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    高居里溫度BaTiO3基無鉛熱敏陶瓷的研究進(jìn)展

    2024-01-01 00:00:00王占杰金忱
    關(guān)鍵詞:晶界室溫摩爾

    摘 要:鈦酸鋇(BaTiO3)基正溫度系數(shù)電阻(PTCR)陶瓷材料由于具有獨(dú)特的電阻-溫度特性,被廣泛用于制作各種熱敏電阻器件。隨著電子材料及元器件無鉛化的要求日益迫切,高居里溫度BaTiO3基PTCR陶瓷的無鉛化是必然發(fā)展趨勢。介紹了PTCR效應(yīng)的物理機(jī)制、BaTiO3基PTCR陶瓷材料的性能指標(biāo)及其影響因素,綜述了高居里溫度無鉛BaTiO3基PTCR陶瓷材料的研究進(jìn)展,討論了提高無鉛BaTiO3基PTCR陶瓷材料性能的策略與途徑,以促進(jìn)這一領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

    關(guān) 鍵 詞:鈦酸鋇;熱敏電阻;PTCR效應(yīng);高居里溫度;無鉛化發(fā)展;化學(xué)組成;微結(jié)構(gòu)

    中圖分類號(hào):TB34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1000-1646(2024)05-0710-12

    正溫度系數(shù)電阻(positivetemperaturecoeffi-cientresistance,PTCR)熱敏材料由于具有獨(dú)特的電阻-溫度特性,可用來制造各種自動(dòng)恒溫發(fā)熱體,啟動(dòng)開關(guān)元件、過流及過熱保護(hù)元件和旁熱信息感應(yīng)的溫度傳感器等,在家用電器(空調(diào)、電冰箱、洗衣機(jī)等)的變頻控制器、新能源汽車充電樁、航天器電子器件的自適應(yīng)熱控制、各類電機(jī)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-7]。PTCR熱敏材料可分為陶瓷基熱敏材料和聚合物基熱敏材料兩大類[8-9],而陶瓷基熱敏材料又包括BaTiO3(BT)基[10]、ZnO基[11]和V2O3基[12]等。由于BaTiO3基熱敏陶瓷具有使用溫度范圍寬且溫度連續(xù)可調(diào)、熱穩(wěn)定性好、制備工藝簡單并適合于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用最為廣泛。BaTiO3是一種電介質(zhì)材料,其室溫電阻率為1×1010~1×1012Ω·cm。在BaTiO3中摻雜微量稀土元素(如Sb、La、Sm、Ga、Ho等),會(huì)使其轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體,室溫電阻率降至1×10-2~1×104Ω·cm。當(dāng)溫度升高至BaTiO3的居里溫度(TC)附近時(shí),其電阻率將升高4~10個(gè)數(shù)量級(jí),從而產(chǎn)生PTCR效應(yīng)[8,10]。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,BaTiO3基PTCR陶瓷在鐵電陶瓷材料中已經(jīng)成為繼陶瓷電容器和壓電陶瓷之后的第三大類產(chǎn)品。

    近年來,迅猛發(fā)展的新能源汽車、功率電子系統(tǒng)等要求熱敏電阻元件具有更高的工作溫度,因此,提高居里溫度是拓展BaTiO3基PTCR陶瓷在高溫下使用范圍的前提。BaTiO3的居里溫度約為120℃,在BaTiO3中摻雜不同元素可以調(diào)控其居里溫度。通常低居里溫度(TC <120℃)的BaTiO3 基PTCR陶瓷是通過添加SrTiO3進(jìn)行調(diào)控的,而高居里溫度(TC >120℃)BaTiO3 基PTCR陶瓷可通過在BaTiO3 中添加鉛的氧化物(PbO、Pb3O4、PbTiO3)進(jìn)行調(diào)控。但含Pb的BaTiO3 基PTCR陶瓷在生產(chǎn)和廢棄處理過程中有可能造成環(huán)境污染,危害人體健康,因此,迫切需要研發(fā)高居里溫度無鉛BaTiO3 基PTCR陶瓷[13]。在BaTiO3 中摻雜無鉛鐵電材料(Bi0.5Na0.5)TiO3(簡稱BNT)或(Bi0.5K0.5)TiO3(簡稱BKT)可以提高BaTiO3基熱敏陶瓷的居里溫度[14-15]。因此,近年來國內(nèi)外主要圍繞BaTiO3-BNT和BaTiO3-BKT材料體系開展了高居里溫度無鉛BaTiO3 基PTCR熱敏陶瓷的研究。

    本文首先介紹了PTCR效應(yīng)的物理機(jī)制、BaTiO3基PTCR陶瓷材料的性能指標(biāo)及其影響因素,然后綜述高居里溫度無鉛BaTiO3基PTCR陶瓷材料的研究進(jìn)展,最后討論這一研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,以促進(jìn)該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

    1 PTCR效應(yīng)的物理機(jī)制

    半導(dǎo)化是BaTiO3 陶瓷出現(xiàn)PTCR效應(yīng)的前提條件。通常有兩種途徑可以實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(ABO3)BaTiO3 陶瓷的半導(dǎo)化:一種是在BaTiO3陶瓷中摻雜施主元素;另一種是在還原氣氛中燒結(jié)BaTiO3陶瓷以產(chǎn)生氧空位。對(duì)于施主摻雜的BaTiO3而言,需要施主元素具有與A位Ba2+相近的離子半徑和高于二價(jià)的價(jià)態(tài),例如La3+、Sm3+、Y3+、Ce3+/4+等,或具有與B位Ti相近的離子半徑和高于四價(jià)的價(jià)態(tài),如Nb5+、Ta5+等。值得注意的是,三價(jià)離子不僅在一定程度上可以取代A位Ba2+,而且還可以取代B位Ti4+,如Ce3+/4+、Tb3+/4+、Sm3+、Y3+等[16-19]。另外,隨著施主元素含量的增加,室溫電阻率降低,但存在一個(gè)極小值,當(dāng)施主元素繼續(xù)增加時(shí),室溫電阻率反而增加。在高溫和低氧分壓下燒結(jié)的未摻雜BaTiO3由于受到溫度和時(shí)間的限制,在高溫下形成的氧空位在冷卻過程中被凍結(jié)形成了施主能級(jí),使得BaTiO3成為n型半導(dǎo)體。

    BaTiO3陶瓷的PTCR效應(yīng)與晶界密切相關(guān)。采用直拉法制備的BaTiO3單晶無PTCR效應(yīng),但將單晶粉碎并燒制成陶瓷樣品時(shí),則表現(xiàn)出PTCR效應(yīng)。當(dāng)采用雙探針直接測量晶粒和晶界的電阻-溫度特性時(shí),晶粒未表現(xiàn)出PTCR效應(yīng),而晶界具有PTCR效應(yīng),因此,BaTiO3陶瓷的PTCR效應(yīng)實(shí)際上是大量晶界的PTCR效應(yīng)的宏觀表現(xiàn),且通常只有施主摻雜的半導(dǎo)體BaTiO3陶瓷表現(xiàn)出PTCR效應(yīng)。此外,PTCR效應(yīng)明顯取決于燒結(jié)氣氛。雖然在還原氣氛中燒結(jié)的半導(dǎo)體BaTiO3陶瓷具有較低的室溫電阻率,但并未表現(xiàn)出PTCR效應(yīng)。這是因?yàn)榫Ы缗c晶粒的電阻基本相同,未形成有效晶界勢壘。只有在氧化氣氛中燒結(jié)或在高于900℃的空氣中進(jìn)行熱處理時(shí),陶瓷樣品才能顯示出PTCR效應(yīng)。此外,在BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷中摻雜微量Mn、Cu、Fe等受主元素可以顯著提高PTCR效應(yīng)。

    自從在施主摻雜的BaTiO3陶瓷中發(fā)現(xiàn)PTCR效應(yīng)以來,許多研究者對(duì)PTCR效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了深入理論研究[8,10]。首先提出了晶界雙肖特基勢壘模型,該模型認(rèn)為在晶界或晶粒表面形成的二維受主表面態(tài)與晶粒內(nèi)的載流子相互作用,形成了雙肖特基勢壘。該理論可以解釋電阻在居里溫度附近發(fā)生劇烈變化的行為,但不能解釋居里溫度以下的半導(dǎo)化行為。在此基礎(chǔ)上,提出了鐵電補(bǔ)償理論,該理論認(rèn)為當(dāng)溫度低于居里溫度時(shí),BaTiO3為鐵電體,晶粒內(nèi)存在自發(fā)極化。相鄰晶粒由于具有不同晶體取向,其極化方向也不相同,因此,在晶界產(chǎn)生正負(fù)電荷,其中負(fù)電荷使得晶界勢壘高度減小或消失。當(dāng)溫度低于居里溫度時(shí),材料電阻率很低,表現(xiàn)出半導(dǎo)體的導(dǎo)電行為。Heywang-Jonker理論能夠很好地解釋PTCR效應(yīng)的物理機(jī)制,但未解釋晶界勢壘是如何產(chǎn)生的。后來又提出了Ba空位模型,該模型認(rèn)為BaTiO3陶瓷自高溫冷卻時(shí),在晶界或晶粒表面會(huì)形成一層富Ba空位薄區(qū),這些Ba空位補(bǔ)償了晶粒表面的施主電荷,而晶粒內(nèi)部的施主電荷卻未完全被Ba空位補(bǔ)償,進(jìn)而在晶界附近則形成n型半導(dǎo)體/絕緣體/n型半導(dǎo)體的n-i-n異質(zhì)結(jié)構(gòu),Ba空位對(duì)應(yīng)Heywang-Jonker模型中的受主態(tài)。以上三種模型已被廣泛接受,奠定了BaTiO3 基陶瓷PTCR效應(yīng)的理論基礎(chǔ)[8,10,20]。

    需要注意的是,對(duì)于上述模型中關(guān)于晶界或晶粒表面的二維受主表面態(tài)的假設(shè)一直存在爭論。最近,有研究者提出了在無二維受主表面態(tài)情況下形成晶界勢壘的新見解,引入由施加電壓誘發(fā)的凈偶極子極化場和由晶界附近積累的凈偶極子電荷所引起的有效介電常數(shù)[21-22]進(jìn)行分析。

    2 PTCR性能指標(biāo)及其影響因素

    BaTiO3基PTCR陶瓷的最基本特性是其電阻在居里溫度附近迅速升高,如圖1[22]所示。因此,BaTiO3基PTCR陶瓷最重要的性能指標(biāo)主要包括室溫電阻率ρ25、升阻比ρmax/ρmin、電阻溫度系數(shù)α和居里溫度TC 等。其中:ρmax為最大電阻率;ρmin為最小電阻率。

    室溫電阻率越小,PTCR熱敏器件在電路中的電壓降越小,能量損失越小,因此,實(shí)際應(yīng)用中器件需要具有較低的室溫電阻率。施主摻雜是降低BaTiO3陶瓷室溫電阻率、實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化的關(guān)鍵。為了降低室溫電阻率,通常在A位摻雜三價(jià)陽離子(Y3+、Sb3+、La3+)[23-25]或在B位摻雜五價(jià)陽離子(Nb5+、Ta5+)[25-26]。A位和B位共摻雜可以進(jìn)一步降低BaTiO3基PTCR陶瓷的室溫電阻率[27]。另外,在BaTiO3中添加金屬Ni以形成陶瓷-金屬復(fù)合材料,可以獲得超低室溫電阻率(低于1Ω·cm),同時(shí)表現(xiàn)出約高8個(gè)數(shù)量級(jí)的升阻比[28]。

    根據(jù)電阻-溫度特性曲線可以計(jì)算升阻比,為了提高升阻比,通常通過摻雜Mn2+替換B位Ti4+[23-24,26,29]。Mn作為受主摻雜元素雖然可以提高升阻比,但也會(huì)引起室溫電阻率的急劇增大。因此,需要精確控制Mn的摻雜量。另外,還需要考慮Mn與施主摻雜元素的比例。例如,當(dāng)將La和Mn作為施主-受主元素對(duì)共摻雜BaTiO3時(shí),通過增材制造方法制備的0.3%La和0.08%Mn共摻雜的BaTiO3 熱敏陶瓷的升阻比可以達(dá)到1×105[30]。電阻溫度系數(shù)表征電阻隨溫度變化的劇烈程度,其對(duì)溫度的精確控制非常重要。影響電阻溫度系數(shù)的主要因素是BaTiO3的鐵電-順電相變行為[31]。

    在BaTiO3中摻雜不同元素可以調(diào)控其居里溫度。近年來,根據(jù)無鉛化發(fā)展要求,主要通過在BaTiO3中添加無鉛鐵電材料BNT或BKT提高居里溫度。在實(shí)際應(yīng)用中,經(jīng)常使用開關(guān)溫度TS表征電阻突然發(fā)生變化的溫度,其值約等于PTCR材料的居里溫度。在日本電子材料制造商協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(EMAS8202)中,將電阻率-溫度曲線中的ρ=2ρmin溫度定義為開關(guān)溫度[32]。另外,除了以上幾個(gè)表征PTCR效應(yīng)的重要指標(biāo)外,在實(shí)際應(yīng)用中還需要評(píng)價(jià)PTCR材料的電壓-電流特性和熱特性等。

    3 PTCR陶瓷的研究進(jìn)展

    隨著電子材料及元器件無鉛化的要求日益迫切,高居里溫度BaTiO3基PTCR陶瓷的無鉛化已經(jīng)成為必然發(fā)展趨勢[13]。Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)是一種具有較高居里溫度(TC =320℃)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)無鉛鐵電材料,可以與BaTiO3 形成固溶體[33]。TAKEDA等[14]發(fā)現(xiàn)在BaTiO3中添加摩爾分?jǐn)?shù)為5%的BNT可將居里溫度由120℃提高到約170℃,自此掀起了高居里溫度BaTiO3基熱敏陶瓷無鉛化的研究熱潮。LENG等[15]在BaTiO3陶瓷中添加1%Bi0.5K0.5TiO3(BKT)后將居里溫度提高到了155℃。此后,科研人員圍繞BaTiO3-BNT、BaTiO3-BKT等材料體系的化學(xué)組成、施受主元素?fù)诫s、燒結(jié)工藝優(yōu)化、居里溫度升高的物理機(jī)制等方面開展了大量研究工作[34-39]。

    3.1 BaTiO3-BNT體系

    在BaTiO3中添加BNT時(shí),BNT含量對(duì)居里溫度和PTCR性能具有很大影響。TAKEDA等[14]采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法在1350℃空氣氣氛中合成了BaTiO3基固溶體Ba0.95(Bi1/2Na1/2)0.05TiO3,并根據(jù)介電和鐵電性能的溫度依存性實(shí)驗(yàn),確定了該體系的居里溫度為170℃。通過在該體系中摻雜0.04%(摩爾分?jǐn)?shù))的La,該體系的室溫電阻率、升阻比和電阻溫度系數(shù)分別為160Ω·cm、4.4×103和15%/℃。其后,該課題組研究了更大范圍BNT摻雜量對(duì)BaTiO3材料居里溫度和PTCR效應(yīng)的影響[40-41]。結(jié)果表明:當(dāng)BNT摩爾分?jǐn)?shù)為10%時(shí),TC 急劇增加到200℃;當(dāng)BNT摩爾分?jǐn)?shù)為20%時(shí),TC 逐漸升高至220℃;當(dāng)BNT摩爾分?jǐn)?shù)從20%增加到40%時(shí),TC 增幅平緩,最高可以增加到230℃。盡管TC 隨著BNT含量的增加而增加,但室溫電阻率也隨之增大,且升阻比降低,因而PTCR效應(yīng)顯著惡化[41]。HUO等[34]采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法合成了BNT摻雜Ba0.92Sr0.08TiO3 陶瓷,研究了不同BNT含量對(duì)Ba0.92Sr0.08TiO3陶瓷TC 和PTCR效應(yīng)的影響,結(jié)果如圖2[34]所示。隨著BNT含量的增加,晶粒尺寸逐漸減小(見圖2a~c),居里溫度逐漸升高(見圖2d)。當(dāng)BNT摩爾分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí),TC 從97℃升高至150℃且PTCR效應(yīng)最佳,其室溫電阻率和電阻溫度系數(shù)分別為316.23Ω·cm和21.9%/℃。當(dāng)BNT摩爾分?jǐn)?shù)超過1.5%時(shí),陶瓷表現(xiàn)出介電行為,即無PTCR效應(yīng)。GUI等[42]研究了BNT含量對(duì)TC 和PTCR效應(yīng)的影響后發(fā)現(xiàn),在空氣中燒結(jié)的99.5BaTiO3-0.05BNT陶瓷的TC 約為149.7℃,但當(dāng)BNT摩爾分?jǐn)?shù)大于2%時(shí),在空氣中燒結(jié)的試樣未表現(xiàn)出PTCR效應(yīng)。在空氣中燒結(jié)的0.92BaTiO3-0.08BNT陶瓷,即使摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為2%的施主元素Yb3+,其仍為介電陶瓷[43-44]。因此,BNT也常被用于摻雜改性BaTiO3陶瓷的介電、鐵電等電學(xué)性能[45]。以上結(jié)果表明,隨著BNT含量的增加,雖然TC 升高,但BT-BNT陶瓷的室溫電阻率也會(huì)迅速增加,以至于樣品難以半導(dǎo)體化。另外,在BaTiO3中添加0.5%以下的BNT時(shí),TC 無明顯變化[35-36]。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的有關(guān)BNT摻雜量對(duì)居里溫度、室溫電阻率、升阻比和電阻溫度系數(shù)影響的具有代表性數(shù)據(jù)如表1所示。通常在空氣中燒結(jié)條件下,應(yīng)該將BNT添加量控制在0.5% ~2.0%范圍內(nèi)。

    為了擴(kuò)大BNT添加范圍以提高居里溫度,同時(shí)降低室溫電阻率,在保護(hù)氣氛中燒結(jié)BaTiO3-BNT是一個(gè)有效方法。例如,TAKEDA等[40]在一定氧氣濃度N2氣氛中于1340℃燒結(jié)了BaTiO3-BNT陶瓷并發(fā)現(xiàn),在BNT摩爾分?jǐn)?shù)增加至50%時(shí)仍然表現(xiàn)出PTCR效應(yīng)。在未摻雜任何施主和受主元素的情況下,隨著BNT摩爾分?jǐn)?shù)增加至50%,TC 從180℃增加到210℃。但室溫電阻率也從20Ω·cm 增加到1×104 Ω·cm。冷森林等[37]通過在N2 氣氛中于1340℃燒結(jié)、然后在800~1100℃空氣中再氧化處理制備了0.96BT-0.04BNT陶瓷并發(fā)現(xiàn),在不含任何施主摻雜元素的情況下,其TC、室溫電阻率分別為160℃、200Ω·cm。通過摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為0.2%的Y,在N2氣氛中于1250℃燒結(jié)的0.90BaTiO3-0.10BNT陶瓷,TC 為180℃,室溫電阻率約為500Ω·cm,升阻比約為3.16×104。當(dāng)BNT摩爾分?jǐn)?shù)由10% 增加到60%時(shí),在N2 氣氛中燒結(jié)的摻雜0.3% Nb的0.90BaTiO3--0.10BNT陶瓷的TC 從180℃升高到235℃,升阻比大幅度下降。雖然還原-再氧化工藝可以使BNT添加量提高,但該工藝較為復(fù)雜,難于在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

    為了降低BaTiO3-BNT陶瓷的室溫電阻率,需要通過施主摻雜三價(jià)陽離子[14,40-41]或五價(jià)陽離子[40,45-46]。在BaTiO3 半導(dǎo)體陶瓷中,經(jīng)常加入La3+作為施主摻雜元素,但在空氣中燒結(jié)的BaTiO3-BNT陶瓷中摻雜La3+有時(shí)效果并不好。由于Bi2O3 可在高溫?zé)Y(jié)過程中揮發(fā),而La3+和Bi3+離子半徑相近,導(dǎo)致La3+未能摻入BaTiO3晶格。與之相比,Nb5+摻雜的陶瓷在室溫下具有約1×103Ω·cm的低電阻率,并且表現(xiàn)出良好PTCR效應(yīng)[40]。在BaTiO3-BNT陶瓷中摻雜施主元素,存在一個(gè)臨界施主摻雜濃度。這主要起因于施主摻雜的補(bǔ)償機(jī)制。低濃度時(shí)對(duì)應(yīng)電子補(bǔ)償機(jī)制;而高濃度時(shí)對(duì)應(yīng)陽離子空位補(bǔ)償機(jī)制。當(dāng)BaTiO3-BNT陶瓷中Nb2O5的臨界施主摻雜摩爾分?jǐn)?shù)約為0.5%時(shí),TC 約為183℃、室溫電阻率約為1.06×103Ω·cm、升阻比約為1.0×104[45]。

    通過多層片式化可以有效降低PTCR陶瓷的室溫電阻。YAN等[35-36]研究了BNT含量對(duì)BaTiO3基多層片式熱敏電阻陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響后發(fā)現(xiàn),適量添加BNT可以促進(jìn)晶粒生長,且Bi3+可以提高氧在晶界的吸附效率,進(jìn)而提高升阻比。在1125℃燒結(jié)溫度下,添加0.3%BNT的多層片式PTCR陶瓷的升阻比為3.55×103、室溫電阻率降低至18.4Ω·cm。由于BNT添加量較少,居里溫度約為120℃,與BaTiO3相比無明顯變化。

    與傳統(tǒng)BaTiO3 基PTCR陶瓷類似,摻雜Mn2+離子可以有效提高BaTiO3-BNT陶瓷的升阻比。例如,未摻雜Mn的0.98BaTiO3-0.02BNT陶瓷的升阻比僅為8.6,而摻雜0.04%Mn后升阻比則可以達(dá)到2.1×103[32]。在0.97BaTiO3-0.03BNT陶瓷中摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為0.15%的Mn,可使升阻比提高4.4個(gè)數(shù)量級(jí)[38]。由于Mn2+會(huì)降低室溫電阻率,因而將Mn2+摩爾分?jǐn)?shù)控制在0.02% ~0.15%范圍內(nèi)比較合適。

    在制備BaTiO3-BNT陶瓷過程中,Bi2O3 添加量和添加方法對(duì)BaTiO3基陶瓷的PTCR性能具有很大影響。在BaTiO3-BNT陶瓷的預(yù)燒和燒結(jié)過程中,Bi2O3 揮發(fā)將導(dǎo)致化學(xué)成分偏離正?;瘜W(xué)計(jì)量比,因而需要加入過量Bi2O3 以補(bǔ)償其在加熱過程中的損失。LIU等[39]通過兩種不同摻雜方法研究了過量Bi2O3對(duì)BaTiO3-BNT陶瓷性能的影響。結(jié)果表明,加入摩爾分?jǐn)?shù)0.5%的過量Bi2O3并在780℃預(yù)燒成BNT后再摻入BaTiO3中的方法可以得到較高TC,獲得較好PTCR效應(yīng);將1%(摩爾分?jǐn)?shù))過量Bi2O3直接添加到BaTiO3粉體中,并在燒結(jié)過程中控制保溫時(shí)間也可以得到較高TC 和較好PTCR效應(yīng)。雖然這兩種方法得到的TC 均為144℃,但后者的室溫電阻率相對(duì)較低,約為22.0Ω·cm。另外,Ba/Ti摩爾比對(duì)BT-BNT陶瓷PTCR效應(yīng)也有影響。過量Ti將產(chǎn)生A位的空位并抑制晶粒長大,導(dǎo)致升阻比和室溫電阻增加;相反,過量Ba將減少A位的空位并促進(jìn)晶粒長大,因而在降低室溫電阻率的同時(shí)降低升阻比。因此,為了得到可實(shí)際應(yīng)用的BaTiO3-BNT陶瓷,需要綜合考慮以上因素的協(xié)同作用。

    BaTiO3-BNT陶瓷的燒結(jié)溫度大多在1300℃以上。即使是同一化學(xué)配方,如果燒結(jié)溫度不同,其性能也會(huì)有很大差別。由于Bi2O3熔點(diǎn)較低,為了防止Bi2O3在燒結(jié)過程中大量揮發(fā),陶瓷的燒結(jié)溫度應(yīng)該隨著Bi2O3加入量的增加而降低[40]。如果燒結(jié)溫度過高,會(huì)產(chǎn)生大量液相,使得晶粒長大過快。此外,Bi2O3的大量揮發(fā)會(huì)在晶界上產(chǎn)生氣孔,導(dǎo)致陶瓷致密度降低。如果燒結(jié)溫度太低,則無法完全燒結(jié),施主摻雜元素未能充分?jǐn)U散進(jìn)入BaTiO3晶胞,因而不能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化[39-40]??梢?,燒結(jié)溫度對(duì)陶瓷的PTCR效應(yīng)具有很大影響。

    燒結(jié)時(shí)間對(duì)陶瓷的PTCR效應(yīng)也有很大影響。在1400℃空氣中燒結(jié)0.99BaTiO3-0.01BNT陶瓷時(shí),室溫電阻率隨著燒結(jié)時(shí)間的增加而增大,而升阻比則隨著燒結(jié)時(shí)間的增加先增大后減?。郏矗罚荨_@與Bi3+在1400℃燒結(jié)過程中的揮發(fā)有關(guān)。隨著退火時(shí)間的增加,Bi3+揮發(fā)降低了其作為施主摻雜的作用,因而室溫電阻率增大。另一方面,當(dāng)燒結(jié)時(shí)間太短時(shí),缺乏足夠的時(shí)間形成A位陽離子空位以形成晶界勢壘,從而降低了升阻比。然而,如果燒結(jié)時(shí)間太長,A位陽離子空位將不斷擴(kuò)散至晶粒內(nèi)部,升阻比也會(huì)受到影響??梢?,對(duì)應(yīng)于燒結(jié)溫度,燒結(jié)時(shí)間存在一個(gè)最佳值。另外,降溫速率和升溫速率對(duì)BaTiO3-BNT陶瓷的性能也有一定影響,但相關(guān)研究報(bào)道較少。

    3.2 BaTiO3-BKT體系

    Bi0.5K0.5TiO3(BKT)與BNT相似,也是一種具有較高居里溫度(TC =380℃)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)無鉛鐵電材料,其與BaTiO3可以形成固溶體。BKT摻雜量對(duì)居里溫度、室溫電阻率、升阻比和電阻溫度系數(shù)的影響如表2[47]所示。在BaTiO3陶瓷中添加少量BKT可將BaTiO3基熱敏陶瓷的居里溫度提升幾十度[15,48-50]。例如,LENG等[15]采用傳統(tǒng)固態(tài)反應(yīng)法通過在1330℃加熱并即時(shí)快速冷卻所制備的0.99BaTiO3-0.01BKT-0.2Y-0.5TiO2陶瓷具有良好PTCR效應(yīng),其TC、室溫電阻率、升阻比、電阻溫度系數(shù)分別為155℃、28.0Ω·cm、1.0×104、17.0%/℃。當(dāng)BKT摩爾分?jǐn)?shù)小于2%時(shí),BaTiO3-BKT陶瓷具有較低室溫電阻率和較高升阻比;但當(dāng)BKT摩爾分?jǐn)?shù)大于2%時(shí),BaTiO3-BKT陶瓷在空氣中燒結(jié)不能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化。TAKEDA等[48]在低氧氣濃度N2氣氛中制備了室溫電阻率小于100Ω·cm的BTBKT陶瓷。在BaTiO3 中分別加入摩爾分?jǐn)?shù)為5%和1%的BKT后,居里溫度分別為155℃和165℃。YUAN等[49]研究表明,隨著KBT摩爾分?jǐn)?shù)從5%增加到15%,BaTiO3-BKT的TC 由178.2℃升高至208.4℃。WEI等[50]在純N2流動(dòng)氣氛中燒結(jié)BaTiO3-BKT陶瓷,隨后在800~1100℃溫度范圍內(nèi)在空氣中進(jìn)行再氧化處理。未經(jīng)過氧化處理的BT-BKT陶瓷具有相對(duì)較低的室溫電阻率,但PTCR效應(yīng)不明顯。通過再氧化處理,陶瓷升阻比大幅度提高。添加摩爾分?jǐn)?shù)為20%的BKT可將TC 提高至180℃。同樣在N2氣氛下對(duì)BaTiO3-BKT陶瓷進(jìn)行退火處理后,室溫電阻率可以降低到10Ω·cm,但升阻比也降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)[15]。因此,如何在降低BaTiO3-BKT陶瓷室溫電阻率的同時(shí)提高材料的升阻比仍然面臨挑戰(zhàn)。另外,在空氣中燒結(jié)時(shí),仍然需要將BKT在BaTiO3中的添加量控制在2%(摩爾分?jǐn)?shù))以下。在BaTiO3-BNT或BaTiO3-BKT二元體系中,當(dāng)BNT或BKT摩爾分?jǐn)?shù)不超過2%時(shí),通過在1300℃以上的空氣中燒結(jié)可以獲得較低室溫電阻率(1×103Ω·cm數(shù)量級(jí));但當(dāng)BNT或BKT摩爾分?jǐn)?shù)超過2%時(shí),陶瓷樣品在空氣中燒結(jié)后的室溫電阻達(dá)到1×106Ω·cm以上,且無明顯PTCR效應(yīng)[15,34]。與摻雜2%以下BNT或BKT時(shí),Bi3+取代Ba2+形成施主摻雜,從而降低了室溫電阻率。同時(shí)由于在1300℃以上燒結(jié)時(shí),氧濃度遠(yuǎn)低于常溫下空氣中的氧濃度,即相當(dāng)于在一種弱還原氣氛中燒結(jié),因而有利于氧空位的形成。氧空位作為電荷載流子可以進(jìn)一步降低室溫電阻率。另外,在高溫?zé)Y(jié)時(shí),BNT或BKT中的Na+或K+離子能夠促進(jìn)液相的生成,且隨著液相移動(dòng)至晶界,在晶界或晶粒表面形成富鈉或富鉀區(qū)域,該區(qū)域在陶瓷試樣冷卻后形成了有效晶界勢壘,因而陶瓷表現(xiàn)出良好PTCR效應(yīng)。當(dāng)BNT或BKT摩爾分?jǐn)?shù)超過2%時(shí),過多富集在晶界上的Na+或K+將阻礙晶界移動(dòng),抑制晶粒生長,導(dǎo)致晶界勢壘迅速上升,因而室溫電阻率顯著增加[15]。另外,摻雜2%以上BNT或BKT的BT-BNT或BT-BKT體系中,通常采用還原氣氛燒結(jié)并再氧化處理的方法實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化。在還原氣氛下燒結(jié)時(shí),BaTiO3 陶瓷中將出現(xiàn)大量氧空位,可以獲得較低的室溫電阻率。在再氧化處理過程中晶界上的氧空位被消除而形成晶界勢壘,因而表現(xiàn)出PTCR效應(yīng)。但采用還原-再氧化方法,工藝較為復(fù)雜,性能穩(wěn)定性較差,難于進(jìn)行批量化生產(chǎn)。PITHAN等[51]研究了過量BaO對(duì)La摻雜BaTiO3 共燒陶瓷的影響,結(jié)果表明,PTCR效應(yīng)受到BaO濃度的強(qiáng)烈影響。在還原性氣氛中燒結(jié)后,晶界為n型,由鈦金屬空位和氧空位組成。再氧化處理后,由于氧空位被來自氣相的氧離子填充,只剩下受主態(tài)鈦空位,晶界變?yōu)椋鹦筒a(chǎn)生PTCR效應(yīng)。因此,采用還原-再氧化方法制備BT-BNT或BT-BKT陶瓷時(shí),也需要考慮過量BaO的影響。

    退火溫度和退火時(shí)間對(duì)BaTiO3-BNT和BaTiO3-BKT陶瓷的PTCR效應(yīng)也有很大影響。隨著退火溫度的升高或退火時(shí)間的延長,室溫電阻率和升阻比均呈現(xiàn)不同程度提高。在空氣中的退火處理相當(dāng)于再氧化過程,使得氧被不斷化學(xué)吸附到晶界上,增加了受主表面態(tài)的密度和晶界勢壘,提高了升阻比,同時(shí)增加室溫電阻率。因此,選擇恰當(dāng)?shù)耐嘶饻囟群屯嘶饡r(shí)間對(duì)于制備性能優(yōu)良的PTCR陶瓷至關(guān)重要。

    3.3 BaTiO3-BNT-BKT體系特征

    在BaTiO3-BNT和BaTiO3-BKT二元固溶體系基礎(chǔ)上,研究BaTiO3-BNT-BKT三元固溶體系可以進(jìn)一步提高PTCR性能。趙瑞鈺等[52]研究了BaTiO3-BNT-BKT三元固溶體系的化學(xué)組成與PTCR效應(yīng)的關(guān)系。在BaTiO3-BNT-BKT三元固溶體系中,當(dāng)BNT和BKT摩爾分?jǐn)?shù)同為0.01%時(shí),在空氣氣氛下可在較寬燒結(jié)溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)陶瓷的半導(dǎo)化。當(dāng)燒結(jié)溫度為1200℃時(shí),試樣具有最佳PTCR效應(yīng),其室溫電阻率為128Ω·cm,居里溫度為142℃。在BaTiO3-BNT或BaTiO3-BKT二元體系中,燒結(jié)溫度一般需要高于1300℃或在還原氣氛中燒結(jié)再經(jīng)過氧化處理才能表現(xiàn)出較好的綜合性能。與之相比,BaTiO3-BNT-BKT三元體系的最佳燒結(jié)溫度在1200℃附近,燒結(jié)溫度大幅度降低。由于K+與Na+價(jià)態(tài)相同,而離子半徑相差較大,因而K+與Na+共摻雜導(dǎo)致BaTiO3 晶格畸變,降低了BaTiO3-BNT-BKT陶瓷的燒結(jié)活化能。由于晶格畸變有可能導(dǎo)致居里溫度附近的鐵電-順電相出現(xiàn)彌散相變行為,不利于提高電阻溫度系數(shù)。因此,還需要對(duì)BaTiO3-BNT-BKT三元固溶體系的其他性能指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

    3.4 BNT(BKT)提高居里溫度的物理機(jī)制

    目前,對(duì)摻雜BNT和BKT提高BaTiO3 居里溫度的物理機(jī)制理解還不夠深入。一般認(rèn)為Bi3+進(jìn)入BaTiO3 晶格削弱了Ba—O鍵強(qiáng)度,而增加了Ti—O鍵強(qiáng)度,導(dǎo)致四方鐵電相向立方順電相轉(zhuǎn)變溫度升高。BaTiO3 晶格為典型鈣鈦礦(ABO3)結(jié)構(gòu),Ti4+占據(jù)晶胞體心位置,O2-則位于晶胞面心位置,而Ba2+位于晶胞各個(gè)頂點(diǎn)位置。其中,Ti4+與6個(gè)O2-配位,Ba2+與12個(gè)O2-配位,而O2-則有4個(gè)Ba2+、2個(gè)Ti4+與之配位。Ti4+位于氧八面體中心,而八面體之間則以頂角相連,構(gòu)成了Ti—O離子鏈。當(dāng)溫度升高至TC 時(shí),BaTiO3從四方鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎巾橂娤唷#拢危?、BKT與BaTiO3之間可以形成固溶體,因而BaTiO3-BNT和BaTiO3-BKT仍為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。Bi3+(Shannon,0.117nm,CN=8)和Na+(Shannon,0.118nm,CN=8)的離子半徑均小于被取代的A位Ba2+(Shannon,0.142nm,CN=8)的離子半徑,導(dǎo)致鈣鈦礦結(jié)構(gòu)晶胞體積收縮,晶格常數(shù)減小。由于Bi2O3的熔點(diǎn)溫度(820℃)較低,因而可以推斷Bi—O鍵的強(qiáng)度較弱。在BaTiO3中摻雜BNT后,由于Bi3+取代A位Ba2+,Ba—O鍵強(qiáng)度削弱,而Ti—O鍵強(qiáng)度增強(qiáng),因而偏離氧八面體中心位置的Ti4+需要更大能量,即需要在更高溫度才能回復(fù)到原位,因此,居里溫度升高。這類似于在傳統(tǒng)含鉛BaTiO3陶瓷中,Pb2+(Shannon,0.129nm,CN=8)取代Ba2+而提高居里溫度的物理機(jī)制[53]。然而,K+半徑(Shannon,0.151nm,CN=8)比Ba2+半徑大,在BaTiO3 中摻雜BKT后,晶胞體積未必收縮,晶格常數(shù)也未必減小,因而對(duì)于BaTiO3-BKT陶瓷的高居里溫度而言,采用上述理論解釋尚有困難。PbTiO3 之所以具有較高的居里溫度(490℃)是因?yàn)槠渌姆蕉仍陬愃频拟佀猁}中最高,室溫下約為1.06。PbTiO3晶格的四方度源于Pb的6s2孤對(duì)電子與O的2p電子之間的強(qiáng)共價(jià)鍵所產(chǎn)生的非中心對(duì)稱的晶格畸變。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[54-55]表明,摻雜改性BaTiO3陶瓷的TC 變化趨勢與四方鐵電相的四方度變化趨勢成正相關(guān)。類似于Pb2+,Bi3+也具有6s2 孤對(duì)電子。PRAMCHU等[56]認(rèn)為Bi—O鍵與Pb—O鍵都具有一部分共價(jià)鍵特征是BaTiO3-BNT或BaTiO3-BKT固溶體的居里溫度升高的主要原因。對(duì)于Bi3+摻雜改性BaTiO3 而言,為了滿足電中性原理,其應(yīng)該與一價(jià)堿金屬元素共摻雜。第一性原理密度泛函理論(DFT)計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)于Bi與堿金屬共摻雜改性BaTiO3而言,Bi與K共摻雜是增強(qiáng)四方度和飽和極化的最佳組合,進(jìn)而可以提高BaTiO3的TC[56]。

    大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果[34,57]表明,添加BNT或BKT后BaTiO3 陶瓷的晶粒尺寸明顯減小,尤其是在BNT或BKT含量較多的區(qū)域,這是因?yàn)榈蛢r(jià)陽離子(K+或Na+)偏析在晶界上,在晶粒表面形成富K層或Na層而抑制氧空位的形成,不利于高溫傳質(zhì),從而在燒結(jié)過程中間接抑制晶粒生長。晶界勢壘是決定BaTiO3基陶瓷PTCR性能的關(guān)鍵因素。有晶粒/殼層/晶粒的微結(jié)構(gòu)及相應(yīng)等效電路模型示意圖如圖3[58]所示,在阻抗分析中晶粒、晶界或殼層可被視為并聯(lián)或串聯(lián)的單個(gè)RC元件。利用阻抗分析,基于晶粒和晶界的典型電阻率和電容值的差異可以計(jì)算晶粒、晶界和殼層電阻與電容。結(jié)果表明,在BaTiO3 晶粒表面或晶界形成了一層薄區(qū)構(gòu)成了晶粒/殼層/晶粒的特殊結(jié)構(gòu),其中晶界電阻(Rgb)和殼層電阻(Rs)對(duì)材料的室溫電阻率和升阻比具有重要作用。燒結(jié)工藝制度、燒結(jié)氣氛、化學(xué)組分、摻雜元素的添加順序等對(duì)晶粒尺寸和分布均有很大影響[38]。晶粒尺寸越小,晶界密度越大,室溫電阻率越大,進(jìn)而降低PTCR性能。此外,減小晶粒尺寸有利于提高PTCR陶瓷的耐擊穿電壓[58],需要綜合考慮晶粒尺寸對(duì)PTCR性能以及耐擊穿電壓的正反兩方面影響。

    3.5 PTCR陶瓷的合成方法

    目前,工業(yè)生產(chǎn)中多采用傳統(tǒng)固相合成法制備PTCR陶瓷粉體,其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟,工藝簡單、成本低。但固相合成法所用原料往往分散不夠充分,所制陶瓷粉體化學(xué)成分均勻性不足,且難獲得單一晶相,從而影響燒結(jié)后PTCR陶瓷的電學(xué)性能。濕化學(xué)方法是近年來發(fā)展起來的新方法,雖然在技術(shù)上還不夠成熟,但用這種方法合成的陶瓷粉體,純度高、顆粒細(xì)、燒結(jié)性能好,因而可以提高電子陶瓷的電學(xué)性能[59-62]。

    采用傳統(tǒng)固相合成法制備BaTiO3-BNT或BaTiO3-BKT陶瓷粉體時(shí),一般燒結(jié)溫度都在1300℃以上。由于Bi和Na具有揮發(fā)性,即使根據(jù)化學(xué)計(jì)量比配料燒制陶瓷,所制陶瓷的實(shí)際化學(xué)成分也可能呈現(xiàn)非化學(xué)計(jì)量比特征[63-67],因此,降低燒結(jié)溫度對(duì)獲得符合化學(xué)計(jì)量比的BaTiO3-BNT或BaTiO3-BKT陶瓷具有重要意義。LI等[9]采用溶膠-凝膠法制備了BaTiO3-BNT陶瓷粉體,在1250℃空氣中燒結(jié)BaTiO3-BNT陶瓷,研究了BNT含量對(duì)陶瓷升阻比、室溫電阻率、TC 和微結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)BNT摩爾分?jǐn)?shù)不高于4%時(shí),燒制的陶瓷表現(xiàn)出PTCR效應(yīng)。BNT摩爾分?jǐn)?shù)為2%的BaTiO3-BNT陶瓷的室溫電阻率和TC 分別為533Ω·cm和130℃。隨著BNT含量的增加,由于殘留Na2O在晶界富集,抑制了晶粒生長,導(dǎo)致晶粒尺寸明顯減小,因而室溫電阻率增加。另外,預(yù)合成的BNT在高燒結(jié)溫度(1300℃以上)下很容易分解為Bi2O3和Na2O。Bi2O3比Na2O更易揮發(fā),因?yàn)椋拢椋玻希车娜埸c(diǎn)溫度(817℃)遠(yuǎn)低于Na2O(1132℃)[35]。因此,殘留更多受主Na+將導(dǎo)致晶粒電阻率增加。當(dāng)BNT摩爾分?jǐn)?shù)高于2%時(shí),很難在空氣中將BaTiO3-BNT燒結(jié)成半導(dǎo)體。XIANG等[32]通過濕法化學(xué)方法制備陶瓷粉體,在1360~1400℃燒結(jié)了BaTiO3-BNT陶瓷。在僅摻雜0.04%(摩爾分?jǐn)?shù))Mn的條件下,當(dāng)BNT摩爾分?jǐn)?shù)為2%時(shí),BaTiO3-BNT陶瓷的升阻比、室溫電阻率和TC 分別為2.1×103、85Ω·cm和154℃。當(dāng)BNT摩爾分?jǐn)?shù)為4%時(shí),升阻比、室溫電阻率和TC 分別為2.2×103、300Ω·cm和167℃。與采用傳統(tǒng)固相合成法制備PTCR陶瓷粉體的結(jié)果類似,TC 和室溫電阻率隨著BNT含量的增加而增加。在空氣中燒結(jié)條件下,可將BNT摩爾分?jǐn)?shù)提高至4%,進(jìn)而有效提高TC。LENG等[38]利用濕法化學(xué)方法在空氣中1320℃燒結(jié)制備了0.2%La和0.15%Mn摻雜的0.97BaTiO3-0.03BNT陶瓷,其TC 約為140℃,室溫電阻率小于1×103Ω·cm。以上結(jié)果表明,采用濕化學(xué)法精細(xì)合成化學(xué)成分均勻的粉體,可以降低陶瓷燒結(jié)溫度,減少氧化物的揮發(fā),提高施主、受主元素的摻雜效果,有利于精確控制陶瓷的化學(xué)成分和微結(jié)構(gòu),進(jìn)而提高PTCR效應(yīng)。

    4 總結(jié)與展望

    隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展與進(jìn)步,PTCR熱敏器件的應(yīng)用領(lǐng)域和市場需求日益擴(kuò)大,目前正向?qū)挏囟确秶?、低阻化、多層片式化、高可靠性方向發(fā)展,而對(duì)PTCR材料的要求也愈來愈高,例如,居里溫度高、室溫電阻率低、升阻比和電阻溫度系數(shù)大、耐高壓和大電流、穩(wěn)定性好、精度高、壽命長、可靠性高等。因此,BaTiO3 基PTCR陶瓷今后的主要研究方向是降低室溫電阻率,提高居里溫度、升阻比、電阻溫度系數(shù)和耐壓性等,從而更好地滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

    目前,在BaTiO3中摻雜少量BNT或BKT可以獲得高居里溫度無鉛PTCR陶瓷。但仍然存在很多尚未解決的問題。與含鉛PTCR陶瓷相比,無鉛PTCR陶瓷的居里溫度仍然偏低,而室溫電阻率偏高。如果只考慮單一性能指標(biāo),室溫電阻率可以降低到10Ω·cm,居里溫度可以提高至220℃,升阻比也可以提高到5~6個(gè)數(shù)量級(jí),但同一種無鉛PTCR陶瓷很難同時(shí)兼?zhèn)湟陨闲阅?。另外,綜合性能較好的無鉛PTCR陶瓷體系大多都需要在還原氣氛下燒結(jié)后再氧化處理,制備工藝復(fù)雜,性能穩(wěn)定性較差,不適合批量化材料生產(chǎn)。因此,如何在空氣氣氛中制備出PTCR綜合性能良好的無鉛BaTiO3 基陶瓷,仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。另外,推進(jìn)無鉛BaTiO3基PTCR陶瓷工業(yè)批量化生產(chǎn),產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性是關(guān)鍵因素,因此,還需要進(jìn)一步系統(tǒng)研究材料體系的化學(xué)組成、燒結(jié)工藝制度和微結(jié)構(gòu)等對(duì)無鉛BaTiO3基PTCR陶瓷質(zhì)量和可靠性的影響。

    面對(duì)無鉛PTCR陶瓷存在的問題和挑戰(zhàn),今后可以從以下幾個(gè)方面開展研究工作:

    1)采用濕化學(xué)法(共沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法等)代替?zhèn)鹘y(tǒng)固相反應(yīng)法制備陶瓷粉體,提高原料混合均勻性,減小陶瓷粉體粒度,降低燒結(jié)溫度,避免氧化物的揮發(fā),精確控制陶瓷的化學(xué)成分和微結(jié)構(gòu)。

    2)深入研究化學(xué)成分、制備工藝制度等對(duì)無鉛PTCR陶瓷的微結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律和作用機(jī)制,綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)的受控因素,實(shí)現(xiàn)PTCR性能的可控調(diào)節(jié)。

    3)對(duì)于技術(shù)比較成熟的高居里溫度無鉛BaTiO3基PTCR熱敏陶瓷體系,開展抗老化、耐擊穿等性能方面研究,推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和規(guī)?;a(chǎn)。

    4)探索高居里溫度無鉛BaTiO3基熱敏陶瓷的新的材料體系。例如,在BaTiO3 中摻雜高居里溫度的NaNbO3(TC =643℃)、BiFeO3(TC =850℃)等鐵電鈣鈦礦氧化物以進(jìn)一步提高居里溫度,并通過適量施主、受主共摻雜,改進(jìn)、優(yōu)化制備工藝,研發(fā)新的高居里溫度無鉛BaTiO3 基熱敏陶瓷材料。

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    (責(zé)任編輯:尹淑英 英文審校:尹淑英)

    特邀專家 王占杰,沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師。主要從事鐵電、介電、導(dǎo)電、磁性等功能材料的制備、評(píng)價(jià)及其應(yīng)用的研究工作。1993—1997年在日本東京大學(xué)留學(xué),獲博士學(xué)位。其后,在東京大學(xué)、日本東北大學(xué)、日本國家先進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所從事博士后研究工作。2000—2008年作為講師、副教授在日本東北大學(xué)材料系從事教學(xué)、科研工作。2008年入選中國科學(xué)院引進(jìn)海外杰出人才“百人計(jì)劃”,回國到金屬研究所工作。承擔(dān)多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和省市科技項(xiàng)目。2017年至今在沈陽工業(yè)大學(xué)從事功能材料的教學(xué)和科研工作。在Adv.Funct.Mater.,ACSNano,NanoLett.,Small,ActaMater.,ACSAppl.Mater.Interfaces,Adv.Mater.Interfaces,Appl.Phys.Lett.等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文200余篇,獲日本發(fā)明專利授權(quán)2項(xiàng)、中國發(fā)明專利授權(quán)9項(xiàng)。

    基金項(xiàng)目:遼寧省“揭榜掛帥”科技重點(diǎn)專項(xiàng)(2022JH1/10800090)。

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