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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:劉國耀
研究生(外文):G. Y. Liu
論文名稱:鈦酸鍶摻鑭之高介電材料產生的介電弛豫現象
論文名稱(外文):Dielectric Relaxation Observed in La Doped Strontium Titanate
指導教授:宋皇輝
指導教授(外文):H. H. Sung
學位類別:碩士
校院名稱:大葉大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:69
中文關鍵詞:介電弛豫Sr1−xLaxTiO3活化能Cole-Cole plot
外文關鍵詞:dielectric relaxationSr1−xLaxTiO3activation energyCole-Cole plot
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高介電材料鈦酸鍶(SrTiO3)被視為有希望取代傳統二氧化矽,作為奈米尺寸半導體元件中之絕緣層。在摻雜鑭(La)元素之後,更進一步提高其介電常數ε′。本研究將探討在溫度變化(300 K~77 K),不同外加電場頻率對於Sr1−xLaxTiO3樣品,其介電性質的影響,發現Sr1−xLaxTiO3介電損耗峰值對應之溫度,隨量測頻率增加而增高,符合Debye介電弛豫理論。對應之弛豫時間(relaxation time, τ)滿足Arrhenius關係。實驗結果顯示,由Arrhenius Law所得出之活化能(activation energy)介於0.23~0.3 eV,隨著摻雜的離子濃度上升而增加。我們以Cole-Cole equation與Sr0.98La0.02TiO3、Sr0.97La0.03TiO3之實驗數據適配,分佈常數α約在0.26~0.39之間,適配結果良好,顯示τ呈現一對稱分佈。
SrTiO3 (STO) is one of the promising high-k materials to replace SiO2 being the insulator layers in the semiconducting nanodevices. Further more, the dielectric constant is even higher after introducing lanthanum dopant. This research will discuss the temperature (300 K~77 K) dependence of complex dielectric permittivity for Sr1−xLaxTiO3 (x = 0.01~0.07) ceramics at a series of fixed frequencies (100~10 MHz). The temperature of dielectric loss peaks risen with increasing field frequency with obey the Debye Model, and relaxation times can be described by the Arrhenius Law. The activation energies deduced from the Arrhenius law vary from 0.23 to 0.3 eV. In general, the activation energy increases with increasing concentrations of the La ion. The Cole-Cole plot of Sr0.98La0.02TiO3 and Sr0.97La0.03TiO3 fit well into a circular arc which represents the materials having a symmetrical distribution of relaxation times. Fitting the experimental data to Cole-Cole equation show that the angle of the circular arc α is from 0.26 to 0.39.
目錄

封面內頁
簽名頁
授權書.........................iii
中文摘要........................iv
英文摘要........................v
誌謝..........................vi
目錄..........................vii
圖目錄.........................x
表目錄.........................xii

第一章 緒論
1.1前言....................1
1.2研究目的與內容...............6
1.3論文架構..................8
第二章 理論基礎
2.1 介電陶瓷(Dielectric ceramics).........9
2.2 介電原理..................9
2.3 介電常數.................12
2.4介電損耗與損耗正切(loss tangent, tanδ)....13
2.5 介電弛豫..................16
2.6 介電極化強度................16
2.7 Debye介電理論...............19
2.8 Cole-Cole方程式..............21
第三章 實驗步驟與方法
3.1固態燒結法.................24
3.2實驗粉末..................24
3.3實驗流程..................25
3.4實驗流程敘述................26
3.5實驗儀器..................28
3.5.1研磨拋光機..............28
3.5.2高溫電性實驗爐............29
3.5.3 X-ray繞射分析儀..........30
3.5.4掃描式電子顯微鏡(SEM)........32
3.5.5成分分析儀(EDS)...........33
3.5.6介電頻譜量測.............34
第四章 結果與討論
4.1樣品結構與成分分析.............36
4.1.1 XRD分析...............36
4.1.2 EDS分析...............39
4.2介電性質分析................40
4.2.1 介電性質對頻率關係..........41
4.2.2介電性質對溫度關係..........44
4.2.3 活化能、弛豫時間對溫度變化關係....56
4.2.4 Cole-Cole plot適配分析........65
第五章 結論......................67
參考文獻........................68

圖目錄

圖1.1 SrTiO3晶體結構示意圖..............3
圖 1.2單晶STO導電率σ對溫度關係...........5
圖1.3稀土元素Er2/3TiO3摻雜SrTiO3之介電弛豫現象...5
圖1.4 La2/3TiO3摻雜SrTiO3之介電弛豫現象.......6
圖2.1 極化機制....................11
圖 2.2 極化現象與時間關係...............12
圖 2.3 於室溫下損耗正切對不同損耗機制之關係......15
圖 2.4 介電質外加電場,極化與退極化現象對時間關係...19
圖 2.5 Debye diagram..................23
圖 2.6 Cole-Cole diagram................23
圖 3.1 實驗流程圖...................25
圖 3.2 第一次燒結時間示意圖..............27
圖 3.3 第二次燒結時間示意圖..............27
圖 3.4 樣品切塊,拋光,及雙面鍍金後量測........27
圖3.5拋光機實照圖..................28
圖 3.6 高溫電性實驗爐。(a)加熱器 (b)POWER (c)擺放樣品處.29
圖 3.7 圖(a)為本實驗所用之XRD系統圖(b)為內部裝置圖...30
圖 3.8 布拉格晶格繞射示意圖..............31
圖 3.9 (a)掃描式電子顯微鏡(SEM) (b)成分分析儀(EDS) ...32
圖 3.10 低溫量測系統示意圖...............35
圖 3.11 低溫量測系統主要儀器 (a)Cryo-con32(b)HP 4285A LCR meter(c)HP 4294A LCR meter(d)Cryostat.....35
圖 4.1 Sr1-xLaxTiO3不同摻雜比例之XRD繞射圖......37
圖 4.2 Sr1-xLaxTiO3之摻雜比例與晶格常數關係圖.....38
圖 4.3 Sr0.98La0.02TiO3之元素分析圖...........39
圖 4.4 STO介電常數及損耗正切與溫度關係(a)量測得到(b)文獻之數據.......................40
圖 4.5 溫度290 K,Sr1−xLaxTiO3的介電常數隨頻率改變關係..42
圖 4.6 溫度290 K,Sr1−xLaxTiO3的介電損耗隨頻率改變關係..42
圖 4.7 溫度290 K,Sr1−xLaxTiO3的損耗正切隨頻率改變關係..43
圖 4.8 Sr1−xLaxTiO3在外加頻率100 kHz下,介電常數對溫度關係........................ 45
圖 4.9 Sr1−xLaxTiO3在外加頻率100 kHz下,介電損耗對溫度關係........................45
圖 4.10 Sr1−xLaxTiO3在外加頻率100 kHz下,損耗正切對溫度關係.......................46
圖 4.11(a) Sr0.99La0.01TiO3在不同頻率下,介電常數對溫度關係.48
圖 4.11(b) Sr0.99La0.01TiO3在不同頻率下,介電損耗對溫度關係.48
圖 4.11(c) Sr0.99La0.01TiO3在不同頻率下,損耗正切對溫度關係.49
圖 4.12(a) Sr0.98La0.02TiO3在不同頻率下,介電常數對溫度關係.49
圖 4.12(b) Sr0.98La0.02TiO3在不同頻率下,介電損耗對溫度關係.50
圖 4.12(c) Sr0.98La0.02TiO3在不同頻率下,損耗正切對溫度關係.50
圖 4.13(a) Sr0.97La0.03TiO3在不同頻率下,介電常數對溫度關係.51
圖 4.13(b) Sr0.97La0.03TiO3在不同頻率下,介電損耗對溫度關係.51
圖 4.13(c) Sr0.97La0.03TiO3在不同頻率下,損耗正切對溫度關係.52
圖 4.14(a) Sr0.95La0.05TiO3在不同頻率下,介電常數對溫度關係.52
圖 4.14(b) Sr0.95La0.05TiO3在不同頻率下,介電損耗對溫度關係.53
圖 4.14(c) Sr0.95La0.05TiO3在不同頻率下,損耗正切對溫度關係.53
圖 4.15(a) Sr0.93La0.07TiO3在不同頻率下,介電常數對溫度關係.54
圖 4.15(b) Sr0.93La0.07TiO3在不同頻率下,介電損耗對溫度關係.54
圖 4.15(c) Sr0.93La0.07TiO3在不同頻率下,損耗正切對溫度關係.55
圖 4.16 Sr1-xLaxTiO3之弛豫時間對溫度關係.......58
圖 4.17 Sr1-xLaxTiO3摻雜量x對活化能關係........59
圖 4.18 (a)未退火(b)經過通氫退火之Sr0.98La0.02TiO3介電性質.......................61
圖 4.19 (a)未退火(b)經過通氫退火之Sr0.97La0.03TiO3介電性質.......................62
圖 4.20 (a)未退火(b)經過通氫退火之Sr0.95La0.05TiO3介電性質.......................63
圖 4.21 (a)未退火(b)經過通氫退火之Sr0.93La0.07TiO3介電性質.......................64
圖 4.22 Sr0.98La0.02TiO3之Cole-Cole plot.........66
圖 4.23 Sr0.97La0.03TiO3之Cole-Cole plot.........66
圖 4.24 Sr1-xLaxTiO3之分佈常數α對溫度變化關係....66

表目錄

表 2.1 MLCC所使用的金屬種類特性...........15
表 3.1實驗粉末....................24
表 4.1 Sr1-xLaxTiO3摻雜量對U與 關係比較........60
參考文獻

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