多层陶瓷电容器（MLCC）是电子产品中用量最大的被动元器件，其往往采用具有高介电常数的钛酸钡作为介质材料，然而纯钛酸钡的介电常数随温度变化剧烈，在居里温度（约125℃）附近出现尖锐的介电峰，这种“温漂”特性使得纯钛酸钡无法直接用于实际电子设备，同样棘手的是，如今广泛使用的镍电极必须在还原气氛下烧结以防止氧化，而还原氛围又会在钛酸钡中产生大量氧空位，导致绝缘电阻下降、漏电流增加。

在此背景下，材料掺杂改性成为优化BaTiO₃陶瓷性能、解决MLCC技术短板的核心手段，其中，稀土元素凭借独特的电子层结构、可变离子半径及两性掺杂特性，可精准调控BaTiO₃晶格结构、钝化晶体缺陷、优化微观晶粒形貌，是改善MLCC介电性能与服役可靠性的核心改性材料。

稀土掺杂的机理

钛酸钡具有典型的ABO₃钙钛矿结构，A位由Ba²⁺占据，B位由Ti⁴⁺占据。稀土离子（R³⁺）进入钛酸钡晶格时，根据其离子半径的大小，可以选择性地占据A位或B位，由此产生截然不同的掺杂效果。

·A位掺杂：大半径稀土离子（如La³⁺、Gd³⁺）倾向于取代Ba²⁺占据A位，由于其价态通常高于被取代的Ba²⁺基体离子，会产生施主掺杂效应，即释放电子以维持电荷平衡，降低材料的绝缘电阻，提升陶瓷常温介电常数、优化晶粒均匀性、降低常温介电损耗。

·B位掺杂：小半径稀土离子倾向于取代Ti⁴⁺占据B位，产生受主掺杂，即捕获电子形成氧空位来补偿电荷，有助于抑制氧空位迁移，从而延长材料寿命。

·两性掺杂：中等离子半径的稀土离子（如Dy³⁺、Ho³⁺、Y³⁺）具有两性掺杂特性，既可占据A位也可占据B位，具体取决于掺杂浓度、烧结温度、氧分压和Ba/Ti比例等因素。这种掺杂可带来更全面且均衡的改性效果。

除了进入晶格，产生晶格畸变，稀土元素还倾向于在晶界处偏析，形成高阻的晶界势垒。这不仅能抑制晶粒异常长大，细化晶粒尺寸，还能提高晶界激活能，减少氧空位在电场下的迁移，从而提升材料的绝缘可靠性和高温稳定性。

稀土掺杂剂的种类与应用

基于上述改性机制，钛酸钡（BaTiO₃）稀土掺杂剂的应用主要根据掺杂的晶格位点（A位或B位）和具体的应用需求（如调节介电性能、改善可靠性、优化烧结性能）进行选择，目前常见的稀土掺杂剂有：

1、氧化钇

氧化钇是目前MLCC中用量最大的基础稀土掺杂剂。Y³⁺的离子半径受到配位数影响，以其配位数为6时举例，晶体结构呈八面体，离子半径约为0.89 Å，介于Ba²⁺（1.35 Å）和Ti⁴⁺（0.605 Å）之间，在钛酸钡中表现出两性占位特性。根据南方科技大学与风华高科国家重点实验室的联合研究，当掺杂量控制在一定范围（比如低于1.0 mol%），Y³⁺更倾向于取代Ti⁴⁺位点，形成受主掺杂，产生的氧空位则在烧结过程中会沿着晶界偏聚，钉扎晶界，阻碍晶粒长大，并形成小晶粒的"芯-壳"结构（即高介电常数的晶粒芯被低介电常数的晶粒壳包裹），最终提升击穿电压，并带来平坦的温度特性，显著延长MLCC的使用寿命。

2、氧化镝

Dy³⁺的原子半径为0.912 Å，介于Ba²⁺和Ti⁴⁺之间，是两性掺杂的典型代表，烧结时可同时取代晶格中Ba²⁺/Ti⁴⁺形成电荷补偿、抑制氧空位，晶粒边界富集镝元素、细化晶粒、构建核壳结构，平移平抑温漂效果极佳，是高端高容、车规、AI服务器MLCC实现薄层化、高容量、高可靠性的关键“性能调节剂”。

3、氧化钬

氧化钬（Ho₂O₃）是高温稳定性辅助掺杂剂，常与氧化镝协同使用以进一步拓宽温区，改善高温下的介电性能，适用于对高温稳定性有严苛要求、需要实现宽温区稳定工作的高端MLCC。

4、氧化铽

氧化铽掺杂主要用于优化烧结性能与晶粒边界，提升耐压水平。铽离子（Tb³⁺）半径与钛酸钡晶格中的钡离子（Ba²⁺）相近，因此Tb³⁺会替代Ba²⁺进入钛酸钡的A位晶格，引起晶格微小的收缩和畸变，形成“壳-芯”结构，从而调控材料的相变温度和晶格内应力。同时，Tb³⁺的掺杂还会形成“电子陷阱”，有效捕获和抑制钛酸钡晶格中氧空位在电场下的长程迁移，从而改善材料的绝缘电阻和耐压性能。

小结

稀土元素通过A位、B位及两性掺杂等机制，可有效解决纯钛酸钡介电温漂显著、还原烧结后漏电流偏大、绝缘稳定性不足等核心痛点。不同稀土掺杂剂具备各自的性能优势与适用场景，可针对性优化MLCC的晶粒结构、介电特性与服役寿命，适配车规、高端消费电子、服务器等多场景高端MLCC的制备需求，是当前突破钛酸钡基介质材料性能瓶颈、提升MLCC产品可靠性与高端化水平的关键技术路径。

参考文献：

1、器件探秘.《氧化钇在MLCC中的角色深度探究》

2、伏白的交易笔.《MLCC介质层掺杂剂：高纯氧化镝供应格局梳理》

3、工陶.《MLCC带动氧化镝需求爆发》

粉体圈Corange整理