KN与KLN陶瓷及其薄膜的制备、结构调控与性能研究

摘要

作为一类无铅无铋的环境友好材料，铌酸钾(简称KN)和铌酸钾锂(简称KLN)表现出优异的非线性光学性能、电光性能、压电性能和介电性能，具有重要的研究意义和应用价值。论文以KN、KLN陶瓷及其薄膜的制备、结构调控与性能研究为目标，重点研究Li的掺入量对KN、KLN陶瓷的合成、烧结与介电性能的影响，并建立材料性能与其结构间的相互关系。在此基础上，以KN陶瓷和KLN陶瓷作为靶材，利用脉冲激光沉积技术制备KN和KLN薄膜，研究沉积工艺对薄膜的组分、表面形貌和微观结构的影响，并确定合理的沉积工艺和结构控制方法。 论文首先以K2CO3和Nb2O5为原料，采用固相反应法，合成出单一物相的KN粉体，确定了适宜的合成条件为温度800℃，保温时间2h。研究了烧结方式对KN陶瓷烧结性能的影响，结果表明通过埋烧可以抑制K的挥发，在900-1025℃烧结温度下得到了物相单一、致密度较高的KN陶瓷。适量Li(<7mol％)的掺入有效降低了KN粉体的合成温度，提高了其烧结活性。而且，随Li掺入量的增加，KN陶瓷的介电常数降低，居里温度升高，拓宽了其铁电相的温度使用范围。 以K2CO3、Li2CO3和Nb2O5为原料，采用固相反应法在900℃合成出Li掺入量为30-40mol％、物相单一的KLN陶瓷粉体。进而，利用常压烧结方法，在950-975℃的烧结温度范围内，制备出单一物相、致密度在85-93％之间的KLN陶瓷。采用放电等离子烧结(SPS)技术，可有效提高KLN陶瓷的致密度，800℃烧结时致密度大于99％。而且与常压烧结方式相比，SPS烧结的KLN陶瓷的晶粒尺寸细小、均匀，其介电常数提高1倍左右，介电损耗有所降低，居里温度更高(575℃)。 在此基础上，以KN陶瓷为靶材，采用脉冲激光沉积技术(PLD)在Si(100)衬底上进行KN薄膜的实验沉积，重点研究了PLD工艺参数(衬底温度、激光能量、衬底靶材间距、氧分压)对KN薄膜的物相、成分和结晶度的影响。结果表明：随衬底温度的升高，KN薄膜的K/Nb比先增大后减小，在650℃时达到最高值且结晶良好；随激光能量的增加，KN薄膜的结晶度增加，但K/Nb比呈线性降低；随衬底靶材间距的增大，KN薄膜的K/Nb比降低，结晶度下降；在20-50Pa的较高氧分压下可以得到结晶良好、物相单一的KN薄膜，随氧分压的增加，薄膜中的K/Nb比先增大后减小，在20Pa时达到最高值0.98。适宜的KN薄膜制备工艺为：衬底温度650℃，衬底靶材间距40mm，激光能量7.5mJ/pulse，氧分压20Pa。 针对KN薄膜中的K缺失现象，对PLD过程的“羽辉”传播过程进行研究，解明了K的缺失机制，提出了KN薄膜成分的控制方法。由于K、Nb粒子质量悬殊，二者在羽辉中传播时出现了明显的分离现象，即K粒子主要分布在羽辉的边缘并以偏离羽辉轴线方向更大的角度传播，同时大量K粒子发生背散射重新回到靶材表面，造成正对羽辉轴线的衬底上沉积的KN薄膜明显缺K。采用衬底偏离羽辉轴线的方式可以有效提高薄膜的K/Nb比：当偏离角度3-12°时，制备出K/Nb比为0.98的KN薄膜；偏离角度14°时，制备出了满足化学计量比的KN薄膜。 最后，以KLN陶瓷为靶材，以石英玻璃为衬底，采用PLD技术在温度650-800℃、氧分压1-20Pa条件下得到了结晶良好、物相单一、(310)取向生长的KLN薄膜，并研究了衬底温度、氧分压和激光能量对薄膜物相、结晶程度、取向性和表面形貌的影响，确定了适宜的沉积条件为：衬底温度700℃，氧分压为10Pa。制备的KLN薄膜在可见光范围内具有较高的透过率(>90％@400-800nm)，且随薄膜厚度的减小其透过率增加。对KLN薄膜原位退火可改善KLN薄膜的微观结构，经800℃退火后，KLN薄膜的晶粒发育良好，表面致密，降低了对光的吸收和散射，透过率提高至95％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2无铅压电陶瓷的研究现状

1.2.1钛酸钡基无铅压电陶瓷

1.2.2含铋层状结构无铅压电陶瓷

1.2.3含铋钙钛矿型无铅压电陶瓷

1.2.4铌酸盐系无铅压电陶瓷

1.3 KN和KLN的性质与应用

1.3.1 KN的晶体结构及其应用

1.3.2KLN的晶体结构及其应用

1.4 KN陶瓷及其薄膜的研究现状

1.4.1 KN陶瓷研究现状与存在问题

1.4.2 KN薄膜的研究现状

1.5 KLN陶瓷及其薄膜的研究现状

1.5.1 KLN陶瓷的研究现状

1.5.2 KLN薄膜的研究现状

1.6本论文的提出、研究目的与内容

第2章 KN陶瓷的合成、烧结及介电性能研究

2.1引言

2.2实验与测试

2.2.1实验原料

2.2.2实验设计与工艺过程

2.2.3测试原理与方法

2.3结果与讨论

2.3.1 KN粉体的合成

2.3.2 KN陶瓷的烧结

2.3.3 KN陶瓷的介电性能

2.4小结

第3章 KLN陶瓷粉体的合成、烧结及其介电性能研究

3.1引言

3.2放电等离子烧结技术简介

3.3实验与测试

3.3.1实验原料

3.3.2实验设计与工艺过程

3.3.3测试方法

3.4结果与讨论

3.4.1 KLN粉体的合成

3.4.2 KLN陶瓷的常压烧结

3.4.3 KLN陶瓷的SPS烧结

3.4.4KLN陶瓷的介电性能

3.5小结

第4章 KN薄膜的脉冲激光沉积及其成分控制研究

4.1引言

4.2脉冲激光沉积技术简介

4.3实验与测试

4.3.1实验原料

4.3.2测试方法

4.4结果与讨论

4.4.1衬底温度对KN薄膜物相与成分的影响

4.4.2衬底靶材间距对KN薄膜物相与成分的影响

4.4.3激光能量对KN薄膜物相与成分的影响

4.4.4氧分压对KN薄膜物相与成分的影响

4.4.5 KN薄膜的成分控制

4.5小结

第5章 KLN薄膜的脉冲激光沉积及其性能研究

5.1引言

5.2实验与测试

5.2.1实验原料与过程

5.2.2测试方法

5.3结果与讨论

5.3.1衬底温度对KLN薄膜物相与结构的影响

5.3.2氧分压对KLN薄膜物相与结构的影响

5.3.3激光能量对KLN薄膜微观结构的影响

5.3.4退火处理对KLN薄膜物相与结构的影响

5.3.5 KLN薄膜的光学性能

5.4小结

第6章 结论

参考文献

攻读博士学位期间发表和待发表的学术论文目录

致谢