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金红石SnO2陶瓷中负介电现象研究

申报人：陶世坚 申报日期：2025-01-11

基本情况

2025年批次
金红石SnO2陶瓷中负介电现象研究 学生申报
创新训练项目
理学
物理学类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
本项目研究金红石 SnO₂陶瓷负介电现象。依电子产品需求与相关理论，采用固相合成技术，精确配料烧结，调控晶体结构与成分，促晶粒生长均匀，提稳定性与纯度，优化负介电性能；运用溶胶 - 凝胶技术，混合前驱体与添加剂，严控反应条件，构建微观结构，调晶粒尺寸与孔隙率，增强介电特性，为开发高性能电容器等电子元器件，推动电子产品小型化提供技术支撑与创新路径
甘蔗生物质硬碳材料的开发及储钠研究（202410596479）
1.A,B位双掺杂及LaAlO3复合钙钛矿LnFeO3的载流子输运特性与介电损耗机理研究，国家自然科学基金(11404072)，主持，2015.1-2017.12
2.钙钛矿型钴氧化物的巨介电与介电损耗调控，广西自然科学基金 (2014GXNSFBA118014)，主持，2014.6-2017.5
3.钙钛矿型钴氧化物介电弛豫行为的研究，桂林理工大学博士启动基金，主持2013.05-2016.04. 
该项目立题具有一定的创新性，而且项目实施难度不高，学生具有对金红石结构和性质相关的基础知识，因此支持申报该项目。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
陶世坚 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2023 总揽项目、方案设计与具体实施
覃镇杰 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2023 材料制备
辛煜兰 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2024 撰写阶段总结与最终报告并系统梳理成果
余树香 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2024 对陶瓷样品进行全面检测，深入分析测试数据
彭尧增 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2023 查找文献、方案设计

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
王恒 物理与电子信息工程学院 否

立项依据

本项目以金红石 SnO₂陶瓷中的负介电现象为核心研究对象。在电子产品日益小型化与高度集成化的趋势下，对高介电常数且低损耗的电容器需求极为迫切。金属/陶瓷复合材料在高介电常数材料方面已受诸多关注，如莫亚等人所阐述的渗滤陶瓷复合材料介电增强机制，其界面极化对介电增强有着重要作用，且逾渗理论表明接近逾渗阈值时物理性能显著提升。本研究重点在于深入探究金红石 SnO₂陶瓷负介电现象的根源，详细分析介电共振、弛豫、等离子体振荡及介电常数负值转换的微观机制与相互关联。
通过精确调控材料的晶粒尺寸、晶界特性、掺杂元素种类及浓度等因素，结合先进的制备工艺，系统研究其对负介电性能的影响规律。进而依据这些研究成果，构建出具有优异负介电性能的金红石 SnO₂陶瓷材料体系，为开发满足电子产品需求的新型电容器等电子元器件提供坚实的理论依据与切实可行的技术方案，有力推动电子器件领域的技术革新与发展进步。 
金红石SnO ₂陶瓷的负介质电现象研究内容涉及介电共振、弛豫、等离子体振荡以及介电常数的负值转换。金红石SnO ₂陶瓷作为一种重要的功能材料，在电子器件小型化和储能等领域具有广泛的应用前景。下面将详细介绍金红石SnO ₂陶瓷的负介质电现象的研究内容：
1. 介电共振：
- 介电共振是指当外加电场的频率与材料的自然振动频率相匹配时，材料的介电常数会出现显著的变化。在金红石SnO ₂陶瓷中，这种共振现象可能与材料内部的电子或离子的极化行为有关。
2. 介电弛豫：
- 介电弛豫是指在外加电场作用下，材料的极化状态随时间逐渐变化的现象。在金红石SnO ₂陶瓷中，介电弛豫可能与材料内部的缺陷、界面效应或电子/离子迁移等因素有关。
3. 等离子体振荡：
- 等离子体振荡是指当材料中的自由电子或离子在外加电场的作用下发生集体振荡时，产生的电磁波现象。在金红石SnO ₂陶瓷中，等离子体振荡可能导致介电常数出现负值。
4. 介电常数的负值转换：
- 介电常数的负值转换是金红石SnO ₂陶瓷负介质电现象的核心。这种转换通常与材料的微观结构、成分以及制备工艺密切相关。研究表明，通过调节材料的组成和烧成温度，可以改变金红石SnO ₂陶瓷的介电性能，从而实现介电常数从正值到负值的转变。
5. 影响因素：
- 影响金红石SnO ₂陶瓷负介质电现象的因素包括材料的晶粒尺寸、晶界特性、掺杂元素的种类和浓度等。例如，不同价态元素的共掺杂可以显著影响材料的介电性能，如In和Nb共掺杂的SnO ₂陶瓷表现出巨介电常数和低损耗共存的现象。
6. 应用前景：
- 金红石SnO ₂陶瓷的负介质电现象为其在电子器件领域提供了新的应用前景。例如，负介电常数材料可用于制作新型电容器、电感器等电子元器件，有助于实现电子器件的小型化和高性能化。 
金红石SnO₂陶瓷中的负介电现象目前是材料科学和电子工程领域的研究热点之一。这一现象主要涉及在特定条件下，SnO₂陶瓷的介电常数由正转负，显示出独特的电学性质。
国内外研究现状
国际研究动态：
在国际上，研究人员通过引入金属相来改变SnO₂陶瓷的电学性质。例如，铜/金红石金属陶瓷和镍/金红石金属陶瓷的研究显示，当金属相含量超过逾渗阈值时，金属陶瓷会从绝缘体转变为导体，并伴随介电常数从正转负的变化。这种转变与金属粒子或簇的共振和弛豫响应有关，且负介电常数主要由渗透路径中电子的等离子体状态引起。
国内研究进展：
国内研究者也在探索SnO₂陶瓷的负介电现象。有研究表明，在缺陷介导的金红石SnO₂陶瓷中观察到了高达800的大介电常数，这几乎与频率和温度无关。实验和理论研究表明，这种高介电常数的起源可归因于局部明确定义的Zn²⁺–Nb⁴⁺缺陷簇，这些缺陷簇产生空穴固定缺陷偶极子。
此外，还有关于In和Nb共掺杂SnO₂陶瓷的研究，显示出巨介电常数和低损耗共存的现象，其中In掺杂比例为2%时样品表现出最优异的介电性能。
发展动态
新材料开发：
随着对负介电现象研究的深入，预计将开发出更多具有优异介电性能的新型SnO₂陶瓷材料。这些新材料可能在高频通信、电磁屏蔽和无线圈电感器等领域具有重要应用潜力。
理论模型完善：
为了更好地理解负介电现象的机理，研究人员将继续完善相关的理论模型。这将有助于预测和设计具有特定介电性能的材料。
应用领域拓展：
随着对负介电现象认识的加深，其应用领域也将不断拓展。除了传统的电子元件外，还可能应用于新能源、环境保护等新兴领域。
跨学科合作：
由于负介电现象涉及物理学、化学、材料科学等多个学科领域，因此跨学科合作将成为推动该领域发展的重要趋势。通过不同学科之间的交叉融合，有望取得更多创新性成果。
综上所述，金红石SnO₂陶瓷中的负介电现象是一个充满挑战和机遇的研究领域。随着国内外学者的共同努力和不断探索，相信这一领域将取得更多突破性进展。
参考文献：
[1] Fan G ,Wang Z ,Ren H , et al.Dielectric dispersion of copper/rutile cermets: Dielectric resonance, relaxation, and plasma oscillation[J].Scripta Materialia,2021,1901-6.
[2] Mengqi J ,Wanbiao H ,Lilit J , et al.Hole-Pinned Defect Clusters for a Large Dielectric Constant up to GHz in Zinc and Niobium Codoped Rutile SnO2.[J].ACS applied materials & interfaces,2021,13(45):
[3] 权越.掺杂SnO2基陶瓷材料的介电性质研究[D].哈尔滨工业大学,2019.DOI:10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.002889.
[4] 王赛,侯育冬,郑木鹏,等.FeTiNbO6金红石型陶瓷的结构和介电弛豫行为研究[J].无机材料学报,2014,29(01):57-61.
[5] 范国华.陶瓷基负介电材料的制备与电磁物性[D].山东大学,2021.DOI:10.27272/d.cnki.gshdu.2021.000245. 
（1）整合介电共振、弛豫、等离子体振荡及介电负值转化机制，全面剖析金红石 SnO₂ 陶瓷介电性能。
（2）紧扣微观结构与介电性能联系，在介电弛豫环节，用高分辨设备直击内部缺陷、界面极化及电子离子迁移细节，从微观结构变化洞察介电常数波动缘由。
（3）重视成果实用性，实现介电常数转负后，即刻拓展至电磁屏蔽、超材料天线应用。基于材料特性做仿真、制原型器件并测试，用应用反馈优化材料，打通基础研究到产业应用通道，加速成果落地。 

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拟解决的问题： 结合介电共振、介电弛豫、等离子体振荡、介电常数的负值转换等内容，研究金红石SnO2陶瓷在不同的晶粒尺寸、晶界特性、掺杂元素的种类和浓度等因素中的介电性能，探索金红石SnO2陶瓷存在负介电性时的情况。
预期成果：
①研究开发出更具有优异负介电性能的新型SnO2陶瓷材料；
②预期研究结果撰写专利申请书、论文、总结报告；

③将实现介电常数转负后的成果应用到电子器件领域
第一阶段（2024.12-2025.01）项目研究方案设计：
通过广泛收集各类资料、深入查找相关文献，力求对正在开展的研究项目形成全面且深入的认知。在老师的悉心指导下，精心完成具体实验方案的设计工作，熟练掌握研究方法，熟知实验与测试过程中所涉及的仪器设备、药品特性以及材料制备的具体方法。
第二阶段（2025.06-2025.11）样品制备与实验开展
精确准备原料，经球磨、干燥后在控温控气的高温炉中烧结成坯体，再加工成测试样品。用阻抗分析仪等测电学性能，以 XRD、SEM 等表征微观结构并关联分析，然后分类整理数据建库，处理异常值，用统计与可视化方法初探结构 - 性能关系。
第三阶段（2025.12-2026.04）分析总结：
对实验数据进行深入剖析与结果解析，精心整理项目成果，严谨撰写学术论文，并完成总结报告的创作，以呈现研究全貌与价值。 
查阅了众多关于金红石 SnO₂陶瓷及负介电现象的学术资料与论文文献，对金红石 SnO₂的晶体结构、物理性质以及负介电现象的产生机理和理论模型有了深入认识；学习并掌握了陶瓷材料制备的常规工艺，如固相烧结法、化学沉淀法等在金红石 SnO₂陶瓷制备中的应用要点
所在专业实验室配备有高温烧结炉、球磨机、精密天平等基础实验设备，可满足金红石 SnO₂陶瓷样品的制备与基本电学性能测试需求。同时具备 XRD、SEM 等材料表征仪器，能为研究陶瓷微观结构和相组成提供有力支持。然而，实验室缺少用于精确测量微弱负介电信号的专业仪器，如高灵敏度介电谱仪。计划通过与其他有相关仪器设备的科研机构合作共享，申请使用其高灵敏度介电谱仪进行关键数据的测量与采集，以弥补本实验室在这方面的不足，确保项目研究的全面性与准确性。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 5000.00 无 3000.00 2000.00
1. 业务费 3000.00 无 1500.00 1500.00
（1）计算、分析、测试费 2000.00 测试金红石的介电性能测试、电学性能测试 1500.00 500.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 1000.00 论文出版 0.00 1000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 2000.00 购买化学试剂与原料 1500.00 500.00
结束

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