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(qū)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(yīng)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(qū)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(jié)構(gòu)材料。
　　相比于其它鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)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(dǎo)電和弛豫的機制，通過對其介電特性的研究，揭示缺陷和導(dǎo)電、弛豫及鐵電性能的內(nèi)在聯(lián)系，這對于指導(dǎo)并優(yōu)化鐵電性能具有重要的指導(dǎo)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(jié)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(dǎo)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(dǎo)電和漏電的機制對于指導(dǎo)多鐵材料的設(shè)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(jié)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(jié)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(jié)SBT樣品具有較高的電導(dǎo)激活能，主要原因是氧氣氣氛燒結(jié)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(jié)氣氛對CSBT鐵電陶瓷性能的影響，在高溫區(qū)域(180-480℃)，燒結(jié)氣氛對激活能（弛豫和電導(dǎo)）影響較大，形成的電導(dǎo)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(jié)氣氛對激活能的影響較小，形成的電導(dǎo)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(dǎo)的歐姆傳導(dǎo)機制，在15-30 kV/cm符合氧空位主導(dǎo)的空間電荷限制傳導(dǎo)機制，氮氣氣氛燒結(jié)樣品在25-50 kV/cm符合肖特基發(fā)射傳導(dǎo)機制。
　　(4)Nd摻雜可以改善CSBT-0.15鐵電陶瓷的鐵電性能，當(dāng)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(diào)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(jié)構(gòu)，而不能形成共生結(jié)構(gòu)，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(fù)合的6層鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，SBTF相比于SBT具有較大的結(jié)構(gòu)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