Materials with high permittivity are in demand for developing miniaturized capacitors used in advanced energy storage systems and integrated electronics. The perovskite oxide $CaCu_3 Ti_4 O_{12}$ (CCTO) is a promising material for next-generation capacitors owing to its extremely high dielectric constants of $10^4 - 10^5$ in the temperature range of 100-500 K below 1 MHz. However, a relatively high dielectric loss and large leakage current with low breakdown voltage hinder the use of CCTO in practical applications. Based on the internal barrier layer capacitor (IBLC) model, involving an electrically heterogeneous microstructure consisting of semi-conducting grains and insulating grain boundaries, the drawbacks of CCTO including the dielectric loss and leakage current are closely related to the resistivity of the insulating barrier layers.
We tried to overcome the critical problems through dopant engineering of CCTO with rare-earth dysprosium (Dy) ions. Upon doping with one atomic percent of Dy, the donor-acceptor bifunctionality of Dy was identified through impedance spectroscopy, current-voltage (I-V) characteristics, and atomic-scale scanning transmission electron microscopy. The bifunctionality of Dy influences the variation of the resistivity at grain boundaries, thereby improving the dielectric loss. In addition to this dopant, the effect of a nano-sized $BaTiO_3$ (BTO) additive with low dielectric loss and small leakage current on the dielectric responses of CCTO ceramics was investigated by controlling the amounts and sizes of BTO. Because of this additive, the dielectric loss of CCTO-BTO composites decreased with increasing amounts of BTO for a given BTO size.
Thus, the present results indicate that rare earth doping and the addition of a nano-sized additive to CCTO ceramics are effective methods for reducing the dielectric loss by dramatically increasing the resistivity of the grain boundaries.
전자기기의 다기능화, 소형화 추세에 따라 전자부품의 소형화와 성능향상을 구현시키기 위한 고유전율 소재에 대한 연구가 중요시되고 있다. $CaCu_3 Ti_4 O_{12}$(CCTO)는 비교적 넓은 온도 범위에서 유전율이 10,000 이상의 값을 보이는 거대유전율의 소재로서 고용량의 축전기 등 에너지 저장장치의 응용에 매우 유용한 물질이다. 하지만 높은 유전손실 값으로 인해 실제 산업에 응용되지 못하는 어려움을 겪고 있다. 이러한 문제점들은 CCTO의 물리적 특성 메커니즘인 입계절연형커패시터(IBLC) 모델을 고려했을 때, 입계에서의 전기적 특성과 밀접한 관련이 있으며, 이를 극복하기 위해서는 반드시 입계에서의 저항을 높이는 것이 중요하다. 본 논문에서는 조성제어를 통해 입계에 형성되는 전위장벽의 높이를 조절함으로써 입계에서의 전기적 특성을 제어하였다. 이와 더불어 절연성이 높은 나노입자의 $BaTiO_3$ 분말을 첨가함으로써 입계에서의 전기적 저항을 증가시켜 유전특성을 개선하였다.
