摘 要

钛酸锶钡（Ba_1-xSr_xTi0₃，简称BST）具有高的介电常数、低的介电损耗、强的介电非线性，其居里温度随Sr含量成线性变化等特点，在可调微波器件领域（如可调电容器、滤波器、振荡器、移相器、延迟线等）有广阔的应用前景。本论文采用柠檬酸盐法制备掺杂Li的Ba_0.6Sr_0.4TiO₃超细粉体，研究氧化锂的掺杂对陶瓷样品的结构和介电性能的影响。本论文研究的目的是降低Ba_0.6Sr_0.4TiO₃陶瓷的烧结温度，同时能够有效提高其介电性能。

研究了Li掺杂的Ba_0.6Sr_0.4TiO₃粉体的制备工艺。通过实验研究，确定了合适的氧化锂掺杂量、烧结温度等工艺参数，并制备出Li掺杂的Ba_0.6Sr_0.4TiO₃超细粉体。研究结果表明，采用上述制备工艺条件制备的Ba_0.6Sr_0.4TiO₃陶瓷样品具有较好的性能，其显微结构和介电性能就有优良的可重现性。

研究了氧化锂的掺杂对Ba_0.6Sr_0.4TiO₃陶瓷样品的结构和介电非线性特性的影响。研究结果表明，氧化锂的掺杂使陶瓷样品的晶胞参数增大，对其显微结构则无明显影响。

研究了氧化锂的掺杂对Ba_0.6Sr_0.4TiO₃陶瓷样品的介电频谱、交流电导率频谱、介电温谱、P-E特性等介电响应行为的影响。研究结果表明，氧化锂的掺杂对陶瓷样品的介电响应行为有显著影响，有效抑制了陶瓷样品的介电异常现象。

关键词：Ba_0.6Sr_0.4TiO₃，Li掺杂，低温烧结，介电性能

Abstract

Barium strontium titanate (Ba_1-xSr_xTi0₃, BST) has a high dielectric constant, low dielectric loss and strong dielectric nonlinearity. Its Curie temperature changes with the Sr content and other characteristics.It has broad application prospects in the field of tunable microwave devices (such as tunable capacitors, filters, oscillators, phase shifter, delay lines, etc.).Ba_0.6Sr_0.4TiO₃ ultrafine powders doped with Li were prepared by citric acid method in this paper.The effects of lithium doping on ceramic sample structure and dielectric properties were studied.The purpose of this paper is to reduce the sintering temperature of Ba_1-xSr_xTi0₃ ceramics, and to improve the dielectric properties of the ceramics effectively.

The preparation technology of Li doped Ba_0.6Sr_0.4TiO₃ powder was studied.Through experimental study, we determined the process parameters, the appropriate doping of lithium hydroxide, solution pH, heating time, sintering temperature and the lithium doped Ba_1-xSr_xTi0₃ ultrafine powders were prepared.Research results show that the Ba_1-xSr_xTi0₃ ceramic samples prepared by the above process conditions have good quality, and the microstructure and dielectric properties of the ceramics have excellent reproducibility.

The effects of lithium doping on Ba_1-xSr_xTi0₃ ceramic sample structure and dielectric properties of nonlinear were studied.The results show that the lithium doping increases the lattice parameters of ceramic samples and there is no obvious influence on the microstructure.

The effects of lithium doping on dielectric spectrum, spectrum of AC conductivity, dielectric temperature spectrum and P-E characteristics of dielectric response behavior of Ba_1-xSr_xTi0₃ ceramics were studied.Research results show that there is significant effect lithium doping on the dielectric response behavior of ceramic samples and the dielectric anomaly of the ceramic sample is effectively suppressed.

Key Words：Ba_0.6Sr_0.4TiO_3, Li-doping, Low temperature sintering , Dielectric properties

目录

第一章 引言 1

1.1可调微波器件的简介 1

1.1.1相控阵列天线 1

1.1.2移相器 2

1.2可调微波器件材料的研究 2

1.2.1材料性能要求 3

1.2.2钛酸锶钡的应用 3

1.3 钛酸锶钡在可调微波器件应用的研究现状 4

1.3.1 钛酸锶钡结构特点 4

1.3.2钛酸锶钡的结构不足 5

1.4本论文研究内容 6

第二章 Li掺杂的Ba_0.6Sr_0.4TiO₃的合成、制备与测试 8

2.1 Li掺杂的Ba_0.6Sr_0.4TiO₃的合成与制备工艺 8

2.1.1 实验原料 8

2.1.2 Li掺杂Ba_0.6Sr_0.4TiO₃粉体的合成工艺 8

2.1.3 Li掺杂Ba_0.6Sr_0.4TiO₃陶瓷的制备 9

2.2 结构分析与性能测试方法 9

2.2.1 晶体结构和显微结构分析 10

2.2.2 电学性能测试 10

2.3 Li掺杂的Ba_0.6Sr_0.4TiO₃样品的表征 11

第三章 低温烧结的BST陶瓷的结构与介电性能 14

3.1 氧化锂掺杂对Ba_0.6Sr_0.4TiO₃陶瓷结构的影响 14

3.1.1 氧化锂掺杂对陶瓷晶体结构的影响 14

3.1.2 氧化锂掺杂对陶瓷显微结构的影响 14

3.2氧化锂掺杂对Ba_0.6Sr_0.4TiO₃陶瓷介电性能的影响 15

3.2.1 对介电频谱的影响 15

3.2.2 对介电非线性的影响 16

3.2.3 对交流电导率频谱的影响 18

3.2.4 对介电温谱的影响 19

3.2.5 对P-E特性的影响 20

第四章 结论 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 引言

电场作为一种可控、常用的良好刺激源，具有快速和可逆特点，电介质材料在它的作用下，结构和性能都发生较大的变化。钛酸锶钡则是一种常见的电介质材料，在电场作用下产生较强的极化，显示出优良的绝缘性能和介电性能，同时钛酸锶钡具有较高的介电常数，对高场强作用有较好的耐压性能，因此钛酸锶钡是一种好的电场响应材料。通过在电场作用下的极化以及相互作用，钛酸锶钡发生有序聚集，得到复合体系的各向异性结构，为可调微波器件材料的制备提供新的思路和方法。

钛酸锶钡(Ba_xSr_1-xTiO₃，简称BST)是钛酸钡(BaTiO₃，简称BT)和钛酸锶(SrTiO₃，简称ST)的完全固溶体。由于BST具有高的介电常数、低的介电损耗和优良的温度、频率特性，在随机动态存储器、大容量陶瓷电容器、非制冷红外探测器等方面具有广泛的用途。BST的介电常数随外加偏置电场的增加而明显降低，具有显著的介电非线性。因此，利用这一介电非线性特性，可以通过改变施加在BST材料上的偏置电场强度来调控其介电常数，开发滤波器、移相器、延迟线、可变电容等可调微波器件，这些器件在微波信息通讯技术中具有重要的应用前景^[1-4]。在电介质性能方面，要求用于可调微波器件的BST材料具有介电可调性高、介电常数适中和介电损耗低的特点。

1.1可调微波器件的简介

80年代后期，铁电薄膜制备技术有了很大的研究进展，其中特别是铁电薄膜和半导体器件集成技术有了一定的完善。这样的发展使得对于铁电薄膜的功能器件在运用上有了很大的进步^[5-6]。我们知道，BST，YBCO和ST薄膜都是呈现出钙钛矿结构的，这些材料拥有晶格匹配和化学相容性。通过相关实验测试与资料查阅可知，BST材料具有低的介电损耗和高的介电常数，把它和高温下的超导薄膜结合起来，便能够制备出高弹性震动调谐器件。1994年就有人开始提出如果铁氧体能够被使用BST材料制成的移相器代替的话，相控阵雷达这一领域将会发生巨大的改变。20世纪末期，国际上的一些相关领域人士便开始注意到这个改变，也有专业人士表示可调微波器件将会是新世纪时的新一代微波器件，这个相关领域也由此被各界人士广泛关注，同时慢慢发展成新世纪的热点器件材料。其中，可调微波器件领域广泛，适用材料有限，主要的应用有移相器、滤波器、可调电器件、相控阵列天线等。

1.1.1相控阵列天线

随着通讯技术的飞快发展，开始对可调微波器件做出了更高的要求。对于成本高，功率大等特点的器件即将被其他具有优质系数条件的材料所取代。相对应的，相控阵列天线已经取代了传统的转动式天线。其中，它实现波束在空间扫描的方式是通过控制天线阵面的相位。相控阵列天线的关键器件是移相器和天线辐射单元。移相器分连续式移相器和数字式移相器两种。实现相控阵列天线的波束在空间进行扫描而天线不需要进行转动的方法便是通过用移相器来改变相邻天线的相位差值。BST材料具有高的可调性、低的介电损耗，介电常数随着外加电场的变化而发生改变等特点。采用BST材料制备电光移相器就是利用BST材料的介电常数在外加电场变化下回发生改变的特性来达到改变相位值的。BST材料发挥的此种作用可以用以下数学公式来表达：