低維鈦酸鍶鉛電材料的制備及電學(xué)與光學(xué)性能研究.pdf

1、鐵電材料以其優(yōu)異的介電、鐵電、壓電、熱釋電性能和光學(xué)性能等得到廣泛的關(guān)注和研究。隨著現(xiàn)代器件越來(lái)越微型化和密集化,對(duì)鐵電材料的制備與性能要求越來(lái)越高。為了達(dá)到實(shí)用化的要求,低制備條件和高性能獲得一直是大家夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。因此,豐富和發(fā)展鐵電材料的低維結(jié)構(gòu)的相關(guān)制備方法并探索和研究其性能,對(duì)于低維鐵電材料的基礎(chǔ)研究和開(kāi)拓應(yīng)用有著重要意義。本文在系統(tǒng)總結(jié)和全面分析鐵電材料研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,由于(Pb,Sr)Ti03具有一系列的優(yōu)點(diǎn),故本論文

2、選取(Pb,Sr)Ti03為研究對(duì)象,對(duì)(Pb,Sr)Ti03陶瓷、薄膜和納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了制備,并對(duì)它們的電學(xué)性能、光學(xué)性能等進(jìn)行了一些有益的探索。論文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1、用固相反應(yīng)法制備了PST不同Pb/Sr比的陶瓷系列,得到以下成果:
　　(1)制備的PST鐵電陶瓷具有典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),隨著Pb含量的增加,樣品的結(jié)構(gòu)有由立方相變?yōu)樗姆较嗟内厔?shì)。
　　(2)對(duì)樣品的介電性能進(jìn)行了研究,從介頻特性發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)隨頻

3、率的變化很小,說(shuō)明PST陶瓷具有相對(duì)穩(wěn)定的頻率特性。從介溫圖譜知道PST陶瓷材料的相變是非弛豫相變,在居里溫度以上完全符合居里一外斯定律,并得到PST陶瓷材料的居里溫度與Pb/Sr比之間成線性關(guān)系,材料的性能和實(shí)際應(yīng)用都與居里溫度有關(guān),這樣可以通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)Pb/Sr比來(lái)滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。同時(shí)發(fā)現(xiàn)極化對(duì)PST50/50樣品的介溫特性沒(méi)有太大的影響。
　　(3)在室溫下對(duì)樣品的鐵電性能進(jìn)行了測(cè)試,發(fā)現(xiàn)隨著鉛含量的增加,樣品的鐵電性能

4、越明顯。對(duì)PST50/50樣品進(jìn)行了不同溫度下的鐵電性能測(cè)試,隨著測(cè)試溫度的升高,樣品的鐵電性能逐漸減弱,通過(guò)線性關(guān)系外延,得到剩余極化為零時(shí)的溫度(即相變溫度)為162℃,與介電溫譜特性得到的結(jié)果是基本相符的。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)測(cè)試溫度高于相變溫度時(shí),剩余極化并不為0,說(shuō)明在相變溫度以上,極化微區(qū)電疇仍然存在。
　　(4)用動(dòng)態(tài)法測(cè)試了樣品在不同溫度下的熱釋電性能,發(fā)現(xiàn)熱釋電性能與Pb/Sr比相關(guān),溫度變化時(shí)熱釋電系數(shù)變化不太,樣

5、品具有較好的熱穩(wěn)定性。當(dāng)Pb/Sr比為35/65時(shí),由于所測(cè)試的溫度在其居里溫度附近,其熱釋電系數(shù)最高達(dá)到432UC/m2K,衡量熱釋電材料的探測(cè)因子值也高達(dá)21.82xl0-6 Pa-0'5。這些高的熱釋電系數(shù)和探測(cè)優(yōu)值因子表明PST材料有望在熱釋電探測(cè)器、熱外探測(cè)器等領(lǐng)域得到應(yīng)用,是一種有潛力的熱釋電材料。
　　(5)用C-V特性曲線的測(cè)試研究了樣品的調(diào)諧性能,發(fā)現(xiàn)鉛含量較多時(shí),樣品的C-V曲線是一些蝴蝶曲線,說(shuō)明了鐵電性的存

6、在,與鐵電性能的測(cè)試結(jié)果是一致的。在鉛含量為0.3和0.35時(shí),具有較大的調(diào)諧性能(51％和49%)以及較高的優(yōu)值因子FOM值(356和342)。由于PST鐵電陶瓷材料具有大的介電常數(shù)、調(diào)諧率和FOM值以及小的介電損耗,因此PST材料是一種很有應(yīng)用前景的調(diào)諧元器件材料。
　　2、用溶膠一凝膠法在不同襯底上制備了PST50/50薄膜,得到的成果有:
　　(1)研究了不同的退火溫度(650℃和700℃)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和電性能的影響。

7、結(jié)果表明,隨著退火溫度的升高,晶粒尺寸增大,薄膜結(jié)晶越好,薄膜的介電性能和鐵電性能得到改善和提高。經(jīng)650℃退火和700℃退火的樣品在lOOkHz時(shí)的介電常數(shù)和損耗分別為202、0.018和455、0.025,剩余極化和矯頑場(chǎng)分別為2LiC/cff12、45kV/cm和3LiC/cff12、65 kV/cm。
　　(2)用溶膠一凝膠法在Pt/Ti/S102/Si襯底上制備了LaNi03(LNO)緩沖層和PST50/50薄膜,發(fā)現(xiàn)L

8、NO緩沖層的引入,薄膜的介電性能和鐵電性能得到很大改善和提高。Pt/Ti/Si02/Si和LNO/Pt/Ti/Si02/Si襯底上PST50/50的介電常數(shù)和介電損耗在lOOkHz時(shí)分別為460、0.023和1088、0.005。這主要與PST薄膜的擇優(yōu)取向、晶粒大小有關(guān)以及薄膜中的缺陷濃度有關(guān)。
　　(3)比較成功的用溶膠一凝膠法在不同的單晶襯底上制備了高度取向的PST50/50薄膜,通過(guò)X-射線(p掃描和0)搖擺曲線的測(cè)試發(fā)現(xiàn)

9、薄膜的擇優(yōu)取向質(zhì)量與別人報(bào)道的PLD法制備的方法相比擬。這為外延薄膜的制備提供了一種手段和一定的指導(dǎo)。
　　3、用AAO模板法和靜電紡絲法制備了PST-維納米結(jié)構(gòu):
　　(1)用AAO模板結(jié)合溶膠一凝膠法成功制備了中空的PST納米管結(jié)構(gòu),研究結(jié)果表明,用AAO模板制備的PST-維納米結(jié)構(gòu)是一些納米管,其直徑的大小與AAO模板的孔徑大小一致。對(duì)樣品進(jìn)行了鐵電性能的測(cè)試發(fā)現(xiàn)嵌在AAO模板里面的PST50/50和PST60/40納

10、米管陣列具有鐵電性能。當(dāng)用激發(fā)波長(zhǎng)為300nm的光激發(fā)樣品時(shí),發(fā)現(xiàn)PST40納米管在356和400nm附近有2個(gè)發(fā)射峰,而PST50/50、PST60/40納米管的3個(gè)發(fā)射峰分別位于412,432,449nm和413,433,451nm。這可能是有樣品中大量的氧空位、缺陷以及不同Pb/Sr比導(dǎo)致不同的晶體結(jié)構(gòu)而引起。
　　(2)用靜電紡絲法成功制備了PST50/50納米纖維,并利用XRD、SEM、FTIR、Raman、PFM等方法