Sr2Bi4Ti5O18基鐵電陶瓷的制備及性能研究.pdf

1、鐵電材料在傳感器、驅動器、超聲波換能器、諧振器、非揮發(fā)性存儲器、電容器等各種電子元件方面有著廣泛的應用，隨著科技的發(fā)展，對材料的使用條件提出了更高的要求，越來越多的電子器件在高溫環(huán)境下使用，由于傳統(tǒng)鉛基材料使用溫度低，驅動電壓大，污染環(huán)境，目前對鐵電材料的研究主要集中在鉍層狀鈣鈦礦結構材料。
　　相比于其它鉍層狀鈣鈦礦結構材料，Sr2Bi4Ti5O18(SBT)具有較低的矯頑場、老化率低、電阻率高、溫度穩(wěn)定性好，但是其剩余極化強度

2、和居里溫度較低，尚不能取代目前工業(yè)上廣泛使用的鉛基材料。目前對SBT的研究多集中在鐵電和壓電性方面，而鐵電和壓電性的研究不能直觀反映出引起材料導電和弛豫的機制，通過對其介電特性的研究，揭示缺陷和導電、弛豫及鐵電性能的內在聯(lián)系，這對于指導并優(yōu)化鐵電性能具有重要的指導意義。
　　本論文以SBT為研究對象，研究了Ca取代對SBT鐵電陶瓷性能的影響，通過對不同氣氛燒結制備的CaxSr2-xBi4Ti5O18(CSBT)鐵電陶瓷介電特性的研

3、究，發(fā)現(xiàn)改善性能的有效方法，闡明了導電和弛豫機制及漏電機理。BiFeO3(BFO)具有較大的漏電流，而SBT的(Bi2O2)2+層具有絕緣和空間電荷庫的雙重作用，將BFO插入SBT中形成單相多鐵材料，通過對其性能的研究，探討引起導電和漏電的機制對于指導多鐵材料的設計具有重要的理論意義，為發(fā)展多鐵功能器件提供了新的思路，具體研究成果如下:
　　(1)用自蔓延燒結法制備出納米級、分散性好的SBT和Ca2Bi4Ti5O18(CBT)粉體

4、，確定了SBT和CBT鐵電陶瓷的最佳燒結溫度，SBT鐵電陶瓷顯示出較高的剩余極化強度和較低的居里溫度，而CBT鐵電陶瓷具有較小的剩余極化強度和較高的居里溫度。氧氣氣氛燒結SBT樣品具有較高的電導激活能，主要原因是氧氣氣氛燒結樣品中缺陷相對較少。
　　(2)研究了Ca取代對SBT鐵電陶瓷性能的影響，確定了最佳取代量，拉曼光譜分析證實了，Ca取代對(Bi2O2)2+層沒有影響，施加電場為100kV/cm，取代量為0.15的CSBT鐵電

5、陶瓷具有最優(yōu)的鐵電性能，剩余極化強度2Pr=17.7μC/cm2，矯頑場強2Ec=91kV/cm，居里溫度Tc=310℃，漏電流密度J=1.1×10-6A/cm2。
　　(3)研究了燒結氣氛對CSBT鐵電陶瓷性能的影響，在高溫區(qū)域(180-480℃)，燒結氣氛對激活能（弛豫和電導）影響較大，形成的電導和弛豫主要是由氧空位的熱運動形成的;在低溫區(qū)域(30-180℃)，燒結氣氛對激活能的影響較小，形成的電導來源于氧空位的一級電離產(chǎn)生的

6、電子，弛豫是由弱束縛電子的松弛極化形成的。C SBT-0.15陶瓷樣品在0-15kV/cm符合由熱激發(fā)電子主導的歐姆傳導機制，在15-30 kV/cm符合氧空位主導的空間電荷限制傳導機制，氮氣氣氛燒結樣品在25-50 kV/cm符合肖特基發(fā)射傳導機制。
　　(4)Nd摻雜可以改善CSBT-0.15鐵電陶瓷的鐵電性能，當取代量為0.05時，顯示出最優(yōu)的鐵電性能，隨著摻雜量的增加，樣品居里溫度線性單調降低，介電峰逐漸變低且逐漸寬化，表

7、現(xiàn)出彌散相變的特點。Bi4Ti3O12(BT)和CSBT-0.15只能形成吉布斯自由能較低的4層CSBT-4結構，而不能形成共生結構，表現(xiàn)出的弛豫性是由A位離子的無序分布造成的。
　　(5)BFO作為插層插入SBT類鈣鈦礦層中形成復合的6層鉍層狀鈣鈦礦結構，SBTF相比于SBT具有較大的結構畸變，施加125kV/cm的電場時可得到較為飽和的電滯回線，剩余極化強度和矯頑場強分別為:2Pr=20.5μC/cm2和2Ec=128kV/c