MoO₃摻雜Bi_1.975Li_0.025（Zn_1/3Nb_2/3）₂O₇陶瓷的介電性能

摘要：采用固相反應(yīng)法制備（Bi1.975Li0.025）（Zn2/3Nb4/3-xMox）O7陶瓷，當(dāng)Li+替代含量一定時(shí)，Mo6+摻雜后對(duì)陶瓷的相結(jié)構(gòu)和介電性能的影響。研究結(jié)果：XRD分析表明在X≤0.05mol時(shí)（Bi1.975Li0.025）（Zn2/3Nb4/3-xMox）O7具有單一的單斜體相；通過測(cè)量不同頻率下的介電溫譜（-30℃≤T≤130℃，102≤f≤105Hz），介電損耗出現(xiàn)明顯的弛豫峰現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：Bi1.975Li0.025（Zn1/3Nb2/3）2O7系陶瓷 單斜相焦綠石 替代

由于Bi基焦綠石介電陶瓷具有優(yōu)異的介電性能，而在高頻下Bi2O3-ZnO-Nb2O5（BZN）具有較高的介電常熟以及較低的燒結(jié)溫度和介質(zhì)磨損，并且能夠多層兼容Ag電極等特點(diǎn)[1]，有希望用于濾波器、介質(zhì)諧振器以及溫度穩(wěn)定性多層陶瓷電容器等元器件。BZN化合物的化學(xué)通式為A2B2O7，并且通過X射線衍射可以看出他們是具有單斜型和立方型的焦綠石結(jié)構(gòu)。較大的陽離子占據(jù)A位并且處于八配位變形的六面體中，而相對(duì)較小的陽離子占據(jù)B位同時(shí)占據(jù)六配位BO6氧八面體中，Zn離子則被認(rèn)為可同時(shí)占據(jù)A位和B位[2]。

通訊技術(shù)隨著現(xiàn)代化科技的不斷進(jìn)步得到了迅猛的發(fā)展，目前已經(jīng)普遍應(yīng)用到個(gè)人通信機(jī)，這使得多點(diǎn)、容量大以及速度快的信息能夠十分便捷地進(jìn)行傳輸[3]。現(xiàn)代化的通信技術(shù)已經(jīng)逐漸向著微型化的方向發(fā)展，而具有優(yōu)異的介電性能的焦綠石結(jié)構(gòu)陶瓷十分符合其發(fā)展方向的需求。因此，為了適應(yīng)現(xiàn)代化通信技術(shù)的發(fā)展要求，研究并且開發(fā)介電通信材料就顯得尤為重要。此外，焦綠石結(jié)構(gòu)陶瓷具有其他材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此，深入研究這種材料具有十分重大的意義。

本文以β-BZN為研究對(duì)象，選用電價(jià)低且半徑較小的Li+取代量一定時(shí)，電價(jià)高其半徑稍小Mo6+對(duì)β-BZN的B位進(jìn)行替代，研究材料結(jié)構(gòu)和性能的變化規(guī)律，尤其關(guān)注介電弛豫現(xiàn)象。

1 實(shí)驗(yàn)

采用傳統(tǒng)的固相陶瓷二次燒結(jié)工藝對(duì)原材料LiNO3、Bi2O3、Nb2O5、ZnO、MoO3制備樣品，經(jīng)混磨和成型后放到850℃預(yù)燒。預(yù)燒料造粒以后制成厚度為0.5～1.5mm，直徑為10mm的圓片，然后放到900℃空氣中燒結(jié)。處理完樣品后分別用于低頻介電性能的測(cè)試。

在進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析時(shí)采用X射線衍射儀，在進(jìn)行介電性能檢測(cè)時(shí)采用精密的HP4284型LCR測(cè)試儀，20Hz～

1MHz為其測(cè)試的頻率范圍，-30～130℃為其測(cè)試的溫度范圍。

2 結(jié)果分析

2.1 相結(jié)構(gòu)分析

圖1是不同的Mo6+替代量樣品燒結(jié)后的XRD圖。從圖中我們可以看出，當(dāng)替代量x≤0.05時(shí)，由于Li+的半徑小于Bi3+并且Mo6+的半徑小于Nb5+，則當(dāng)Li+和Mo6+進(jìn)入晶格后由于沒有超過結(jié)構(gòu)的容忍度，因而結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化，所以，仍舊保持單一的單斜焦綠石相而沒有出現(xiàn)第二相。

通過圖1我們還可以看出，隨著Mo6+替代量的增加，由于引入小半徑的替代后減小了BLZNM單斜相焦綠石晶胞的體積，從而減小了焦綠石的晶胞體積，因而造成了BLZNM樣品的XRD的主峰向高角方向移動(dòng)。

2.2 介電頻譜特性

通過圖2我們可以看出介電常數(shù)隨著Mo6+增加而逐漸增大，而介電損耗則是先增后減然后再增大的過程，但是從整體來看，介電損耗都比較小。

當(dāng)Li+的參加量達(dá)到一定時(shí)，相對(duì)于Nb5+的極化率Mo6+的極化率更大。而介電常數(shù)也會(huì)隨著Mo6+的替代量的增加而逐漸增大，同時(shí)引入小半徑的Mo6+離子而導(dǎo)致晶格收縮也會(huì)造成樣品的介電常數(shù)增大，這些都是造成介電常數(shù)增大到最大的主要原因。

2.3 介電溫譜特性

利用德拜模型推導(dǎo)出的公式，從圖3的介電損耗峰取得數(shù)據(jù)，計(jì)算x=0.05時(shí)的激活能和本征頻率，其公式如下：

在上式中，τ為弛豫時(shí)間，T為損耗峰峰值溫度，U為激活能，ν為本征頻率。在損耗峰峰位，可取τ=1/ωm，ωm為測(cè)試頻率，T1、T2分別為ω1、ω2頻率下的峰值溫度。

通過表1的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)單斜相BLZN的激活能影響較大的是Mo6+，并且本征頻率也高于德拜頻率（約1013Hz）。通過圖3也可以看出，介電損耗峰值的溫度隨著頻率的增大而向高溫方向移動(dòng)，同時(shí)介電損耗存在的溫度范圍比較寬。

由圖4中的介電溫譜數(shù)據(jù)，在此取f=50Hz，圖4（a）中看出不同Mo6+的替代量介電常數(shù)，有相同的變化趨勢(shì)，介電常數(shù)逐漸的增大，圖4（b）的介電損耗來說，當(dāng)x=0.05時(shí)，出現(xiàn)明顯的介電弛豫峰，其原因是：由于Li+的替代量一定時(shí)，產(chǎn)生一定量的氧空位，Mo6+替代量的增加，其缺陷方程如下：

樣品在x=0.05時(shí)，產(chǎn)生弛豫現(xiàn)象的主要原因是：當(dāng)陽離子空位與其相反電荷的氧空位以及雜質(zhì)原子在庫(kù)倫力的作用下產(chǎn)生缺陷相平衡時(shí)就會(huì)形成缺陷對(duì)，而這種缺陷對(duì)可以被看作是一種偶極子[4]，通過圖3可以證明在外場(chǎng)的作用下存在偶極子缺陷對(duì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生弛豫極化現(xiàn)象，從圖4（b）可知x=0.025，0.035有介質(zhì)損耗峰不太明顯，當(dāng)x=0.05

時(shí)在80℃附近產(chǎn)生明顯的介質(zhì)損耗峰。這一介電弛豫極化現(xiàn)象與缺陷偶極子的影響有關(guān)，隨著Mo6+摻雜量的增加，缺陷偶極子的濃度也在變大，所以在x=0.05時(shí)出現(xiàn)了明顯的介電弛豫極化現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本文在Bi3+被一定量的Li+取代的情況下，BZN基材料結(jié)構(gòu)和性能在Mo6+替代Nb5+后的影響。此研究表明以下方面：

①當(dāng)替代量0

②介電常數(shù)隨著替代量的增加而逐漸增大；總體上介電損耗相對(duì)較小，并且介電常數(shù)的溫度系數(shù)表現(xiàn)為正值方向變化。

③當(dāng)替代量增加到0.05時(shí)，介電損耗峰出現(xiàn)在80℃附近，并且損耗峰值的溫度隨著頻率的不斷增大向著高溫方向移動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜慧玲，汪宏，許麗君，等.K+，La3+聯(lián)合取代A位Zn2+的BZN 基陶瓷的相結(jié)構(gòu)與介電性能研究[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2000，28（3）：210-

213.

[2]汪宏.J.Bi基微波介質(zhì)材料的開發(fā)和研究.材料研究學(xué)報(bào)，1998，

12（2）：167-170.

[3]SHEN Bo，ZHAI Jiwei，YAO Xi.Dielectric relaxation and tunability of Bi2O3-ZnO-CaO-Ta2O5 ceramics[J].Appl Phys Lett，2005，86（7）：072902-1-3.

[4]A.K.Jonscher.Dielectric relaxation in solids[M].Chlesea Dielectrics，London，1983.326-335.