度的改变，会发生很大的变化。在钛酸钡陶瓷中掺杂锆，制备锆钛酸钡陶瓷，可以降低居里温度，产生弥散相变，从而获得性能优良的铁电材料[6]，因此被广泛研究[7]。而通过掺杂锆钛酸钡可进一步提高锆钛酸钡基陶瓷的介电性能。在本研究中，我们利用溶胶-凝胶法制备了锆钛酸钡基陶瓷，研究了Yb掺杂量对锆钛酸钡基陶瓷微观结构及介电特性的影响。

1 实验

1.1 试剂及仪器

D8型XRD粉末衍射仪（德国布鲁克公司）；TM3000扫描电子显微镜（日本日立公司）；HP4284A精密LCR测试仪（美国惠普公司）。

Ba（CH3COO）2（CP），Zr（NO3）4·5H2O（化学纯），Yb2O3（化学纯），Ti（C4H9O）4（分析纯），CH3CH2OH（分析纯），CH3CH2OOH（分析纯）

1.2 实验方法

室温下，利用磁力搅拌将化学计量比的Ti（C4H9O）4与无水乙醇（10mL）和醋酸（15mL）混合均匀。接着，将一定量的Ba（CH3COO）2，Yb（NO3）3及Zr（NO3）4·5H2O用50mL蒸馏水溶解制备成无机混合溶液，将其缓慢滴加入上述的Ti（C4H9O）4体系中，搅拌2h形成均匀的溶胶。将溶胶置于80℃水浴中经40min后形成凝胶，空气中陈化12h。将凝胶在80℃温度下经过12h烘干，得到干凝胶。干凝胶在马弗炉中经900℃预烧2h得到锆钛酸钡基粉体。将所得粉体在水介质中球磨12h，干燥后加入甘油和聚乙烯醇（PVA）造粒，6MPa压力下压片，500℃排胶，再经过1300℃/2h烧成陶瓷圆片，制作银电极后测试其介电性能。

2 结果与讨论

2.1 Yb掺杂量对锆钛酸钡粉体样品相组成的影响

图1 不同组分锆钛酸钡基粉体的XRD图谱Fig.1 The XRD patterns of Ba（Zr0.1Ti0.9）O3-based ceramics with different Yb contents

图1为Yb掺杂量不同时锆钛酸钡粉体样品的XRD图谱，从图中可以看出，样品均呈现出钙钛矿相结构，同时有杂质相存在。说明Yb没有完全扩散进入钙钛矿结构的晶格而形成了固溶体。从2θ=45°附近的衍射峰可以观察到，随着Yb掺杂量增加，对应的衍射峰向高角度方向移动，根据布朗格公式（2dsin=n）可知锆钛酸钡陶瓷的晶格常数随着Yb掺杂量增加而减小。这是因为Yb3+（0.99Å）的离子半径小于Ba2+（1.35Å）的离子半径，而大于Ti4+（0.605Å）的离子半径。当Yb掺杂量增加时，会有更多的Yb3+扩散进入钙钛矿结构晶格取代A位的Ba2+，导致晶格常数的减小[8]。

2.2 Yb掺杂量对锆钛酸钡陶瓷样品表面形貌的影响

图2所示为Yb的掺杂量对Ba（Zr0.1Ti0.9）O3基陶瓷样品微观形貌的影响情况。从图可以看出，当Yb3+掺杂量在0.03mol%～0.06mol%范围内变化时，Yb3+的加入可以有效地抑制晶粒的长大，且当Sm3+掺杂量为0.06mol%时，陶瓷晶粒尺寸最小。这可能是当稀土离子Yb3+对BaTiO3中的Ba2+进行取代时，由于Yb3+的半径和电价与Ba2+的均有不同，为了保持电价平衡，会产生一定的阳离子空位（V''Ba），Ba2+空位会导致晶格缺陷和晶格畸变，这就阻碍了晶界的移动，抑制了晶粒的生长[9]。当Yb3+掺杂量进一步增大（0.075mol%）时，在陶瓷样品的表面出现一些异常长大的晶粒。

图2 Yb掺杂量对Ba（Zr0.1Ti0.9）O3基陶瓷表面形貌的影响Fig.2 The SEM images of Ba（Zr0.1Ti0.9）O3-based ceramics with different Yb contents

2.3 Yb掺杂量对锆钛酸钡基陶瓷样品介电性能的

图3 Yb掺杂量对Ba（Zr0.1Ti0.9）O3基陶瓷介电特性的影响（a）介电常数；（b）温度稳定性Fig.3 The effect of Yb content on the dielectric properties of Ba（Zr0.1Ti0.9）O3-based ceramics（a）dielectric constant;（b）TCC

图3所示为Yb掺杂量的不同对Ba（Zr0.1Ti0.9）O3基陶瓷样品的介电常数和容温变化率的影响情况。表1所列为该陶瓷体系的主要性能参数。从图3（a）中可以看出，当Yb3+掺杂量为0.03mol%、0.045mol%、0.06mol%与0.075mol%时，对应的室温介电常数分别为17352、18158、18221与16402，呈现出先增大后减小的变化趋势。图3（b）中可知，Ba（Zr0.1Ti0.9）O3基陶瓷的容温变化率均符合Y5V标准。

图4为不同Yb掺杂量下Ba（Zr0.1Ti0.9）O3基陶瓷的介电损耗图。由图4和表1可知，随着Yb掺杂量的增加，样品的介电损耗先减小后增加。当Yb掺杂量为0.06mol%时，介电损耗达到最小值为0.0061。

图4 Yb掺杂量对Ba（Zr0.1Ti0.9）O3基陶瓷介电损耗的影响Fig.4 The effect of Yb content on the dielectric loss of Ba（Zr0.1Ti0.9）O3-based ceramics

表1 Ba（Zr0.1Ti0.9）O3基陶瓷的主要性能参数Table 1 The main properties of the Ba（Zr0.1Ti0.9）O3-based ceramics.

3 结 论

采用溶胶-凝胶法制备了Yb掺杂锆钛酸钡基陶瓷，陶瓷的容温变化率均符合Y5V标准。研究了Yb掺杂量对锆钛酸钡基陶瓷微观形貌及介电性能的影响。结果表明：随着Yb掺杂量的增大，陶瓷的晶粒尺寸有增大趋势，介电常数呈现出先增大后减小的变化趋势；而室温介电损耗先减小后增加。当Yb掺杂量为0.06 mol%时，陶瓷的晶粒尺寸较小，其室温介电常数达到最大值18221，介电损耗达到最小值为0.0061。参考文献：

［1］ Q HGUO,X P ZHOU,X Y LI,et al.Supercapacitors based on hybrid carbon nanofibers containing multiwalled carbon nanotubes［J］. Journal of Materials Chemistry,2009,19（1）:2810～2816.

［2］ LU D Y,ZHANG L,SUN X Y.Defect Chemistry of a High-k‘Y5V’（Ba0.95Eu0.05）TiO3Ceramic［J］.Ceramics International,2013, 39:6369～6377.

［3］ BOULOS M,GUILLEMET-FRITSCHS,MATHIEU F,et al.Hydrothermal Synthesis of Nanosized BaTiO3Powders and Dielectric Properties of Corresponding Ceramics［J］.Solid State Ionics,2005, 176:1301～1309.

［4］ LU W,QUILITZ M,SCHMIDT H.Nanoscaled BaTiO3Powders with a Large Surface Area Synthesized by Precipitation from Aqueous Solutions:Preparation,Characterization and Sintering［J］.Journal of the European Ceramic Society,2007,27:3149～3159.

［5］ ZHANG Q L,F WU,H YANG,et al.Sol-gel Synthesis of A-siteorderedandHomogeneous（Nd0.55Li0.35）TiO3CeramicandItsDielectric Properties［J］.Scripta Materialia,2011,65:842～845.

［6］ CHOURASIA R,SHRIVASTAVA O P.Crystal Structure Modeling, Electrical and Micro-structural Characterization of Manganese doped Barium Zirconium Titanate Ceramics［J］.Polyhedron,2011, 30:738-745.

［7］ CHOU X J,ZHAI J W,JIANG H T,et al.Dielectric Properties and Relaxor Behavior of Rare-Earth La,Sm,Eu,Dy,Y Substituted Barium Zirconium Ttanate Ceramics［J］.Journal of Applied Physiology,2007,102:084106～084106-6.

［8］ HONG J F,JUN G H,YUAN F Q,et al.Structure,Dielectric and Electrical Properties of Cerium doped Barium Zirconium Titanate Ceramics［J］.Journal of Alloysand Compounds,2012,512:12～16.

［9］ MIHA D.Oxygen Partial Pressure and Grain Growth in Donor-Doped BaTiO3［J］.Journal of the American Ceramic Society, 1987,70:311～314.

Effect of Yb-doping on Microstructure and Dielectric Properties of Ba（Zr0.1Ti0.9）O3Ceramics

WANG Yan
（Key Laboratory of Phytochemistry of Shaanxi Province,Engineering Research Center of Advanced Ferroelectric Functional Materials,College of Chemistry and Chemical Engineering,Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721013,China）

The Yb-doped Ba（Zr0.1Ti0.9）O3ceramics were prepared by sol-gel method,which met the Electronic Industries Alliance Y5V specifications. The samples were analyzed by XRD and SEM,etc.The effect of Yb-doping concentration on the microstructure,temperature coefficient of capacitance,dielectric constant and dielectric loss of Yb-dope Ba（Zr0.1Ti0.9）O3ceramics were investigated.As the Yb-doped concentration increased,the grain sizes increased;the maximum dielectric constant first increased and then decreased at room temperature.As the Yb-doping concentration was 0.06 mol%,the grain size of ceramic was small and it was compact with a dielectric constant of 18221 and a lower dielectric loss below 0.61%at room temperature.

Sol-gel method;Ba（Zr0.1Ti0.9）O3;Yb-doping;dielectric property

TQ028.8；TB34

A

1001-0017（2017）03-0173-03

2017-02-22 *基金项目：陕西省教育厅项目（编号：16JK1040）；宝鸡市科技局（编号：16RKX1-4）；宝鸡文理学院校级重点项目

（编号：ZK16054）。

王艳（1983-），女，陕西蒲城人，博士，研究方向为功能陶瓷材料的制备与性能研究。