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中国科学院深圳先进技术研究院张蕾等：成分梯度设计与纳米畴工程协同调控，实现钛酸钡基MLCC介电性能和可靠性同步提升

已有 231 次阅读 2026-6-3 10:59 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Cai Z, Luan S, He H, et al. Synergistic enhancement of dielectric properties and reliability of BaTiO₃-based MLCC via compositional gradient design and nano-domain engineering. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221319

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221319

ResearchGate： Synergistic enhancement of dielectric properties and reliability of BaTiO3-based MLCC via compositional gradient design and nano-domain engineering

一、导读

片式多层陶瓷电容器（MLCC）是现代电子系统中应用最广泛的无源元件之一，被誉为“电子工业大米”，广泛服务于5G通信、高端服务器、新能源汽车及人工智能等领域。随着5G通信、高端服务器及新能源汽车等电子设备向高频高速、高功率密度方向快速迭代，片式多层陶瓷电容器（MLCC）对介质材料的工作温区、耐压场强与长期服役可靠性方面提出了更为严苛的要求。

针对上述问题，中国科学院深圳先进技术研究院张蕾副研究员团队提出了一种“成分梯度设计—纳米畴工程”协同调控策略，并通过受控预烧工艺成功构建了梯度“核-壳”结构。该结构由四方相BT核区与掺杂元素富集的立方相壳层组成，可同时实现四方性增强、掺杂元素再分布及氧空位束缚。基于该结构设计，材料获得了优异的介电性能（ε_r > 2200，满足EIA X8R标准）、高击穿场强（> 6.7 kV/mm）以及优异的高温可靠性，并表现出更高的缺陷迁移激活能与更低的氧空位迁移能力。同时，梯度界面诱导形成的纳米极化畴进一步产生类弛豫铁电行为，在避免可靠性损失的同时提升了介电响应。该策略突破了传统BT基介质“高介电—高可靠”难以兼顾的限制，为下一代高性能MLCC介质材料提供了新的设计思路与应用路径。

二、研究背景：

BaTiO₃（BT）基介质作为当前主流MLCC介质材料，其高温强场条件下的稳定性与可靠性已成为制约器件性能升级和使用寿命的关键瓶颈。一方面，BT体系在居里温度附近存在明显的介电峰值变化，难以满足宽温域稳定应用需求；另一方面，氧空位的长程迁移会导致绝缘电阻下降、介电老化加剧以及击穿强度降低。尽管现有“核-壳”结构设计与多元素掺杂策略已取得一定进展，但“高介电—宽温区稳定性—高可靠性”之间仍难实现协同优化。因此，如何通过掺杂设计实现多性能共高，成为研究关键。。

三、文章亮点：

1. 梯度核-壳结构构筑：通过900 ℃预烧成功构建四方相核区—掺杂富集壳层梯度结构，实现界面与微结构协同优化。

2. 成分梯度提升可靠性：梯度壳层有效束缚氧空位并抑制其长程迁移，显著提高绝缘性能与击穿强度（> 6.7 kV/mm）。

3. 纳米畴工程增强介电性能：Y/Mg/Mn协同掺杂诱导纳米极化畴与弥散相变，实现高介电常数与X8R级温度稳定性的协同提升。

四、研究结果及结论

(1)预烧诱导梯度核-壳结构形成

研究团队通过引入900 ℃预烧工艺，诱导Y/Mg/Mn等掺杂元素在BT晶粒内部发生重新分布，最终形成具有“四方相核区—梯度壳层”的新型核-壳结构。相比传统均匀掺杂方式，该梯度结构能够有效缓解界面失配与局域应力集中，同时实现不同掺杂元素在壳层中的分区富集。其中，Y元素富集于内侧壳层区域，形成缺陷隔离区；Mg/Mn元素则逐渐偏聚于外壳层，通过形成稳定缺陷复合体束缚氧空位，从而显著抑制氧空位长程迁移。

图1 (a)900℃预烧策略流程图；(b)晶粒上不同区域的元素点阵分布；(c)晶粒内部元素EDS面扫。

图2给出了结构示意图以及拉曼、XRD和Rietveld精修结果。结果表明，900 ℃预烧后样品四方相比例明显提高，形成了以四方相BT为核心、立方相壳层为外部包覆的梯度结构。相比传统均匀掺杂体系，该梯度结构能够缓解界面应力并稳定四方相核心区域。

图2 (a)核壳结构示意图；(b)在532 nm激发下的拉曼光谱；(c)陶瓷的XRD图谱；(d-e)Un-Pre和Pre-900样品的Rietveld精修曲线；(f)立方-四方相的占比。

进一步的SEM与TEM分析（图3）显示，Pre-900样品晶粒尺寸更加均匀，并呈现明显核–壳特征。EDS线扫结果进一步证实，Y/Mg/Mn元素在壳层区域发生梯度富集，其中Y元素更倾向于分布于内侧壳层，而Mg/Mn元素逐渐偏聚于外壳层，说明预烧有效诱导了掺杂元素再分布。

图3 (a-b)带有粒度统计的扫描电子显微镜图像；(c-d)单个颗粒的透射电子显微镜形态图；(e-f)显示壳层内掺杂物分布情况的能谱线扫描图。

(2)原子尺度结构调控与纳米畴形成

为进一步揭示梯度结构对局域结构的影响，研究采用HAADF-STEM对晶界附近原子柱进行分析（图4）。结果表明，Pre-900样品中A位与B位原子柱强度分布更加均匀，说明局域结构无序度降低，界面稳定性得到增强。

图4 (a)晶界处原子柱的A位原子强度对比变化以及统计强度分布图；（b）晶界处B位原子强度对比变化以及统计强度分布图。

与此同时，图5中的位移模量分布与原子位移结果显示，梯度界面附近形成了大量纳米级极化区域。相比未预烧样品，Pre-900样品局域极化更加明显，并呈现出典型纳米畴特征。这种纳米极化区域破坏了传统长程铁电有序结构，诱导产生弥散型类弛豫极化行为，为介电性能提升提供了重要基础。

图5 (a-b)色彩映射的位移模量分布图突出了局部极化的增强现象；(c-d)900 ℃预烧样品和未预处理样品的原子位移图；(e-f)纳米极化区域的局部区域展示。

(3)纳米畴工程实现高介电与宽温稳定性协同优化

介电性能测试结果如图6所示。Pre-900样品表现出更高介电常数与更加稳定的温度响应，在−55~150 ℃范围内满足X8R标准要求。频率色散行为与弥散指数γ结果表明，预烧样品具有更明显的类弛豫特征，这与纳米畴形成密切相关。此外，在交流偏压与高场条件下，Pre-900样品仍保持较高介电响应与稳定极化行为，说明梯度结构不仅增强了介电响应，还有效抑制了高场下的能量损耗与极化退化。

图6 (a)陶瓷样品的温度依赖性介电常数和介电损耗；(b)温度对电容的影响；(c)室温下的介电常数对比；(d-e)不同频率下介电常数的变化；(f)根据居里-外斯模型计算出的铁电指数γ；(g)在交流偏压下的介电常数；(h)高场下的介电响应；(i）4 V/μm电压下的P-E曲线。

(7)氧空位束缚机制提升材料可靠性

可靠性提升的关键在于对氧空位迁移行为的调控。图7中的阻抗谱与Arrhenius拟合结果表明，Pre-900样品具有更高的缺陷迁移激活能。进一步通过不同极化温度下的TSDC测试发现，Pre-900样品平均激活能提高至约0.87 eV，而未预烧样品仅约0.78 eV。这说明预烧后缺陷载流子迁移需要更高热激活能，氧空位长程迁移受到有效抑制。HALT结果进一步表明，Pre-900样品在高温高场条件下具有更长寿命与更稳定绝缘行为。尽管高温下TSDC仍存在去极化电流峰，但其本质反映的是局域缺陷载流子的热激活释放，而非氧空位浓度增加。

图7 (a-b)400-600 ℃范围内的Cole-Cole阻抗图；(c-d)晶粒和晶界电阻的阿伦尼乌斯曲线拟合；(e-f)900 ℃预烧样品与未预烧样品的TSDC曲线对比；(g)击穿强度的威布尔分布；(h)两个样品的HALT数据图；(i)电子自旋共振谱。

为了进一步分析氧空位在壳层区域的分布特征，研究采用EELS-STEM进行局域电子结构分析（图8）。结果表明，Pre-900样品壳层区域氧亏损程度明显降低，并呈现更加平缓的氧空位梯度分布。相比之下，未预烧样品在壳层边缘存在明显氧空位富集现象，更容易形成局域导电通道并诱发击穿失效。结合EPR与XPS分析结果，可以确认预烧构建的梯度壳层有效提高了缺陷束缚能力，降低了氧空位迁移活性，从而实现高绝缘、高击穿及高可靠性的统一优化。

图 8(a-b)为近晶界区域的高角暗场扫描透射电子显微镜图像；(c-d)壳层区域的电子能量损失谱扫描信号；(e-f)电子能量损失谱区域扫描结果及相应的氧亏值。

五、作者及研究团队简介

张蕾（通讯作者），中国科学院深圳先进技术研究院副研究员、博士生导师，深圳市鹏城孔雀特聘专家，入选“2025全球前2%顶尖科学家（终身榜）”。主要从事高端电子元件国产替代及高性能电子陶瓷材料领域研究工作。承担国家重点研发计划、工信部高质量发展专项、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市自然科学基金、中国科学院创新基金、新型电子元器件关键材料与工艺国家重点实验室开放基金等多项科技项目，与国内电子元器件头部企业成立“先进电子元器件材料联合创新中心”。发表SCI论文60篇，申请发明专利40项，获授权10项，成功实施科技成果转化3项。兼任电子元器件关键材料与技术专业委员会委员等。获中国科学院深圳先进院优秀青年创新人才等。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。