Microstructure Optimization via Grain‐Boundary Segregation to Enhance DC Bias Dielectric Performance of BaTiO 3 Multilayer Ceramic Capacitors

材料科学 陶瓷电容器 微观结构 晶界 电容器 电介质 陶瓷 复合材料 光电子学 工程物理 电气工程 电压 工程类
作者
Ji‐Sang An,Juneseo Ahn,Young-Hwan Lim,Hyung Bin Bae,Jungho Ryu,Sung‐Yoon Chung
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:38 (1): e07233-e07233 被引量:2
标识
DOI:10.1002/adma.202507233
摘要

Abstract BaTiO₃‐based multilayer ceramic capacitors (MLCCs) are essential components in modern electronics. To enhance overall capacitance, achieving thinner ceramic layers has become a primary issue. However, this introduces two major challenges: controlling grain size during processing and ensuring stability under high electric fields. In this study, a novel strategy employing single‐element additives such as Fe 3 ⁺ and Ni 2 ⁺ is presented to effectively suppress grain growth. These additives strongly segregate at grain boundaries, thereby limiting grain coarsening during sintering and enabling fine‐grained microstructures. The optimized BaTiO₃ samples, free of costly rare‐earth elements, exhibit stable high permittivity (≈10 3 ), low dielectric loss, and improved reliability across varying temperatures and frequencies. More importantly, we identify the ideal grain size of ≈200 nm for maximizing capacitance under a DC bias exceeding 4 V µm −1 . The findings suggest that further reducing the dielectric layer thickness to 200 nm represents a promising direction for future MLCCs.
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