共生摻雜及磁性離子基團(tuán)植入對鉍層狀材料電磁性能的影響.pdf

1、鉍系層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料在非易失性鐵電存儲器和高溫壓電陶瓷方面具有潛在的應(yīng)用前景。這種材料反轉(zhuǎn)速度快，抗疲勞性能好，具有較高的鐵電居里溫度(Tc)和不含鉛污染的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于自發(fā)極化被限制在ab平面內(nèi)，典型的鉍層狀材料如B4Ti3O12(BIT,2Pr=15μC/cm2)和SrBi4Ti4O15(SBTi，2Pr=6.2-13.0μC/cm2)存在著剩余極化小、壓電活性低等不足，尚不能取代目前工業(yè)上廣泛使用的PZT來滿足工業(yè)化生產(chǎn)

2、高密度存儲器和壓電傳感器的需要。為了改善鉍層狀材料的性能，人們想出來許多辦法來改善它的性能。本論文主要工作是基于鉍層狀材料的改性研究，包括共生摻雜和磁性離子基團(tuán)植入兩大部分，具體說來可以分為下面幾個部分： (1) A位Nd離子摻雜：我們用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制備了系列Nd摻雜BIT-SBTi陶瓷樣品，并研究了其相應(yīng)的鐵電、壓電、介電行為。借助于XRD和Raman散射，研究了Nd摻雜對其晶體結(jié)構(gòu)和離子占位的影響。研究顯示，當(dāng)Nd離子摻雜

3、量為0.5時，材料的剩余極化和壓電系數(shù)同步達(dá)到最大值，分別為33.2μC/cm2和14 pC/N。同比不摻雜的BIT-SBTi陶瓷，其增幅分別達(dá)到1.7倍和75％，進(jìn)一步增加Nd摻雜量，材料的性能出現(xiàn)下降趨勢。借助于材料的復(fù)阻抗譜，發(fā)現(xiàn)材料的傳導(dǎo)激活能隨摻雜量的增加而而增加，這可以被看成是材料中氧空位濃度下降的直接證據(jù)。介電常數(shù)和介電損耗的溫度譜顯示，隨Nd摻雜量的增加，介電峰出現(xiàn)介電彌散的現(xiàn)象，但是在損耗的溫度譜中沒有能發(fā)現(xiàn)明顯的介電

4、馳豫峰。和La摻雜相比，Nd摻雜并沒有引起所謂的馳豫鐵電體的特征，并初步給出了解釋。 (2)B位高價摻雜：本章研究了Nb、V和W摻雜Bi4Ti3O12-MBi4Ti4O15(BIT-MBTi，M=Ca, Sr)陶瓷材料的電性能。研究結(jié)果顯示，這樣的高價施主摻雜顯著增強(qiáng)了BIT-MBTi材料的鐵電剩余極化和壓電系數(shù)。其中W摻雜對BIT-SBTi材料的鐵電剩余極化提升最大，而Nb摻雜BIT-SBTi材料的壓電性能提升最為明顯。Nb摻

5、雜同樣也提升了BIT-CBTi的剩余極化和壓電系數(shù)，但沒有對BIT-SBTi的影響來得顯著。BIT-CBTi薄膜也表現(xiàn)出了較高的鐵電剩余極化值39μC/cm2。電性能的增強(qiáng)是由于材料內(nèi)部氧空位濃度的降低和動性的減弱所引起。材料內(nèi)部傳導(dǎo)激活能隨摻雜量的增加直接給出了氧空位濃度減低的證據(jù)。在V摻雜BIT-SBTi的研究中發(fā)現(xiàn)了剩余極化的最大值和壓電系數(shù)的最大值不出現(xiàn)在同一摻雜量上，這被認(rèn)為是V摻雜對材料內(nèi)部疇壁的結(jié)構(gòu)和密度的影響要比對氧空位

6、濃度的影響來得更為顯著所致。BIT-CBTi的變溫介電譜出現(xiàn)了雙介電峰，分別位于658℃和728℃。對應(yīng)于低溫的介電峰可能和材料中BIT組元的規(guī)整化有關(guān)，而高溫的介電峰則于材料的鐵電順電相變有關(guān)。 (3)用濕化學(xué)方法制備了含磁性離子基團(tuán)的鉍層狀材料Bi5FeTi3O15(BFTO)。用XRD譜和Raman譜分析了其晶體結(jié)構(gòu)。用AFM和FESEM觀察了其表面和斷面形貌。研究發(fā)現(xiàn)，在～570 kV/cm外電場下，村料的鐵電剩余極化(

7、2Pr)和矯頑場(Ec)分別達(dá)到35.5μC/cm2和171kV/cm。剩余極化在285 kV/cm外場下經(jīng)過5.2×109反轉(zhuǎn)后降為66％，BFTO和SBTi材料在Raman，譜和鐵電響應(yīng)方面進(jìn)行了對比分析。漏電流機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，在～50 kv/cm到～200 kV/cm的外場范圍內(nèi)主要是Schottky發(fā)射機(jī)制起主導(dǎo)作用，在高于～200 kV/cm的外場時，漏電流機(jī)制可能是多種混合機(jī)制共同起作用。 制備了基于傳統(tǒng)固相燒結(jié)工藝