专利名称：一种低介电损耗铁铌酸钡陶瓷的制备方法
技术领域：
本发明属于材料科学领域，涉及一种低介电损耗铁铌酸钡陶瓷及其制备方法
背景技术：
自从1947年发明晶体管，特别是1958年发明集成电路以后，微电子技术发展极其迅速。以此为基础的微电子产业已经成为国民经济中最重要的支柱产业之一。基于新的应用要求和提高市场占有率及竞争力的需要，必须不断提高集成电路性能和性能价格比。为此，需要不断缩小器件的特征尺寸，提高芯片的集成度和增加硅片的面积，这也是微电子技术发展的主要途径。1967年Dermard发明了一项由两个基本器件组成的极为重要的电路一动态随机存储器(DRAM)，传统的DRAM的设计非常巧妙的利用了在硅表面自然形成的二氧化硅非晶层作为电介质材料，工艺简单而且成熟。但随着硅工业的集成度不断的提高，DRAM 的存储密度也需要不断的提高，这也就要求信息存储在更小的面积。其中在面积减小的同时如果同时减小电介质的厚度，可以保持电容值的不变。传统的工艺方法也正是通过不断减小二氧化硅的厚度来提高器件的集成度和性能，但目前电介质的厚度正迅速逼近电子隧穿区域，在这个区域漏电流随着厚度的减小，呈指数级的增长。为此，为了继续提高存储期间的存储密度，从20世纪80年代科研工作者提出了两种可能的途径。其一，改变原来的电极结构，由二维的平面结构变为立体的三维结构，使用立体的电极结构，可以在有限的面积内有效增加电极的表面积。第二种途径是采用比目前的电介质的介电常数略大的电介质材料作为电容器的介质层，从而达到提高集成度的要求。到20世纪90年代，半导体制造商们发现，通过改变电极结构等工艺上的方法正逐步走向极限，虽然它的优点在于可以不用改变介电层而继续使用传统简单的成熟工艺，但复杂的立体结构在现有的工艺水平上得到实现是非常的困难，并且其费用也是非常巨大的。尤为重要的是，随着科学技术的飞速发展， 微电子工艺技术的发展出乎人们的预期，这使得寻找新的高介电常数的电介质材料成为目前非常迫切的一项研究工作。复合钙钛矿型结构的铁铌酸钡(BaFea5Nba5O3)因具有巨介电常数效应而引起研究者的广泛关注。它首先由Saha and Sinha等在2002年通过固相法合成得到。目前的相关研究工作主要是采用不同的合成和制备工艺(溶胶凝胶法、微波辅助合成法、FeNbO4前驱物固相烧结法等)制备铁铌酸钡陶瓷，并研究工艺方法其性能的影响。总结相关文献，我们可以发现铁铌酸钡缺点是介电损耗较大，室温下的介电损耗为4. 29左右(IkHz)，这一缺点严重制约了该陶瓷材料的实际应用，如何保持铁铌酸钡的高介电常数，降低其介电损耗显得尤为迫切。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低介电损耗铁铌酸钡陶瓷的制备方法，经过改性的铁铌酸钡陶瓷仍具有巨介电常数，然而其介电损耗得到了显著降低。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是
1)按化学通式BaFq 5Nb0.503，取分析纯的BaCO3、！^e2O3和Nb2O5配制后球磨4小时， 然后烘干，过筛，压块，经1250°C预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到低介电损耗铁铌酸钡粉体；2)按化学通式BaTiO3,取分析纯的BaCO3和TiO2配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经1200°C预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到低介电损耗铁铌酸钡粉体；3)化学通式为(1-x) Bai^etl. 5NbQ 503-xBaTiO3 的质量比将 Bai^ea 5NbQ. 503 和 BaTiO3 粉体混合均勻，其中χ为BaTiO3的质量分数，且0. 1彡χ彡0. 4 ；4)在步骤3)的混合物中加入混合物质量8% 15%的PVA粘合剂经60目与120 目筛网过筛，得到所需低介电损耗铁铌酸钡的混合粉末；5)将混合粉末按需要压制成型，在550°C，保温4个小时排除粘合剂PVA，然后在 1350°C下烧结0. 5 2个小时得到低介电损耗铁铌酸钡陶瓷。所述的PVA粘合剂为是指质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液。本发明制备的低介电损耗铁铌酸钡陶瓷的具有巨介电常数和非常低的介电损耗， IkHz时介电常数为13300 21000，介电损耗为0. 14 0. 32。该低介电损耗铁铌酸钡陶瓷可以在1350°C的条件下烧结。该低介电损耗铁铌酸钡陶瓷的制备工艺简单。
图1为χ = 0. 1，即化学通式为0. 9BaFe0.5Nb0.503-0. IBaTiO3时，铁铌酸钡陶瓷的X 射线衍射图。图2为χ = 0. 2，即化学通式为0. 8BaFe0.5Nb0.503-0. 2BaTi03时，铁铌酸钡陶瓷的X 射线衍射图。图3为χ = 0. 3，即化学通式为0. 7BaFe0.5Nb0.503-0. 3BaTi0s时，铁铌酸钡陶瓷的X 射线衍射图。图4为χ = 0. 4，即化学通式为0. 6BaFe0.5Nb0.503-0. 4BaTi03时，铁铌酸钡陶瓷的X 射线衍射图。图5为χ = 0. 1，即化学通式为0. 9BaFe0.5Nb0.503-0. IBaTiO3时，铁铌酸钡陶瓷的介电性能。由图可以看出，IkHz铁铌酸钡陶瓷的介电常数和介电损耗分别为21000和0. 31。图6为χ = 0. 2，即化学通式为0. 8BaFe0.5Nb0.503-0. 2BaTi03时，铁铌酸钡陶瓷的介电性能。由图可以看出，IkHz铁铌酸钡陶瓷的介电常数和介电损耗分别为14600和0. 18。图7为χ = 0. 3，即化学通式为0. 7BaFe0.5Nb0.503-0. 3BaTi0s时，铁铌酸钡陶瓷的介电性能。由图可以看出，IkHz铁铌酸钡陶瓷的介电常数和介电损耗分别为13600和0. 17。图8为χ = 0. 4，即化学通式为0. 6BaFe0.5Nb0.503-0. 4BaTi03时，铁铌酸钡陶瓷的介电性能。由图可以看出，IkHz铁铌酸钡陶瓷的介电常数和介电损耗分别为13300和0. 13。图9为χ = 0. 1，即化学通式为0. 9BaFe0.5Nb0.503-0. IBaTiO3时，铁铌酸钡陶瓷的显微结构照片。图10为χ = 0. 2，即化学通式为0. 8BaFe0.5Nb0.503-0. 2BaTi03时，铁铌酸钡陶瓷的显微结构照片。图11为χ = 0. 3，即化学通式为0. 7BaFe0.5Nb0.503-0. 3BaTi0s时，铁铌酸钡陶瓷的显微结构照片。。图12为χ = 0. 4，即化学通式为0. 6BaFe0.5Nb0.503-0. 4BaTi03时，铁铌酸钡陶瓷的显微结构照片。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。实施例1 1)按化学通式BaFq 5Nb0.503，取分析纯的BaCO3Je2O3和Nb2O5配制后球磨4小时， 然后烘干，过筛，压块，经1250°C预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到低介电损耗铁铌酸钡粉体；2)按化学通式BaTiO3,取分析纯的BaCO3和TiO2配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经1200°C预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到低介电损耗铁铌酸钡粉体；3)化学通式为 0. 9BaFe0.5Nb0.503_0. IBaTiO3 的质量比将 BaFq 5Nb0.503 和 BaTiO3 粉体混合均勻，其中χ为BaTiO3的质量分数；4)在步骤3)的混合物中加入混合物质量8%的PVA粘合剂经60目与120目筛网过筛，得到所需低介电损耗铁铌酸钡的混合粉末；所述的PVA粘合剂为是指质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液。5)将混合粉末按需要压制成型，在550°C，保温4个小时排除粘合剂PVA，然后在 1350°C下烧结0. 5个小时得到低介电损耗铁铌酸钡陶瓷，本实施例制备的低介电损耗铁铌酸钡陶瓷的X射线衍射图如图1所述，由图1可以看出，所制备陶瓷为单斜钙钛矿结构。 介电性能如图5所示，由图5可以看出，IkHz铁铌酸钡陶瓷的介电常数和介电损耗分别为 21000和0. 31，显微结构照片如图9，由图9可以看出所制备的陶瓷结构致密。实施例2 1)按化学通式BaFq 5Nb0.503，取分析纯的BaCO3Je2O3和Nb2O5配制后球磨4小时， 然后烘干，过筛，压块，经1250°C预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到低介电损耗铁铌酸钡粉体；2)按化学通式BaTiO3,取分析纯的BaCO3和TiO2配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经1200°C预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到低介电损耗铁铌酸钡粉体；3)化学通式为 0. 8BaFe0.5Nb0.503_0. 2BaTi03 的质量比将 BaFea 5Nb0.503 和 BaTiO3 粉体混合均勻，其中χ为BaTiO3的质量分数；4)在步骤3)的混合物中加入混合物质量10%的PVA粘合剂经60目与120目筛网过筛，得到所需低介电损耗铁铌酸钡的混合粉末；所述的PVA粘合剂为是指质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液。5)将混合粉末按需要压制成型，在550°C，保温4个小时排除粘合剂PVA，然后在 1350°C下烧结1. 5个小时得到低介电损耗铁铌酸钡陶瓷。本实施例制备的低介电损耗铁铌酸钡陶瓷的X射线衍射图如图2所述，由图2可以看出所制备陶瓷为单斜钙钛矿结构。介电性能如图6所示，由图6可以看出，IkHz铁铌酸钡陶瓷的介电常数和介电损耗分别为14600和0. 18，显微结构照片如图10，由图10可以看出所制备的陶瓷结构致密。实施例3 1)按化学通式Bai^ea5Nba5O3,取分析纯的BaCO3Je2O3和Nb2O5配制后球磨4小时， 然后烘干，过筛，压块，经1250°C预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到低介电损耗铁铌酸钡粉体；2)按化学通式BaTiO3,取分析纯的BaCO3和TiO2配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经1200°C预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到低介电损耗铁铌酸钡粉体；3)化学通式为 0. 7BaFe0.5Nb0.503_0. 3BaTi0s 的质量比将 BaFq 5Nb0.503 和 BaTiO3 粉体混合均勻，其中χ为BaTiO3的质量分数；4)在步骤3)的混合物中加入混合物质量12%的PVA粘合剂经60目与120目筛网过筛，得到所需低介电损耗铁铌酸钡的混合粉末；所述的PVA粘合剂为是指质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液。5)将混合粉末按需要压制成型，在550°C，保温4个小时排除粘合剂PVA，然后在 1350°C下烧结2个小时得到低介电损耗铁铌酸钡陶瓷。本实施例制备的低介电损耗铁铌酸钡陶瓷的X射线衍射图如图3所述，由图3可以看出所制备陶瓷为单斜钙钛矿结构。介电性能如图7所示，由图7可以看出，IkHz铁铌酸钡陶瓷的介电常数和介电损耗分别为13600 和0. 17，显微结构照片如图11，由图11可以看出所制备的陶瓷结构致密。实施例4 1)按化学通式BaFq 5Nb0.503，取分析纯的BaCO3Je2O3和Nb2O5配制后球磨4小时， 然后烘干，过筛，压块，经1250°C预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到低介电损耗铁铌酸钡粉体；2)按化学通式BaTiO3,取分析纯的BaCO3和TiO2配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经1200°C预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到低介电损耗铁铌酸钡粉体；3)化学通式为 0. 6BaFe0.5Nb0.503_0. 4BaTi03 的质量比将 BaFea 5Nb0.503 和 BaTiO3 粉体混合均勻，其中χ为BaTiO3的质量分数；4)在步骤3)的混合物中加入混合物质量15%的PVA粘合剂经60目与120目筛网过筛，得到所需低介电损耗铁铌酸钡的混合粉末；所述的PVA粘合剂为是指质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液。5)将混合粉末按需要压制成型，在550°C，保温4个小时排除粘合剂PVA，然后在 1350°C下烧结1个小时得到低介电损耗铁铌酸钡陶瓷。本实施例制备的低介电损耗铁铌酸钡陶瓷的X射线衍射图如图4所述，由图4可以看出所制备陶瓷为单斜钙钛矿结构。介电性能如图8所示，由图8可以看出，IkHz铁铌酸钡陶瓷的介电常数和介电损耗分别为13300 和0. 13，显微结构照片如图12，由图12可以看出所制备的陶瓷结构致密。
权利要求
1.一种低介电损耗铁铌酸钡陶瓷的制备方法，其特征在于1)按化学通式BaFiia5Nba5O3，取分析纯的BaCO3、！^e2O3和Nb2O5配制后球磨4小时，然后烘干，过筛，压块，经1250°C预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到低介电损耗铁铌酸钡粉体；2)按化学通式BaTiO3，取分析纯的BaCO3和TW2配制后球磨4小时，然后烘干，过筛， 压块，经1200°C预烧3小时，然后将所得块状样品粉碎后过120目筛得到低介电损耗铁铌酸钡粉体；3)化学通式为(1-x)BaFe0.5Nb0.503-xBaTi03 的质量比将 BaFq 5Nb0.503 和 BaTiO3 粉体混合均勻，其中χ为BaTiO3的质量分数，且0. 1彡χ彡0. 4 ；4)在步骤3)的混合物中加入混合物质量8% 15%的PVA粘合剂经60目与120目筛网过筛，得到所需低介电损耗铁铌酸钡的混合粉末；5)将混合粉末按需要压制成型，在550°C，保温4个小时排除粘合剂PVA，然后在 1350°C下烧结0. 5 2个小时得到低介电损耗铁铌酸钡陶瓷。
2.根据权利要求1所述的低介电损耗铁铌酸钡陶瓷的制备方法，其特征在于所述的 PVA粘合剂为是指质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液。
全文摘要
一种低介电损耗铁铌酸钡陶瓷的制备方法，取分析纯的BaCO3、Fe2O3和Nb2O5球磨4后烘干，过筛，压块，预烧，得低介电损耗铁铌酸钡粉体；取分析纯的BaCO3和TiO2球磨后烘干，过筛，压块，预烧得低介电损耗铁铌酸钡粉体；将BaFe0.5Nb0.5O3和BaTiO3粉体混合均匀后加入PVA粘合剂得低介电损耗铁铌酸钡的混合粉末；将混合粉末按需要压制成型，烧结得到低介电损耗铁铌酸钡陶瓷。本发明制备的低介电损耗铁铌酸钡陶瓷的具有巨介电常数和非常低的介电损耗，1kHz时介电常数为13300～21000，介电损耗为0.14～0.32。该低介电损耗铁铌酸钡陶瓷可以在1350℃的条件下烧结。该低介电损耗铁铌酸钡陶瓷的制备工艺简单。
文档编号C04B35/495GK102249676SQ20111012726
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月17日 优先权日2011年5月17日
发明者朱建锋, 杨海波, 林营, 王芬 申请人:陕西科技大学