DE102010031004A1

DE102010031004A1 - Keramikmaterial und elektronische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102010031004A1
Application number: DE102010031004A
Authority: DE
Inventors: Rajesh kumar Kariya-city Malhan; Naohiro Kariya-city Sugiyama; Yuji Noguchi; Masaru Miyayama
Original assignee: Denso Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Denso Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2009-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2030-07-07
Also published as: US20110002083A1; DE102010031004B4; SE1050733A1; CN101941832A; SE535255C2; US8194392B2; CN101941832B; JP5330126B2; JP2011011963A

Abstract

Ein Keramikmaterial hat eine Perowskitstruktur und wird durch die Formel (1 – x)ABO₃ – xYZO₃ dargestellt. In der Formel ist „x” eine reelle Zahl die größer als 0 und kleiner als 1 ist, sowohl „A”, „B”, „Y” als auch „Z” sind eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe von Metallionen M außer einem Pb-Ion und Alkalimetallionen, wobei „A” bivalent ist, „B” tetravalent ist, „Y” trivalent oder eine Kombination von trivalenten Metallionen ist und „Z” bivalente und/oder trivalente Metallionen oder bivalente und/oder pentavalente Metallionen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Keramikmaterial mit einer Perowskitstruktur. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenso auf eine elektronische Vorrichtung und insbesondere auf einen Kondensator, der für Hochtemperaturanwendungen vorgesehen ist.
Herkömmlicherweise wird ein SiC-integrierter Schaltkreis, der bei hohen Temperaturen von ungefähr 25°C bis 400°C betrieben werden kann, unter schwierigen Bedingungen wie beispielsweise in einem Fahrzeug verwendet. Der SiC-integrierte Schaltkreis beinhaltet einen Kondensator und der Kondensator beinhaltet eine dielektrische Schicht, die aus einem Material mit hoher Permittivität hergestellt ist.
Das Material mit hoher Permittivität wird allgemein unter dem Begriff eines hochpermittiven Gateisoliermaterials dargestellt durch ein SiO₂-basiertes Material und ein HfO₂-basiertes Material (nachfolgend als Material 1 bezeichnet) und ein Perowskit-Typ-Oxid dargestellt durch BaTiO₃ (nachfolgend als Material 2 bezeichnet) zusammengefasst. Hinsichtlich des Materials 2 kann eine Temperaturstabilität der Permittivität durch Ersetzen eines Teils von Ba mit Sr verbessert werden, wie dies in A. D. Hilton und B. W. Ricketts, Phys. D: Appl. Phys., 29 (1996) 1321–1325 beschrieben ist.
Das Material 1 bringt das Problem mit sich, dass die Permittivität so klein wie 10 bis 20 ist. Das Material 2 bringt das Problem mit sich, dass sich die Permittivität stark in Abhängigkeit der Temperatur ändert, d. h. die Temperaturstabilität der Permittivität ist klein.
In Hinblick auf vorhergehend erwähnte Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein keramisches Material mit einer hohen Permittivität und einer hohen Temperaturstabilität der Permittivität zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kondensator unter Verwendung des keramischen Materials zur Verfügung zu stellen.
Ein keramisches Material gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung hat eine Perowskitstruktur und wird durch die Formel (1 – x)ABO₃ – xYZO₃ dargestellt. In der Formel ist ”x” eine Zahl, die größer als 0 und kleiner als 1 ist, sowohl ”A”, ”B”, ”Y” als auch ”Z” entsprechen einer oder mehreren Arten, die von einer Mehrzahl von Metallionen M außer einem Pb-Ion und Alkalimetallionen ausgewählt werden, wobei ”A” bivalent” ist, ”B” tetravalent ist, ”Y” trivalent oder eine Kombination trivalenter Metallionen ist und ”Z” ein bivalentes und/oder trivalentes Metallion oder ein bivalentes und/oder ein pentavalentes Metallion ist. ”Z” kann eine Kombination aus mindestens zwei Metallionen, von denen eines immer ein bivalentes Metallion ist, sein. Das keramische Material kann eine hohe Permittivität und eine hohe Temperaturstabilität der Permittivität aufweisen.
Ein Kondensator gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine dielektrische Schicht, die aus keramischem Material gemäß dem ersten Aspekt hergestellt ist. Da das keramische Material eine hohe Permittivität und eine hohe Temperaturstabilität der Permittivität aufweist, kann auch der Kondensator eine hohe Permittivität und eine hohe Temperaturstabilität der Permittivität aufweisen.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen zusammen mit den zugehörigen Figuren ersichtlich.
Es zeigen:
1 eine Tabelle von Herstellungsbedingungen für keramische Materialien gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einem Vergleichsbeispiel;
2 eine Tabelle von Evaluationsergebnissen der keramischen Materialien gemäß der ersten Ausführungsform und des Vergleichsbeispiels;
3 einen Graphen einer Beziehung zwischen einem Wert von ”x” und Permittivitäten gemessen bei 200°C, 300°C und 400°C mit einer Messfrequenz von 1 MHz;
4 einen Graphen einer Beziehung zwischen einer Temperatur und Permittivitäten eines Musters mit x = 0,6, gemessen mit verschiedenen Messfrequenzen;
5 einen Graphen einer Beziehung zwischen einer Temperatur und Permittivitäten eines Musters mit x = 0, gemessen mit verschiedenen Messfrequenzen;
6A einen Graphen mit Röntgenbeugungsdaten eines Musters mit x = 0;
6B einen Graphen mit Röntgenbeugungsdaten eines Musters mit x = 0,05;
6C einen Graphen mit Röntgenbeugungsdaten eines Musters mit x = 0,1;
6D einen Graphen mit Röntgenbeugungsdaten eines Musters mit x = 0,2;
6E einen Graphen mit Röntgenbeugungsdaten eines Musters mit x = 0,4;
6F einen Graphen mit Röntgenbeugungsdaten eines Musters mit x = 0,6; und
6G einen Graphen mit Röntgenbeugungsdaten eines Musters mit x = 0,7.
7 einen Graphen einer Beziehung zwischen einer Temperatur und Permittivitäten mit 5% Bimetallionen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel von (1 – X)BaTiO₃ – XBi(Ni_2/3Nb_1/3)O₃ + Bi5%;
8 eine Tabelle von Herstellungsbedingungen für keramische Materialien gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels von (1 – X)BaTiO₃ – XBi(Mg_1/2Zn₁₂)O₃;
9 eine Tabelle von Evaluationsergebnissen der keramischen Materialien gemäß des ersten Ausführungsbeispiels von (1 – X)BaTiO₃ – XBi(Mg_1/2Zn_1/2)O3;
10A einen Graphen einer Beziehung zwischen einer Temperatur und Permittivitäten eines Musters mit x = 0,2, gemessen mit verschiedenen Messfrequenzen;
10B einen Graphen einer Beziehung zwischen einer Temperatur und Permittivitäten eines Musters mit x = 0,4 gemessen mit verschiedenen Messfrequenzen;
10C einen Graphen einer Beziehung zwischen einer Temperatur und Permittivitäten eines Musters mit x = 0,4 (hohe Dichte), gemessen mit verschiedenen Messfrequenzen; und
10D einen Graphen einer Beziehung zwischen einer Temperatur und Permittivitäten eines Musters mit x = 0,5, gemessen mit verschiedenen Messfrequenzen;
11A einen Graphen mit Röntgenbeugungsdaten eines Musters mit x = 0,2;
11B einen Graphen mit Röntgenbeugungsdaten eines Musters mit x = 0,4;
11C einen Graphen mit Röntgenbeugungsdaten eines Musters mit x = 0,4 (hohe Dichte);
11D einen Graphen mit Röntgenbeugungsdaten eines Musters mit x = 0,5; und
11E einen Graphen mit Röntgenbeugungsdaten eines Musters mit x = 0,6.
(Erste Ausführungsform)
Ein Keramikmaterial gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch Formel (1) dargestellt: (1 – x)BaTiO₃ – xBi(Mg_2/3Nb_1/3)O₃ (1) wobei ”x” ein Mol-Verhältnis von Bi(Mg_2/3Nb_1/3)O₃ gegenüber der gesamten Menge von keramischem Material darstellt. Somit ist ”x” eine reelle Zahl, die größer als 0 ist und kleiner als 1 ist. Keramische Materialien werden wie folgt erläutert für jeweilige Fälle, in denen ”x” gleich 0, 0,05, 0,1, 0,2, 0,4, 0,5, 0,6, und 0,7 ist, hergestellt. Das keramische Material mit x = 0 dient als ein Vergleichsbeispiel.
Als Erstes werden BaCO₃ _, Bi₂O₃, TiO₂, MgO und Nb₂O₅, bei denen es sich um Materialien handelt, gewogen und in ein Kunststoffgefäß mit Kugeln gegeben, wohinzu Ethanol gefügt wird. Dann werden die Materialien durch Kugelmühlen vermischt. Die Menge eines jeden Materials wird derart bestimmt, dass ein Verhältnis von Ba, Bi, Ti, Mg und Nb einem stöchiometrischen Verhältnis gemäß der Formel (1) entspricht.
Nach dem Verdampfen von Ethanol werden die Materialien in einen Aluminiumtiegel gegeben und in einem Muffelofen vorerhitzt. Eine Vorerhitzungstemperatur beträgt zwischen 900°C bis 1000°C und eine Vorerhitzungszeit beträgt 4 Stunden. Die Vorerhitzung wird in Luft durchgeführt. Durch das Vorerhitzen werden die Materialien zu Pulver. Ethanol wird dem Pulver hinzugegeben und das Pulver wird mit einer Kugelmühle gemahlen.
Nach dem Verdampfen von Ethanol wird aus dem Pulver durch bekannte einachsige Druckbeaufschlagung ein Pressling geformt. Eine Druckbeaufschlagungsbedingung beträgt 0,5 tf/cm² und 5 Minuten. Der Pressling wird in eine Tüte gegeben und mit einer isotropen Druckbeaufschlagung in einem kalten isostatischen Druckapparat (cold isostatic pressing apparatus, CIP apparatus) behandelt. Eine Druckbeaufschlagungsbedingung beträgt 150 MPa und 30 Minuten.
Der Pressling wird in Luft bei einer Temperatur von 1000°C bis 1350°C für 4 Stunden erhitzt. Dann wird der Pressling in Luft bei einer Temperatur von 1100°C für 7 Stunden ausgeheilt, wodurch das Keramikmaterial ausgebildet ist.
Eine Vorerhitzungsbedingung und eine Erhitzungsbedingung werden für jeden Wert von ”x” festgelegt. Die Vorerhitzungsbedingungen, die Erhitzungsbedingungen, Ausheilbedingungen und relativen Dichten der ausgebildeten Keramikmaterialien sind in 1 dargestellt.
Die Temperatur beim Vorerhitzen wird so niedrig wie möglich in einem Bereich, in dem das Keramikmaterial einphasig wird, festgelegt. Die Temperatur beim Erhitzen wird so hoch wie möglich in einem Bereich, in dem eine Dichte des keramischen Materials ausreichend hoch wird, festgelegt.
Die Keramikmaterialien, die durch das vorhergehend beschriebene Verfahren ausgebildet werden, werden wie nachfolgend beschrieben evaluiert. Als Erstes wird eine dünne Platte mit einer Dicke von 0,3 mm aus dem Pressling eines jeden der keramischen Materialien geschnitten und die dünne Platte wird auf einer Polierplatte unter Verwendung von Polierpuder poliert. Auf zwei Seiten der polierten dünnen Platte werden Goldelektrodenschichten durch Zerstäubung (Sputtering) ausgebildet. Jede der Elektrodenschichten ist mit einem Ende einer Pt-Leitung unter Verwendung einer Ag-Paste gekoppelt, wodurch ein Muster ausgebildet ist.
Das Muster wird in einen Infrarotlichtofen gegeben. Das andere Ende einer jeden der Pt-Leitungen (ein Ende auf einer dem Ende, das mit jeder der Elektrodenschichten gekoppelt ist, gegenüberliegt) ist mit einer Messvorrichtung gekoppelt, wie beispielsweise einem Impedanzanalysator und eine Kapazität ”C” wird gemessen. Dann wird eine Permittivität ”ε” mit folgender Formel (2) berechnet. In der Formel (2) ist ”S” eine Elektrodenfläche, das heißt eine Fläche der dünnen Platte und ”d” ist ein Elektrodenabstand, das heißt eine Dicke der dünnen Platte. Beispielsweise ist ”d” ein Wert in einem Bereich von 0,2 mm bis 0,3 mm und ”S” ist ein Wert weniger oder gleich 0,3 cm². C = ε·S/d (2)
Permittivitäten werden bei einer Mehrzahl von Temperaturen in einem Bereich von 25°C bis 400°C mit Messfrequenzen von 1 kHz, 3 kHz, 10 kHz, 30 kHz, 100 kHz, 300 kHz und 1 MHz gemessen.
In 2 werden Permittivitäten gemessen bei 25°C, 200°C, 300°C und 400°C mit der Messfrequenz von 1 MHz, eine Curie-Temperatur, ein Verhältnis der Änderung der Permittivität und Leckstromdichten für jedes der Muster mit den Werten von ”x” gleich 0, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 0,5, 0,6 und 0,7 dargestellt. Das Verhältnis der Änderung in der Permittivität ist ein Verhältnis der Permittivität gemessen bei 400°C zur Permittivität gemessen bei 200°C.
Eine Beziehung zwischen den Werten von ”x” und den Permittivitäten gemessen bei 200°C, 300°C und 400°C mit der Messfrequenz von 1 MHz ist in 3 dargestellt.
Wie in 2 und 3 dargestellt, sind bei jedem der Muster bei dem der Wert von ”x” größer als 0 ist, das Verhältnis der Änderung der Permittivität und die Leckstromdichten klein im Vergleich zum Verhältnis der Änderung der Permittivität und der Leckstromdichten des Musters, bei dem der Wert von ”x” gleich 0 ist. Besonders wenn der Wert von ”x” größer oder gleich 0,1 ist, ist das Verhältnis der Änderung in der. Permittivität auf effektive Weise reduziert, während eine hohe Permittivität behalten wird.
4 zeigt eine Beziehung zwischen Temperatur und Permittivitäten des Musters mit x = 0,6, gemessen mit den Messfrequenzen 1 kHz, 3 kHz, 10 kHz, 30 kHz, 100 kHz, 300 kHz und 1 MHz. 5 zeigt eine Beziehung zwischen Temperatur und den Permittivitäten des Musters mit x = 0, gemessen mit den Messfrequenzen 1 kHz, 3 kHz, 10 kHz, 30 kHz, 100 kHz, 300 kHz und 1 MHz. Wie es aus 4 und 5 ersichtlich, ist bei dem Muster mit x = 0,6 sogar wenn sich die Messfrequenz ändert, die Temperaturabhängigkeit der Permittivität, verglichen mit dem Muster, bei dem x = 0 ist, schwer zu verändern.
Röntgenbeugungsstrahlendaten von Mustern mit x = 0, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 0,6 und 0,7 werden entsprechend dieser Reihenfolge in 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F und 6G dargestellt. Wie in 6A bis 6G ersichtlich, ist jedes der Muster einphasig und weist eine Perowskitstruktur auf, obwohl Peaks aufgrund Verunreinigungen in den Röntgenstrahlenbeugungsdaten des Musters mit X = 0,7 geringfügig erhalten bleiben.
Wie vorhergehend beschrieben, weist das Keramikmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung eine hohe Permittivität und eine hohe Temperaturstabilität der Permittivität auf. Des Weiteren ist die Temperaturabhängigkeit der Permittivität schwer veränderbar, sogar wenn sich die Messfrequenzen verändern. Des Weiteren, da das Keramikmaterial im Wesentlichen keine Pb-Ionen und keine Alkalimetallionen beinhaltet, ist es sogar, wenn auf einen Halbleiterprozess angewandt, unwahrscheinlich, dass ein Problem auftaucht. ”Im Wesentlichen kein Pb-Ion und keine Alkalimetallionen beinhalten” bedeutet, dass das Keramikmaterial ein Pb-Ion und Alkalimetallionen beinhalten kann, solange die Menge der Pb-Ionen und der Alkalimetallionen zu klein ist, um die vorhergehend beschriebenen Effekte zu unterdrücken.
Da das Keramikmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung die vorhergehend genannten Effekte aufweist, kann das Keramikmaterial als eine dielektrische Schicht eines Kondensators verwendet werden. Der Kondensator kann eine Mehrzahl von dielektrischen Schichten, die aus dem Keramikmaterial hergestellt sind, und eine Mehrzahl von internen Elektrodenschichten beinhalten, wobei die dielektrischen Schichten und die internen Elektrodenschichten abwechselnd geschichtet sein können. Die interne Elektrodenschicht kann eine leitende Ni-Legierung beinhalten. Das Keramikmaterial gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann auch für verschiedene elektronische Vorrichtungen neben dem genannten Kondensator verwendet werden.
Das Keramikmaterial gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann modifiziert werden, sodass es eine durch Formel (3) dargestellte Struktur aufweist: (1 – x)BaTiO₃ – xBi(Ni_2/3Nb_1/3)O₃ (3) wobei ”x” eine reelle Zahl ist, die größer als 0 und kleiner als 1 ist. In der Formel (3) wird Mg²⁺ aus der Formel (1) durch Ni²⁺ ausgetauscht. Das Keramikmaterial mit der, durch Formel (3) dargestellten Struktur kann Effekte, die im Wesentlichen gleich zum Keramikmaterial, das durch Formel (1) dargestellt wird, sind, aufweisen. Besonders wenn der Wert von ”x” größer oder gleich 0,5 ist, kann das Keramikmaterial eine hohe Permittivität und eine hohe Temperaturstabilität der Permittivität aufweisen.
Die keramischen Materialien werden für die jeweiligen Fälle, dass ”x” 0,05, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 und 0,5 ist hergestellt. Das Keramikmaterial hoher Dichte ist ohne einen Überschuss an Bimetallionen schwierig zu realisieren. Überschüssiges Bi wird benötigt, um die Keramikpellets hoher Dichte mit der in Formel (3) dargestellten Struktur anzufertigen. Demzufolge kann die vorliegende Ausführungsform so modifiziert werden, so dass sie eine durch Formel (4) dargestellte Struktur aufweist: (1 – x)BaTiO₃ – xBi(Ni_2/3Nb_1/3)O₃ + Bi(5%~15%) (4)
7 zeigt eine Beziehung zwischen einer Temperatur und Permittivitäten eines Musters mit x = 0,05, gemessen mit Frequenzen von 1 kHz, 3 kHz, 10 kHz, 30 kHz, 100 kHz, 300 kHz und 1 MHz mit einem Überschuss von Bi³⁺ von 5% bezüglich der gesamten Menge des keramischen Materials. Wie in 7 dargestellt, kann das Ersetzen des Mg-Metallions durch ein Nickelmetallion die Werte der dielektrischen Permittivität erhöhen, jedoch treten hierbei starke temperatur- und frequenzabhängige Charakteristika auf. Eine komplexere Zusammensetzung aus mehr als zwei Komponenten kann es erforderlich machen, die beobachteten starken temperatur- und frequenzabhängigen Charakteristika zu stabilisieren.
Das Keramikmaterial gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann modifiziert werden, sodass es eine durch Formel (5) dargestellte Struktur aufweist: (1 – x)BaTiO₃ – xBi(Mg_1/2Zr_1/2)O₃ (5), wobei ”x” eine reelle Zahl ist, die größer als 0 und kleiner als 1 ist. In der Formel (5) wird Nb³⁺ aus der Formel (1) durch Zr⁴⁺ ausgetauscht. Keramikmaterialien werden, wie nachfolgend erläutert, für die entsprechenden Fälle, dass ”x” 0,2, 0,4, 0,4 (hohe Dichte), 0,5 und 0,6 ist, gefertigt. Die Vorerhitzungsbedingungen, die Erhitzungsbedingungen und die relativen Dichten der ausgebildeten Keramischen Materialen sind, wie in 8 dargestellt, ausgebildet.
In 9 sind Permittivitäten, gemessen bei 25°C, 200°C, 300°C und 400°C mit der Messfrequenz von 1 MHz, eine Curie Temperatur, ein Verhältnis der Permittivitätsänderung und Leckstromdichten für jedes der Muster, bei denen der Wert von ”x” 0,2, 0,4, 0,4 (hohe Dichte) und 0,5 ist, dargestellt. Das Verhältnis der Permittivitätsänderung ist ein Verhältnis der Permittivität, gemessen bei 400°C zur Permittivität, gemessen bei 200°C.
10A bis 10D zeigen eine Beziehung zwischen Temperatur und Permittivitäten und den dielektrischen Verlusten der Muster mit x = 0,2, 0,4, 0,4 (hohe Dichte) und 0,5, gemessen mit den Messfrequenzen 1 kHz, 3 kHz, 10 kHz, 30 kHz, 100 kHz, 300 kHz und 1 MHz. Wie in 10A bis 10D dargestellt, ist bei jedem Muster, bei dem der Wert von ”x” größer als 0.2 ist, das Permittivitätsänderungsverhältnis klein im Vergleich zum Permittivitätsänderungsverhältnis und den Leckstromdichten bei dem Muster, bei dem ”x” 0,2 ist. Ist der Wert von ”x” größer oder gleich 0,5 ist das Permittivitätsänderungsverhältnis in wirksamer Weise gleich, während eine hohe Permittivität beibehalten wird, jedoch wird der Leckstrom verhältnismäßig größer.
In 11A, 11B, 11C, 11D und 11E sind Röntgenbeugungsdaten von Mustern mit x = 0,2, 0,4, 0,4 (hohe Dichte), 0,5 und 0,6 dargestellt. Wie aus 11A bis 11E ersichtlich ist, ist jedes der Muster einphasig und weist eine Perowskitstruktur auf, obwohl Peaks aufgrund Verunreinigungen in den Röntgenstrahlenbeugungsdaten des Musters mit X = 0,6 geringfügig erhalten bleiben.
Das Keramikmaterial gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann modifiziert werden, sodass es eine durch Formel (6) dargestellte Struktur aufweist: (1 – x)BaTiO₃ – xBi(Zn_1/2Zr_1/2)O₃ (6), wobei ”x” eine reelle Zahl ist, die größer als 0 und kleiner als 1 ist. In der Formel (6) wird Mg²⁺ und Nb³⁺ aus der Formel (1) durch Zn²⁺ und Zr⁴⁺ ausgetauscht. Das Keramikmaterial mit der durch Formel (6) dargestellten Struktur kann im Wesentlichen die gleichen Effekte aufweisen wie das durch die Formel (1, 3 und 5) dargestellte Keramikmaterial. Besonders, wenn der Wert von ”x” größer oder gleich 0,2 und kleiner oder gleich 0,5 (0,2 ≤ x ≤ 0,5) ist, kann das Keramikmaterial eine hohe Permittivität und eine hohe Temperaturstabilität aufweisen.
(Zweite Ausführungsform)
Ein Keramikmaterial gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch Formel (7) repräsentiert: (1 – x)Ba(M^II, M^IV,V)O₃ – xBi(M^II, M^IV,V)O₃ (7) wobei ”x” eine reelle Zahl, die größer als 0 und kleiner als 1 ist, M^II ein bivalentes Metallion ist, M^IV ein tetravalentes Metallion ist und M^V ein pentavalentes Metallion ist. (M^II, M^IV,V) bedeutet eine Kombination des bivalenten Metallions M^II und des tetravalenten Metallions M^IV oder eine Kombination des bivalenten Metallions M^II und des pentavalenten Metallions M^V. In der Formel (7) ist eine durchschnittliche Valenz von (M^II, M^IV,V), beschrieben direkt nach B, 4 und eine durchschnittliche Valenz, beschrieben direkt nach Bi, 3. Jedes der Metallionen M^II, M^IV und M^V ist weder ein Pb-Ion noch ein Alkalimetallion.
Das bivalente Metallion M^II ist eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus Mg² ⁺, Ni²⁺ und Zn² ⁺. Das tetravalente Metallion M^IV ist eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus Ti⁴⁺ und Zr⁴ ⁺. Das pentavalente Metallion M^V ist eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus Nb⁵⁺ und Ta⁵⁺.
Das Keramikmaterial gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann auf eine im Wesentlichen gleiche Weise hergestellt werden wie das Keramikmaterial gemäß der ersten Ausführungsform. Jedoch werden verschiedene Materialien und ein Zusammensetzungsverhältnis basierend auf einem stöchiometrischen Verhältnis eines Herstellungskeramikmaterials angepasst.
Das Keramikmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Perowskitstruktur auf und zeigt Effekte, die im Wesentlichen gleich zu den Effekten des Keramikmaterials der ersten Ausführungsform sind.
(Dritte Ausführungsform)
Ein Keramikmaterial gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch Formel (8) dargestellt: (1 – x)BaTiO₃ – x(Bi, M^III)(M^II, M^V,IV)O₃ (8) wobei ”x” eine reelle Zahl ist, die größer als 0 und kleiner als 1 ist, M^II ein bivalentes Metallion ist, M^III ein trivalentes Metallion ist, M^IV ein tetravalentes Metallion ist und M^V ein pentavalentes Metallion ist. (Bi, M^III bedeutet eine Kombination von Ba³⁺ und dem trivalenten Metallion M^III außer Bi³⁺. Des Weiteren bedeutet (M^II, M^IV,V) eine Kombination des bivalenten Metallions M^II und des tetravalenten Metallions M^IV oder eine Kombination des bivalenten Metallions M^II und des pentavalenten Metallions M^V. In der Formel (8) ist eine Durchschnittsvalenz von (M^II, M^IV, M^V), die direkt nach (Bi, M^III) beschrieben ist, 3. Jedes der Metallionen M^II, M^III, M^IV und M^V ist weder ein Pb-Ion noch Alkalimetallionen.
Das bivalente Metallion M^II ist eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus Mg²⁺, Ni²⁺ und Zn²⁺. Das trivalente Metallion M^III ist eine Seltenerde und ist eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus La³⁺, Nd³⁺ und Sm³⁺. In (Bi, M^III) macht das trivalente Metallion M^III beispielsweise mehr oder gleich 10% im molaren Verhältnis aus. Wenn das trivalente Metallion M^III mehr oder gleich 10% im molaren Verhältnis ausmacht, kann die Temperaturveränderung in der Permittivität effektiv reduziert werden. Das tetravalente Metallion M^IV ist eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus Ti⁴⁺ und Zr⁴⁺. Das pentavalente Metallion M^V ist eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus Nb⁵⁺ und Ta⁵⁺.
Das Keramikmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung kann im Wesentlichen auf gleiche Weise hergestellt werden wie das Keramikmaterial gemäß der ersten Ausführungsform. Jedoch werden verschiedene Materialien und ein Zusammensetzungsverhältnis basierend auf einem stöchiometrischen Verhältnis eines Herstellungskeramikmaterials angepasst.
Das Keramikmaterial gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine Perowskitstruktur auf und erzeugt im Wesentlichen die gleichen Effekte wie das Keramikmaterial gemäß der ersten Ausführungsform.
(Vierte Ausführungsform)
Ein Keramikmaterial gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch Formel (9) dargestellt: (1 – x)Ba(M^II, M^IV,V)O₃ – x(Bi, M^III)(M^II, M^IV,V)O₃ (9) wobei ”x” eine reelle Zahl, die größer als 0 und kleiner als 1 ist, M^II ein bivalentes Metallion ist, M^III ein trivalentes Metallion ist, M^IV ein tetravalentes Metallion ist und M^V ein pentavalentes Metallion ist. (Bi, M^III) bedeutet eine Kombination von Ba³⁺ und dem trivalenten Metallion M^III außer Bi³⁺. Des Weiteren bedeutet (M^II, M^IV,V) eine Kombination des bivalenten Metallions M^II und des tetravalenten Metallions M^IV oder eine Kombination des bivalenten Metallions M^II und des pentavalenten Metallions M^V. In der Formel (9) ist eine Durchschnittsvalenz von (M^II, M^IV,V) die direkt nach Ba beschrieben ist, 4 und eine Durchschnittsvalenz von (M^II, M^IV,V) die direkt nach (Bi, M^III) beschrieben ist, 3. Jedes der Metallionen M^II, M^III, M^IV und M^V ist weder ein Pb-Ion noch Alkalimetallionen.
Das bivalente Metallion M^II ist eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus Mg²⁺, Ni²⁺ und Zn²⁺. Das trivalente Metallion M^III ist eine Seltenerde und ist eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus La³⁺, Nd³⁺ und Sm³⁺. In (Bi, M^III) macht das trivalente Metallion M^III beispielsweise mehr oder gleich 10% im molaren Verhältnis aus. Wenn das trivalente Metallion M^III mehr oder gleich 10% im molaren Verhältnis ausmacht, kann die Temperaturveränderung in der Permittivität effektiv reduziert werden. Das tetravalente Metallion M^IV ist eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus Ti⁴⁺ und Zr⁴⁺. Das pentavalente Metallion M^V ist eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus Nb⁵⁺ und Ta⁵⁺.
Das Keramikmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung kann im Wesentlichen auf gleiche Weise hergestellt werden wie das Keramikmaterial gemäß der ersten Ausführungsform. Jedoch werden verschiedene Materialien und ein Zusammensetzungsverhältnis basierend auf einem stöchiometrischen Verhältnis eines Herstellungskeramikmaterials angepasst.
Das Keramikmaterial gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine Perowskitstruktur auf und erzeugt im Wesentlichen die gleichen Effekte wie das Keramikmaterial der ersten Ausführungsform.
Das Keramikmaterial gemäß der ersten bis vierten Ausführungsform kann des Weiteren durch die Formel (10) dargestellt werden: (1 – x)ABO₃ – xYZO₃ (10) wobei ”x” eine reelle Zahl ist, die größer als 0 und kleiner als 1 ist, sowohl ”A”, ”B”, ”Y” als auch ”Z” einer oder mehreren Arten entsprechen, die von einer Mehrzahl von Metallionen M außer einem Pb-Ion und Alkalimetallionen ausgewählt werden, wobei ”A” bivalent” ist, ”B” tetravalent ist, ”Y” trivalent oder eine Kombination aus trivalenten Metallionen ist und ”Z” bivalente und/oder trivalente Metallionen oder bivalente und/oder pentavalente Metallionen ist. ”Z” kann eine Kombination aus mindestens zwei Metallionen sein, von denen eines immer jeweils ein bivalentes Metallion ist. Die Metallionen M beinhalten das bivalenten Metallion M^II, das trivalente Metallion M^III, das tetravalente Metallion M^IV und das pentavalente Metallion M^V. Die Metallionen M beinhalten Ba²⁺, Mg²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Bi³⁺, La³⁺, Nd³⁺, Sm³⁺, Ti⁴⁺, Zr⁴⁺, Nb⁵⁺ und Ta⁵⁺.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit den beispielhaften Ausführungsformen und den zugehörigen Zeichnungen vollständig beschrieben wurde, ist zu beachten, dass verschiedene Änderungen und Abwandlungen für den Fachmann naheliegend sind.
Zusammengefasst handelt es sich bei der Erfindung um ein Keramikmaterial mit einer Perowskitstruktur, das durch die Formel (1 – x)ABO₃ – xYZO₃ dargestellt wird. In der Formel ist „x” eine reelle Zahl die größer als 0 und kleiner als 1 ist, sowohl „A”, „B”, „Y” als auch „Z” sind eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe von Metallionen M außer einem Pb-Ion und Alkalimetallionen, wobei „A” bivalent ist, „B” tetravalent ist, „Y” trivalent oder eine Kombination von trivalenten Metallionen ist und „Z” bivalente und/oder trivalente Metallionen oder bivalente und/oder pentavalente Metallionen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- A. D. Hilton und B. W. Ricketts, Phys. D: Appl. Phys., 29 (1996) 1321–1325 [0003]

Claims

Keramikmaterial mit einer Perowskitstruktur dargestellt durch Formel (1): (1 – x)ABO₃ – xYZO₃ (1) wobei ”x” eine reelle Zahl ist, die größer als 0 und kleiner als 1 ist, sowohl ”A”, ”B”, ”Y” als auch ”Z” einer oder mehreren Arten entsprechen, die von einer Mehrzahl von Metallionen M außer einem Pb-Ion und Alkalimetallionen ausgewählt werden, wobei ”A” bivalent” ist, ”B” tetravalent ist, ”Y” trivalent oder eine Kombination von trivalenten Metallionen ist und ”Z” bivalent, trivalent oder pentavelent ist oder zusammen eine Kombination von mindestens zwei Metallionen darstellt.
Keramikmaterial gemäß Anspruch 1, wobei „ABO₃” in der Formel (1) eine Grundstruktur ausbildet.
Keramikmaterial gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei „A” in der Formel (1) Ba²⁺ oder eine Kombination aus Ba²⁺ und einem oder mehreren ausgewählt aus der Mehrzahl der Metallionen M ist.
Keramikmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei „B” in der Formel (1) Ti⁴⁺ oder eine Kombination aus Ti⁴⁺ und einen oder mehreren ausgewählt aus der Mehrzahl der Metallionen M ist.
Keramikmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Mehrzahl der Metallionen ein bivalentes Metallion M^II, ein tetravalentes Metallion M^IV und ein pentavalentes Metallion M^V beinhaltet, und „B” in der Formel (1) eine Kombination des bivalenten Metallions M^II und des tetravalenten Metallions M^IV oder eine Kombination des bivalenten Metallions M^II und des pentavalenten Metallions M^V ist.
Keramikmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Mehrzahl der Metallionen M ein trivalentes Metalion M^III beinhaltet, und „Y” in der Formel (1) Bi³⁺ oder eine Kombination aus Bi³⁺ und dem trivalenten Metallion M^III ist.
Keramikmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Mehrzahl der Metallionen M ein bivalentes Metallion M^II, ein tetravalentes Metallion M^IV oder eine Kombination des bivalenten Metallions M^II und des pentavalenten Metallions M^V beinhaltet, und „Z” in der Formel (1) eine Kombination des bivalenten Metallions M^II und des tetravalenten Metallions M^IV oder eine Kombination des bivalenten Metallions M^II und des pentavalenten Metallions M^V.
Keramikmaterial gemäß Anspruch 5, wobei das bivalente Metallion M^II eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus Mg²⁺, Ni²⁺ und Zn²⁺ ist.
Keramikmaterial gemäß Anspruch 5, wobei das tetravalente Metallion M^IV eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus Ti⁴⁺ und Zr⁴⁺ ist.
Keramikmaterial gemäß Anspruch 5, wobei das pentavalente Metallion M^V eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus Nb⁵⁺ und Ta⁵⁺ ist.
Keramikmaterial gemäß Anspruch 7, wobei das bivalente Metallion M^II eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus Mg²⁺, Ni²⁺ und Zn²⁺ ist.
Keramikmaterial gemäß Anspruch 7, wobei das tetravalente Metallion M^IV eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus Ti⁴⁺ und Zr⁴⁺ ist.
Keramikmaterial gemäß Anspruch 7, wobei das pentavalente Metallion M^V eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus Nb⁵⁺ und Ta⁵⁺ ist.
Keramikmaterial gemäß Anspruch 6, wobei das trivalente Metallion M^III eines oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe aus La³⁺, Nd³⁺ und Sm³⁺ ist.
Keramikmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei „A” in der Formel (1) Ba²⁺ ist, „B” in der Formel (1) Ti⁴⁺ ist, „Y” in der Formel (1) Bi³⁺ ist, „Z” in der Formel (1) eine Kombination aus Mg²⁺ und Nb⁵⁺ ist und „x” in der Formel (1) größer oder gleich 0,1 (x ≥ 0,1) ist.
Keramikmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei „A” in der Formel (1) Ba²⁺ ist, „B” in der Formel (1) Ti⁴⁺ ist, „Y” in der Formel (1) Bi³⁺ ist, „Z” in der Formel (1) eine Kombination aus Ni²⁺ und Nb⁵⁺ ist und „x” in der Formel (1) größer oder gleich 0,05 und kleiner oder gleich 0,5 (0,05 ≤ x ≤ 0,5) ist.
Keramikmaterial gemäß Anspruch 16, wobei „x” in der Formel (1) größer oder gleich 0,05 und Bi³⁺ ein Überschuss von 5% der gesamten Menge des Keramikmaterials ist.
Das Keramikmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei „A” in der Formel (1) Ba²⁺ ist, „B” in der Formel (1) Ti⁴⁺ ist, „Y” in der Formel (1) Bi³⁺ ist, „Z” in der Formel (1) eine Kombination aus Mg²⁺ und Zr⁴⁺ ist und „x” in der Formel (1) größer oder gleich 0,2 und kleiner oder gleich 0,5 (0,2 ≤ x ≤ 0,5) ist.
Keramikmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei „A” in der Formel (1) Ba²⁺ ist, „B” in der Formel (1) Ti⁴⁺ ist, „Y” in der Formel (1) Bi³⁺ ist, „Z” in der Formel (1) eine Kombination aus Zn²⁺ und Zr⁴⁺ ist, und „x” in der Formel (1) größer oder gleich 0,2 und kleiner oder gleich 0,5 (0,2 ≤ x ≤ 0,5) ist.
Keramikmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Mehrzahl der Metallionen aus Ba²⁺, Mg²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Bi³⁺, La³⁺, Nd³⁺, Sm³⁺ Ti⁴⁺, Zr⁴⁺, Nb⁵⁺ und Ta⁵⁺ besteht.
Kondensator, der eine dielektrische Schicht aufweist, die aus dem Keramikmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 hergestellt ist.
Der Kondensator gemäß Anspruch 21, der des Weiteren mehrere der dielektrischen Schichten und eine Mehrzahl von internen Elektrodenschichten aufweist, wobei die dielektrischen Schichten und die internen Elektroden abwechselnd gestapelt sind.
Der Kondensator gemäß Anspruch 22, wobei die Mehrzahl der internen Elektrodenschichten eine leitende Ni-, Ti oder Ni-Ti-Legierung beinhaltet.