973项目申报书CB623300信息功能陶瓷及其元器件的若干基础问题研究.docx

1、973项目申报书CB623300信息功能陶瓷及其元器件的若干基础问题研究项目名称：信息功能陶瓷及其元器件的若干基础问题研究首席科学家：南策文 清华大学起止年限：2009.1至2013.8依托部门：教育部一、研究内容本项目的总体设想是以满足国家信息、航天航空、国防军工、汽车电子等高技术产业发展对信息功能陶瓷日益增长的重大需求为目标，针对信息功能陶瓷元器件微小型化、集成化/模块化、频率高端化与系列化、多功能化、高可靠性的发展趋势，通过其中共性、基础性的关键科学问题的深入研究，在前期973项目研究工作基础上，更深层次地探讨本质性的微小型/集成陶瓷元器件中薄层陶瓷异质结构可控制备科学技术问题以及与微结

2、构稳定性的内在关系、材料微波/毫米波响应与电磁多功能耦合的结构根源，构筑新一代信息功能陶瓷材料微结构与功能调控的理论框架和相应的结构控制关键技术，发展新型微小型信息功能陶瓷元器件。要实现本项目根据新一代信息功能陶瓷材料科学技术自身的发展趋势和国家信息、航天航空、国防军工、汽车电子等高技术产业发展对信息功能陶瓷元器件的重大需求所提出的目标和设想，首要解决的三个共性基础关键科学问题是更深层次的：1) 薄层陶瓷异质结构中纳晶与微薄层集成和界面控制技术：微小型化（包括片式化）/集成化是目前信息功能陶瓷元器件研究开发的一个最重要的目标，其中核心问题是薄层陶瓷介质中纳米晶与微薄层的集成控制、多层异质结构的

3、界面控制。2) 纳微结构和界面效应诱导新功能机制及原理：信息功能陶瓷材料及元器件的电、磁及其耦合功能直接与陶瓷介质的纳微结构、界面效应（界面极化与界面耦合）密切相关联。这是裁剪、研发高性能、多功能陶瓷材料的关键基础。3) 强场诱导信息功能陶瓷元器件功能变异的机制与控制：元器件微小型化/集成化使薄层陶瓷介质在服役过程中承受更苛刻的外场，因此，陶瓷介质与元器件的强场响应特性对于微小型陶瓷元器件的可靠性至关重要，强场诱导信息功能陶瓷的性能变化是决定陶瓷元器件的使用功能的发挥及可靠性的关键。围绕解决这三大关键科学问题，以实现研究预期目标，本项目将开展的主要研究内容包括：1) （针对关键问题1）研究纳米

4、晶信息功能陶瓷微结构形成动力学与控制原理，发展可产业应用的无压烧结制备薄层纳米晶功能陶瓷普适性技术；研究陶瓷织构化技术，异质结构界面控制；研究多层片式陶瓷微小型元器件超低温共烧陶瓷技术；发展信息功能陶瓷多层膜、陶瓷元件集成化关键技术基础，提出并研制若干种新一代信息功能陶瓷元器件。2) （针对关键问题2）深入研究信息功能陶瓷界面效应（界面极化与界面耦合）、纳米尺度限制对其功能的影响；研究信息功能陶瓷的微波与毫米波响应原理及其结构根源、以及微波介电性能的协调优化与超低损耗化；研究不同电磁耦合机制与微结构的关联；发展新型信息功能陶瓷材料功能响应原理，根据基础研究成果，实施微结构优化设计和新功能开拓，

5、为新一代信息功能陶瓷元器件创新不断提供材料新体系。3) （针对关键问题3）研究多种强场共同作用及苛刻条件下的信息功能陶瓷微结构缺陷和畴结构的动态行为与演变、晶相的稳定性和相变规律、与器件可靠性相关的物理现象和本质。为发挥强场下信息功能陶瓷材料功能、提高陶瓷元器件的可靠性提供有效途径与对策。二、预期目标总体目标面向国家信息、航天航空、国防军工、汽车电子等高技术领域，针对这些领域核心元器件产业的迅猛发展对信息功能陶瓷材料的重大技术需求，本项目将以深入研究新型信息功能陶瓷及元器件微结构与外场相互作用为核心，为满足新型信息功能陶瓷元器件的微小型化和集成化/模块化、频率高端化与系列化、多功能化、高可靠性

6、等的长远发展，提供方向性、共性、关键性、创新性的理论和技术基础支撑，重点强调以新一代元器件的实际产业中的应用为目标。形成先进信息功能陶瓷材料科学和技术的基础理论框架，使在若干方向上的基础研究进入世界领先的行列，同时对我国先进信息功能陶瓷材料的研究和应用形成整体牵引和整体提升，提高我国在该领域的整体研究水平和原创能力。突破新一代微小型片式集成陶瓷元器件的关键材料体系和制备技术、突破高端微波与毫米波实用的陶瓷介质体系等，攻克若干项对先进信息功能陶瓷及元器件技术发展带有共性的关键技术基础，提出和发展具有我国自主知识产权的信息功能陶瓷材料新体系及器件，使基础研究成果在国家相关高技术领域的核心元器件产业

7、中获得示范性的实际应用。继续培养一支具有创新能力的我国信息功能陶瓷材料领域的高水平年轻研究队伍。五年预期目标1） 新材料与机制、理论方面实现应用于新一代微小型元器件中超薄层陶瓷介质的高品质抗还原BaTiO3基等纳米晶陶瓷体系；定量理解纳米晶信息功能陶瓷中的尺寸效应。高介电陶瓷新体系 (如LTNO) 的低损耗化机制。揭示几个典型材料体系的微波与毫米波响应原理、确立其性能调控的理论指南，实现微波介质MRAlO4新材料体系的超低损耗化与系列化 ( =18-22, Qf 150,000 GHz, -5 ppm/Kf +5 ppm/K)，探索出低介电常数毫米波材料新体系( 1500 pC/N，k3390

8、%，居里温度Tc200 oC）。掌握(反)铁电陶瓷在强场(等静压、冲击波和高压电脉冲)作用下的相变规律和响应过程。揭示在强场作用下薄层化功率型多层陶瓷元器件和材料的结构变化及其对功能的影响、场致疲劳和失效机制，为发展新型高可靠多层铁电/压电陶瓷器件提供依据；探求改善多层陶瓷元器件强场响应特性的技术途径，为新一代高性能多层陶瓷元器件的材料制备和结构设计、元器件的可靠性评价提供共性的科学基础和技术平台。2） 技术方法与元器件应用方面基于纳米晶功能陶瓷制备科学和微结构控制，发展出具有普适性、可产业应用的纳米晶功能陶瓷制备新技术，为信息功能陶瓷的纳米晶控制提供共性技术平台，并研制出新一代微小型多层片式

9、元器件，例如超薄层大容量BME-MLCC (微小型0402, 0201，其中介质单层厚度约0.5- 0.8 m，容量1- 10 F)。解决LTCC的关键制备科学问题，实现不同介电常数的介质材料之间的低温匹配共烧，并研究出低温共烧无源集成功能模块 (例如，新一代T/R组件：输入输出阻抗505，微波插损0.40 dB/cm，驻波比1.2 10 GHz；插损0.5 dB/cm，驻波比1.2 40GHz)，设计和研制出具有介电可调特性的新型微波器件。制备出具有实用价值、磁电耦合性能优异的新型多铁性磁电器件原型。发展出高性能铁电/压电陶瓷膜单晶化、织构化和多层化的制备新技术，探索有序复合结构的设计与集成

10、技术，利用新型微加工工艺制备出集成微器件结构；发展一种基于三维无模直写成型的微制备与微集成技术，研制出具有原创性的新型集成功能陶瓷元器件。设计和制备出高性能、微型化、智能化和绿色化的压电换能器和驱动器（例如，低烧薄型多层压电电声器件：d33450 pC/N，居里温度230 oC，稳定使用温度-40-100 oC，厚度150,000 GHz, -5 ppm/Kf+5 ppm/K)；探索出低介电常数、大可调度及低损耗的可调谐微波陶瓷；为新型微波元器件解决关键材料问题。解决LTCC的制备科学问题，并研究出低温共烧无源集成功能模块 (例如，新一代T/R组件：微波插损0.40 dB/cm，驻波比1.2

11、10 GHz；插损0.5 dB/cm，驻波比1.2 40GHz)。主要承担单位：浙江大学、同济大学/西安交通大学(一个实验室的2部分)课题负责人：陈湘明经费比例：20 %课题3：信息陶瓷材料的多功能化及多场耦合效应元器件的多功能化和微小型化对电介质与磁介质复合集成(如多铁性材料)不断提出新需求，前期我们基于对复合效应的研究，发展了高介电陶瓷新体系和用于嵌入式集成元器件的多功能复合新体系；发展了铁电-铁磁复合材料中多场耦合效应的理论方法，提出一类新型室温巨磁电块体材料，为多铁性材料的发展提供了一条新途径。如何面向应用需求发展基于这些材料的多功能元器件，以及发展新型多铁性异质结材料及其相应器件的设

12、计，将是本课题的重点。主要研究内容：基于对铁电-铁磁块体复合材料中耦合效应与原理的研究，优化材料的显微结构，研究具有小偏置场、甚至无偏置场的铁磁材料与铁电材料的复合，以及同第三相材料的复合，以期获得具有新的多功能多铁性材料，以及元器件应用。研究高质量多铁性复合氧化物异质结的控制原理，与畴工程学和缺陷控制相关的制备和微结构问题，研究不同异质结构的形成机理，探索对微结构精确调控的方法。研究异质结中各种序参量的调控以及与宏观磁电耦合特性之间的关联、相间界面耦合作用；研究多尺度和多维度下异质结中的磁性、电性、结构、临界特性等一系列现象的物理机制，进而达到调制多场耦合特性。深入研究具有自主知识产权的高介

13、电陶瓷新体系(如LTNO)的低损耗化机制与有效途径，并研究该新体系的实际应用。研究目标：基于对前期发展的新材料体系的结构、性能优化和完善，发展相关多功能元器件。阐明在不同尺度和维度下多铁性复合异质结材料的微结构与多场耦合效应的关联，揭示与界面相关的异类原子间的键合机制、各种序参量的耦合效应以及微观序参量与宏观性能之间的关联，阐明其中的磁电耦合机制，揭示物理本质。发展异质结多场耦合特性的精确表征实验技术，建立相关的理论模型。发展有效制备方法，获得新型的高性能多铁性复合异质结材料。为发展面向应用需求的多铁性微器件提供基础。主要承担单位：清华大学、南京大学课题负责人：南策文经费比例：21 % (含项

14、目首席管理)课题4：信息功能陶瓷微器件结构及其集成技术功能陶瓷的集成化是功能陶瓷元器件发展的必然趋势。铁电/压电陶瓷集成功能陶瓷器件是在分立片式陶瓷元件技术基础上发展起来的一类新型集成无源电子陶瓷器件，集成压电学涉及非硅功能材料的微细制备与集成技术。压电陶瓷器件具有结构与功能一体化的特点，其微型化与集成化必须兼顾结构和功能的耦合效应及其优化。如何利用易于器件集成的工艺制备铁电/压电薄膜集成元器件，以及研究和发展微米尺度压电陶瓷有序复合集成和三维复杂结构的微细制备技术，将是本课题的研究重点。主要研究内容：低维结构与纳微集成技术：研究控制压电陶瓷膜结晶择优取向的方法及其形成机理，并深入研究基板对薄

15、膜晶体结构及其铁电/压电性能的影响规律；结合MEMS微加工技术，研究基于压电陶瓷膜的微器件制备与集成技术。有序异质结构微集成技术：研究微米尺度2-2型层状异质结构的微制备与多层压电陶瓷驱动器件的集成技术；研究1-3型高纵横比压电陶瓷微柱阵列结构的微细制备及其面向超薄高频医疗成像超声探头应用的1-3型有序异质结构的集成技术。三维复杂结构的微制备与微集成技术：发展基于三维无模直写成型的微制备与微集成技术，研究薄层多层结构以及微型阵列结构的直写快速集成，制备1-2种具有非平面空间结构特征的压电换能器。研究目标：通过研究高性能铁电/压电陶瓷膜的制备与集成技术，为基于信息功能陶瓷膜材料的陶瓷集成元器件的

16、研制和发展奠定基础；力争在研制多层压电陶瓷和有序复合结构的设计与集成技术方面有所创新和突破，利用低温共烧技术制备驱动器用多层压电陶瓷，利用新型微加工工艺制备出高纵横比超微细1-3型有序集成微器件结构；发展基于三维无模直写成型的微制备与微集成技术，研制出具有原创性的新型集成功能陶瓷元器件。主要承担单位：清华大学、中国科学院上海硅酸盐研究所课题负责人：李敬锋经费比例：12 %课题5：高性能压电陶瓷及其智能结构智能化是新型功能材料与器件发展的重要方向。压电陶瓷具有机、电、声、光、热等多种功能及耦合效应，其压电器件具有位移控制精度高、响应快、推动力大、驱动功率低和工作频率宽等优点，即具备智能结构必需的

17、感知、驱动和控制三个基本要素。压电陶瓷材料将是智能元器件与系统的主要核心材料。本课题主要基于前期研究工作的积累，拓展高性能压电陶瓷与器件的应用领域，尤其是为未来我国的航空航天、海洋军事、汽车电子等领域的应用提供高性能材料和原型器件。主要研究内容：根据压电陶瓷研究的结果选择具有高居里温度的弛豫铁电体系统进行晶体生长研究研究在高温下的相稳定性和焦绿石相的抑制问题，获得大尺寸高质量、高性能弛豫铁电单晶（d331500 pC/N，k3390%，居里温度Tc200 oC）研究高性能压电陶瓷：通过添加晶种和无晶种的方法制备高取向的织构化陶瓷，研究制备具有设定晶粒取向的织构化陶瓷的制备新技术。压电陶瓷器件和

18、智能结构研究：设计并应用流延法制备多层驱动器，研究压电陶瓷器件的各种特性，建立大应变的设计理论，为压电陶瓷用于智能结构提供实验和理论依据，并将自适应控制方法应用于微驱动系统中，提高微驱动系统的控制精度和动态品质。基于高性能压电陶瓷设计制备出可以在较大温度范围内使用的高性能超声换能器原型。研究目标：探明陶瓷组成与准同型相界、弛豫特征与压电性之关联、微结构对压电性能的影响规律；发展功能材料微区畴结构以及物性的表征新方法，揭示新型压电材料的压电活性的结构本质。发展压电陶瓷的单晶化、织构化和多层化的制备新技术；基于新型压电材料，设计和制备出高性能、微型化、智能化和绿色化的压电换能器及其原型器件（例如低烧薄型多层电声器件：d33450 pC/N, Tc230 oC，厚度 100 m，声学灵敏度76 dB min），为新一代高性能压电陶瓷与器件在智能结构中的应用与集成提供科学技术基础。主要承担单位：中国科学院上海硅酸盐研究所课题负责人：李永祥经费比例：15 %课题6：服役中信息功能陶瓷及元器件场致功能变化在外场服役中，信息功能陶瓷与元器件的稳定性及其对外场的依赖性，对于元器件的设计、使用和可靠性至关重要。前期我们利用先进测试手段和理论模拟相结合揭示出MLCC中BaTiO3的场致相变和畴变机制，初步确立了力电温度多场协同作用对MLCC介电特性的影响规律；对铁电/反铁电