High Insulation Resistivity and Ultralow Dielectric Loss in La-Doped SrTiO3 Colossal Permittivity Ceramics through Defect Chemistry Optimization

材料科学 介电损耗 陶瓷 电介质 介电常数 电阻率和电导率 介电谱 兴奋剂 复合材料 矿物学 分析化学(期刊) 光电子学 化学 电极 电气工程 电化学 物理化学 工程类 色谱法
作者
Xu Guo,Yongping Pu,Wen Wang,Lei Zhang,Jiamin Ji,Ruike Shi,Yu Shi,Mengdie Yang,Jingwei Li
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:7 (15): 13041-13052 被引量:100
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.9b02143
摘要

High performance LaxSr1–xTiO3 (0.000 ≤ x ≤ 0.018) ceramics were prepared by a traditional solid-state method and sintered in nitrogen atmosphere. The phase structure and micromorphology of the ceramic samples were studied by the analysis of XRD and SEM, respectively. A small amount of La ion doping promoted the growth of ceramic grains, and no second phase was found. Meanwhile, the La0.010Sr0.990TiO3 ceramic sample showed a colossal permittivity of 26 897 and a dielectric loss of 0.005 at 1 kHz, and a colossal permittivity of 26 072 and a dielectric loss of 0.031 at 1 MHz, with high insulation resistivity (3.10 × 109 Ω·cm, DC 100 V) and good stability of frequency (20 Hz to 2 × 106 Hz) and temperature (25–300 °C). Then the mechanism of obtaining excellent dielectric properties was investigated via treatment with different atmospheres and XPS and impedance analysis. As a result, colossal permittivity and ultralow dielectric loss were attributed to the TiTi′–VO··–TiTi′ defect dipoles and VO··–3TiTi′–LaSr· defect dipole clusters. In addition, the main reason for the high DC resistivity of the ceramic samples was the insulation grain boundaries with high resistance. Consequently, colossal permittivity, low dielectric loss, high insulation resistivity, and good stabilities of frequency and temperature of the ceramic samples were obtained at the same time.
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