PMN与NBT-BT6弛豫铁电材料机电耦合性能表征

摘要

弛豫铁电材料所具有的压电效应和电致伸缩效应使其在传感器、致动器、俘能器、加速度计、超声马达、伺服器等微机电系统(Micro-electromechanical system, MEMS)中得到广泛应用。MEMS器件中弛豫铁电材料的研究有助于新型功能器件的建模和设计，因此准确表征弛豫铁电材料的机电耦合性能就显得倍加重要。
　　铁电材料的压电俘能具有d31、d33、d15三种不同工作模式。目前，测量铁电材料压电系数的方法主要分为两大类，其原理分别利用了逆压电效应和正压电效应。利用这两种效应测量弛豫铁电材料压电系数d33和d31的方法有很多种，而对于压电系数d15的测量，特别是利用正压电效应的测量方法鲜有报道。铁电材料的电致伸缩效应是一种基本的二次机电耦合效应，通常由感应产生的形变量非常小。目前关于铁电材料电致伸缩性能测试方法的报道较少。近年来在一些弛豫铁电体的研究中(例如铌镁酸铅PMN系铁电体)，研究者发现弛豫铁电体具有良好的电致伸缩性能。但同样作为弛豫铁电体的钛酸铋钠NBT系铁电体，至今很少有关于电致伸缩性能的报道。
　　本文简述了弛豫铁电材料的研究进展和应用背景，然后以两类不同材料的弛豫铁电体为研究对象，分别创建了两种模型测量了弛豫铁电体机电耦合性能。该研究工作对剪切模式压电器件的开发应用以及弛豫铁电材料设计和性能预测具有指导意义。
　　选取商业PMN弛豫铁电体，设计并制作了共面电极结构的d15模式悬臂梁，通过测试悬臂梁电荷与加速度关系最终求得铁电材料d15压电系数；其次利用金属有机物沉积法(MOD)在Pt/Ti/SiO2/Si(100)基底上制备了94(Na0.5Bi0.5)TiO3-6BaTiO3(NBT-BT6)弛豫铁电薄膜并表征其机电耦合性能。
　　(1)针对压电效应的研究，本文基于Timoshenko梁准静态理论和d15模式压电本构关系设计了共面电极结构压电悬臂梁模型。以PMN弛豫铁电陶瓷为实验对象，建立了压电系数、机电耦合系数、输出电荷和加速度的关系表达式，设计了一种利用正压电效应测量铁电材料d15压电系数的方法。其结果与实验和有限元模拟相比验证了模型的正确性。
　　(2)针对电致伸缩效应的研究，本文利用电致伸缩方程以NBT-BT6弛豫铁电薄膜为实验对象，结合铁电薄膜铁电、介电和压电性能来表征其不同退火温度下的电致伸缩性能。具体分析了退火温度对NBT-BT6铁电薄膜电致伸缩性能的影响。

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第1章 绪论

1.1 铁电材料概述

1.2 铁电材料的机电耦合性能研究

1.3 弛豫铁电材料的研究现状

1.4 本论文的选题依据和主要内容

第2章 基于共面电极结构悬臂梁测量PMN压电系数d15的方法

2.1 d15模式共面电极结构悬臂梁机电模型建模

2.2 d15模式共面电极结构悬臂梁设计与制作

2.3 d15模式共面电极结构悬臂梁实验验证

2.4 d15模式共面电极结构悬臂梁有限元验证

2.5 本章小结

第3章 NBT-BT6弛豫铁电薄膜的制备与微结构表征

3.1 MOD法制膜介绍

3.2 MOD法制膜所需的仪器、材料及环境要求

3.3 MOD法制备薄膜过程

3.4 NBT-BT6薄膜的微观结构及形貌表征

3.5 本章小结

第4章 基于电致伸缩方程表征NBT-BT6铁电薄膜机电耦合性能

4.1 NBT-BT6薄膜电致伸缩性能研究方法

4.2 NBT-BT6薄膜的铁电、介电、压电和漏电流性能

4.3 NBT-BT6薄膜的电致伸缩性能

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文