摻雜對(duì)Bi-,4-Ti-,3-O-,12--SrBi-,4-Ti-,4-O-,15-共生結(jié)構(gòu)鐵電、介電和壓電性能影響的研究.pdf

1、本論文以層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電材料Bi<,4>Ti<,3>O<,12>(BIT)和SrBi<,4>Ti<,4>O<,15>(SBTi)的共生結(jié)構(gòu)(BIT-SBTi)為研究對(duì)象，研究A、B位摻雜對(duì)材料的晶體結(jié)構(gòu)、鐵電、介電和壓電性能的影響，分析了摻雜對(duì)材料的剩余極化(2P)、矯頑場(chǎng)(E<,c>)和壓電系數(shù)(d<,33>)的可能影響機(jī)制。 BIT-SBTi類鈣鈦礦層的A位含有兩種陽離子：三價(jià)的Bis<'3+>和二價(jià)的Sr<'2+>，B位

2、是四價(jià)的Ti<'4+>?；趥鹘y(tǒng)的固相燒結(jié)工藝，制備了用三價(jià)的鑭系元素離子Nd<'3+>等價(jià)摻雜BIT-SBTi的Bi<'3+>位樣品和用Ce<'4+>不等價(jià)摻雜BIF-SBTi的Bi<'3+>位樣品，以及用VA族元素V<'5+>和Nb<'5+>高價(jià)摻雜BIT-SBTi共生材料B位的樣品。用X射線衍射(XRD)對(duì)它們的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)摻雜基本未改變材料原來的晶體結(jié)構(gòu)，且樣品均呈隨機(jī)取向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通過適量的Nd摻雜，樣品的鐵

3、電性能得到明顯改善，在摻雜量為x=0.50時(shí)，2P<,r>達(dá)到最大值32.3μC·cm<'-2>，比未摻雜時(shí)增大了近70％，Nd摻雜對(duì)BIT-SBTi的矯頑場(chǎng)E<,c>影響不大，SrBi<,7.50>Nd<,0.50>Ti<,7>O<,27>的E<,c>為103 kV·cm<'-1>，和未摻雜時(shí)相比變化不大。在摻雜量大于x=0.50以后，2P，逐漸減小。這種摻雜導(dǎo)致的先增后減的變化規(guī)律，是摻雜導(dǎo)致材料中氧空位濃度逐漸降低所產(chǎn)生的積極因素

4、和摻雜導(dǎo)致的晶格畸變程度逐漸減小以及摻雜離子進(jìn)入(Bi<,2>O<,2>)<'2+>層所帶來的消極因素相互競(jìng)爭(zhēng)與妥協(xié)的結(jié)果。Nd摻雜使得樣品d<,33>先增加后減小，最大值為11 pC·N<'-1>，我們發(fā)現(xiàn)在x=0.50時(shí)，2P<,r>和d<,33>同時(shí)達(dá)到最大值，我們進(jìn)一步給出了這一現(xiàn)象的唯象解釋。 在Ce<'4+>高價(jià)取代B<'3+>位的樣品中，發(fā)現(xiàn)了不同的2P<,r>變化規(guī)律，在摻雜量低于x=0.6時(shí)，2P，從15.2μ

5、C·cm<'-2>減小到3.1μC·cm<'-2>；當(dāng)摻雜量大于x=0.6時(shí)，2P，逐漸增大到8.4μC·cm<'-2>。然而矯頑場(chǎng)E<,c>和居里溫度T<,c>都呈現(xiàn)先減小后有所增大的趨勢(shì)。這可能由于Ce離子的變價(jià)導(dǎo)致不同的摻雜機(jī)制所致。Ce摻雜使得樣品壓電系數(shù)先增加后減小，最大值為16.1 pC·N<'-1>。 在高價(jià)陽離子取代B位的研究中，我們發(fā)現(xiàn)在v摻雜量為x=0.03的BIT-SBTi樣品中，樣品的2P，顯著增加，從零

6、摻雜量時(shí)的19.5μC·cm<'-2>，增加到了29.0μC·cm<'-2>，增加了約50％，E<,c>變化不大。在Nb摻雜量為x=0.06的BIT-SBTi樣品中，樣品的2P，顯著增加，從零摻雜量時(shí)的20.0μC·cm<'-2>，增加到了34.9μC·cm<'-2>，增加了約75％，R<,c>變化不大。這說明高價(jià)陽離子取代改善了樣品的鐵電性能。從V摻雜的介溫譜來看，V取代沒有顯著影響樣品的居里溫度，樣品的熱穩(wěn)定性得以保持。釩摻雜使得樣

7、品壓電系數(shù)先增加后減小，最大值為12.2 pC·N<'->。我們認(rèn)為：這主要是由于在電荷電中性的制約下，高價(jià)摻雜抑制了樣品中氧空位的濃度，減低了氧空位的動(dòng)性，使得鐵電釘扎現(xiàn)象緩解，因而使得材料鐵電性能的得到改善。同時(shí)，高價(jià)Nb<'5+>摻雜會(huì)產(chǎn)生A位空位，也會(huì)對(duì)材料鐵電性能的改善有幫助。當(dāng)V<'5+>、Nb<'5+>摻雜量逐漸增加時(shí)，不斷增加的Bi空位會(huì)破壞材料晶胞結(jié)構(gòu)的完整性，從而導(dǎo)致材料鐵電性能的下降。二者的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，使得樣品的鐵電