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基础物理在电子功能材料上的应用
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摘 要：如今科技发展主要依靠新材料与先进的制造技术，作为基础学科的物理在新材料的研究上起着很重要的作用，如在微电子与光电子方面，电子功能材料作为电子产业的基础，为使社会的生产生活步入信息时代起着决定作用。关键词：电子功能材料 基础物理 陶瓷材料
Abstract: Nowadays the science and technology developing largely depends on the developing of the new material and the advanced manufacturing technology.As the basic subject, physics plays an important role in the research of the new material, for instance, microelectronics and phoelectron.Electronic functional ceramics act as the basis of the electronics industry, leads the society to the information ear.Key word: Electronic functional material basic physics ceramics
正文: 一.电子陶瓷材料简介
陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。功能陶瓷通常具有特殊的物理性能。原来的陶瓷就是指陶器和瓷器的通称。也就是通过成型和高温烧结所得到的成型烧结体。传统的陶瓷材料主要是指硅铝酸盐。后来，人们研究构成陶瓷的陶瓷材料的基础，使陶瓷的概念发生了很大的变化，陶瓷材料发展成了可以借助三维成键的材料，通过成型和高温烧结所得到的烧结体的通称。
电子陶瓷是指以电、磁、光、声、热、力、化学和生物等信息的检测、转换、耦合、传输及存储等功能为主要特征的陶瓷材料, 通过对表面、晶界和尺寸结构的精密控制而最终获得具有新功能的陶瓷。主要包括压电、介电、离子导体、超导和磁性陶瓷等。它在化学成分、微观结构和机电性能上，均与一般的电力用陶瓷有着本质的区别。这些区别是电子工业对电子陶瓷所提出的一系列特殊技术要求而形成的，其中最重要的是须具有高的机械强度，耐高温高湿，抗辐射，介质常数在很宽的范围内变化，介质损耗角正切值小，电容量温度系数可以调整（或电容量变化率可调整）．抗电强度和绝缘电阻值高，以及老化性能优异等。电子陶瓷材料的发展，同物理化学、应用物理学、硅酸盐物理化学、固体物理学、光学、电学、声学、无线电电子学等的发展密切相关，它们相互促进，从而在电子技术的飞跃发展中，使电子陶瓷也相应地取得了很大进展。
二.典型电子陶瓷
1.敏感电子陶瓷。敏感电子陶瓷在各类敏感元件中占有十分重要的地位,主要有热敏陶瓷、压敏陶瓷和压电陶瓷等。
热敏陶瓷是一类电阻率、磁性、介电性等性质随温度发生明显变化的材料,主要用于制造温度传感器、线路温度补偿及稳频元件。根据热敏陶瓷的电阻-温度特性可以分为3 大类:正温度系数热敏电阻(PTC)、负温度系数热敏电阻(NTC)和临界温度系数热敏电阻(CTR)。
压敏陶瓷对外加电压变化非常敏感,如今已由单一压敏性能的ZnO 压敏陶
瓷,SiC 压敏陶瓷发展到具有电容性和压敏性的双功能电子元器件(主要是TiO2 和SrTiO3 系列电容-压敏电阻器)。压电材料能够自适应于环境的变化,实现机械能与电能之间的转化,具有集传感器和控制于一体的特有属性。压电材料由最初的压电晶体发展到压电陶瓷,进而发展到压电聚合物(压电复合材料),其应用领域也由最初的检音器、换能器、滤波器扩展到能源、信息、军事科学、超声医学及其他许多高技术领域。目前,压敏陶瓷的研究热点主要集中在稀土掺杂改性研究(如: Ta ,La ,Ce 等)和纳米添加改性研究方面,采用稀土掺杂和纳米添加法制备的压敏陶瓷具有更高的致密度和较好的电学性能。
压电陶瓷压电材料能够自适应于环境的变化,实现机械能与电能之间的转化,具有集传感器和控制于一体的特有属性。压电材料由最初的压电晶体发展到压电陶瓷,进而发展到压电聚合物(压电复合材料),其应用领域也由最初的检音器、换能器、滤波器扩展到能源、信息、军事科学、超声医学及其他许多高技术领域。现在所用的压电陶瓷材料,主要是Pb(Ti ,Zr)O3(PZT),PbTiO3ABO3(ABO3 为复合钙钛矿型铁电体)及PbTiO3 等铅基压电陶瓷。钛酸铅常温下属四方晶系,当温度高于居里温度时,晶体为立方晶系,是理想的钙钛矿型结构。因此,钛酸铅是一种可用于高温、高频场合的压电材料。纯钛酸铅的压电性能较低,而且纯钛酸铅陶瓷很难烧制,当冷却通过居里点时,就会碎裂为粉末,但加入少量杂质可抑制开裂,提高压电性能。
2.介电陶瓷
钛酸钡陶瓷由于具有较高的介电常数、良好的铁电、介电及绝缘性能,主要用于制备高电容电容器、多层基片、各种传感器等。随着电子科学的不断发展,对介电陶瓷性能要求是越来越高,其中多层型电容器的不断薄层化,已被实用的多层电容器所取代,每层厚度仅达几个微米。
钛酸锶陶瓷是一种新的多功能电子陶瓷材料,它具有介电损耗低、温度稳定性好等优点。钛酸锶的四角相态点的相转移温度为108 K,纯SrTiO3，的居里温度是35 K甚至更低。SrTiO3 不仅具有高的电容率和低的耗散因子,而且具有良好的温度稳定性和抗高电压性。尤其是把La ,Nb ,Bi 等的离子掺加于Sr2TiO3 中时,会产生弛豫现象,并将明显增大电容率和提高介电性。因此,掺加有上述离子的SrTiO3 陶瓷有极强的实用价值,可用于制造高电压和高电容率的陶瓷电容器。
3.微波介质陶瓷。是指适合于微波应用的低损耗、温度稳定的电介质陶瓷材料,其广泛应用于微波谐振器、滤波器、移相器、微波电容器以及微波基板等,是移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统(GPS)、蓝牙技术以及无线局域网(WLAN)等现代微波通信技术的关键材料。
微波陶瓷介质材料种类有很多。主要有: TiO2;2MgO·SiO2;A12O3;MsTiO3;BaTi4O9;BaTi9O20;(Zr ,Sn)TiO4;Ba(Zr ,Ti)O3;MsTaO3;BaONb2O5ZrO2;BaO-TiO2Ln2O3 等系统。无论哪种系统,一般都希望微波陶瓷材料具有适宜的介电常数ε,尽可能高的品质因素Q0 ,尽可能低的频率温度系数Tf。
4.快离子导体陶瓷。是指电导率可以和液体电解质(如熔盐)相比拟的固态离子导体陶瓷,又称为电解质陶瓷。其离子电导率可达l0-1～l0-2 S/cm ,活化能低至0.1～0.2 eV。20 世纪以来,人们对快离子导体开展了一系列的研究,一方面是对已发现的快离子导体进行了深入的性能和应用研究,并进一步探索新的快离子导体;另一方面对快离子导体的导电机制,包括从晶体结构、离子传导机理及传导动力学等角度进行广泛的探索。现已发现的快离子导体材料有数百种之多,其中
较为典型的快离子导体有氧离子导体、钠离子导体、锂离子导体和氢离子导体等。
氧离子导体。以氧离子为主要载流子的快离子导体,称为氧离子导体。氧离子导体具有特殊的功能,已在工业领域得到应用,如作为高温燃料电池、氧泵的隔膜材料和氧传感器等。
钠离子导体。CAS是具有钠离子迁移特性的化合物，其典型代表为钠β-氧化铝和Nasicon。
锂离子导体。随着高能电池研究的发展,以锂离子导体作为隔膜材料的室温全固态锂电池,由于寿命长、装配方便、可以小型化等优点已引起人们的重视。
氢离子导体又名质子导体,是利用化学键储能,是一种无污染的储能方式。
三.电子陶瓷材料的发展趋势与研究方向
1.小型化与微型化。如今对器件小型化、微型化的要求越来越迫切,而电子元器件特别是大量使用的以电子陶瓷材料为基础的各类无源元器件,是实现整机小型化、微型化的主要瓶颈。因此,小型化、微型化(包括片式化)是目前元器件研究开发的一个重要目标。以片式电容器为例，正向着微型化、介质薄层化、大容量、高可靠和电极碱金属化(低成本)的方向发展。介质单层厚度由原来的10μm 以上减小到5μm、3μm ,甚至到1μm;介质层数也由几十层发展到几百层。其他功能陶瓷元器件也正向着片式化和微型化方向发展,如多层压电陶瓷变压器、片式电感类器件、片式压敏电阻、片式多层热敏电阻等。这些片式化功能陶瓷元器件占据了当前电子陶瓷无源元器件的主要市场。从材料角度而言,实现小型化、微型化的基础在于提高陶瓷材料的性能和发展陶瓷纳米晶技术和相关工艺。
2.高频化与频率系列化。对各类电子元器件中的陶瓷材料来说,如何适应高的工作频率是一个严峻挑战。因此,寻找具有良好高频特性以及系列化工作频率的功能陶瓷材料,是目前新型电子元器件领域的研究热点,微波介质陶瓷材料及新型微波器件是其中重要的研究课题。
3.集成化与模块化。为减小整机的尺寸,采用多元复合、集成化无源元件,提高安装密度,将是一种最有效的途径。因此,多层复合功能陶瓷及元器件正由分离式元件向复合化多元组件发展,并最终向无源器件的集成化趋势发展。
4.无铅化与环境协调性。近年来,随着环境保护和人类社会可持续发展的需求,研发新型环境友好的铁电压电陶瓷已成为发达国家致力研发的热点材料之一。
电子陶瓷的研究方向主要有：
1.研究陶瓷的组成、结构和原子价键特性及其相互关系，以改善电子陶瓷的性能；
2.研究制造超微粉粒和超纯粉粒以及成型、烧结等工艺，以改善电子陶瓷的制造技术；
3.探讨陶瓷中可能存在的各种物理效应，发展新型功能材料及多功能材料；
4.应用复合材料的理论和技术，研究以陶瓷为主体的结构复合、物理复合和功能复合的材料；
5.应用表面分析、能谱分析和计算机模拟等技术，研究陶瓷中晶粒间界面的组成、结构和性质等。
参考文献：
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