脉冲激光沉积法制备BiInO3--PbTiO3高温压电薄膜

摘要

汽车、航天航空等现代工业领域需要能用于高温下的压电材料来做传感器和驱动器。准同型相界(MPB)组分的锆钛酸铅(PZT)因其居里温度高达约386℃而被广泛应用。通常情况下，压电材料的实际工作温度低于其居里温度的一半，所以，PZT材料很难在200℃以上的温度下工作。根据钙钛矿材料的容限因子(t)与居里温度（Tc）的关系，研究人员开始关注一种基于钛酸铅(PbTiO3，PT)和含Bi元素的钙钛矿材料的固溶体材料。在上述这种材料体系Bi(Me)O3-PbTiO3中，Me为Sc，In，Y，Yb等元素。因为BiScO3具有较小的容限因子t=0.907，所以BiScO3-PbTiO3(BS-PT)体系的陶瓷和薄膜材料得到了人们的广泛关注和研究。但是Sc元素高昂的价格阻碍了这一体系在实际中的应用。而另一种材料进入研究人员的视野，那就是xBiInO3-(1-x)PbTiO3(xBI-PT)体系。因为此材料中In元素的价格比Sc便宜，而且BiInO3具有更小的容限因子t=0.884。 然而，到目前为止，文献中仅仅报道了脉冲激光沉积法(PLD)法制备的15BI-PT的薄膜材料的铁电、介电和压电性能。PLD法制备的其他组分的xBI-PT-尚未见报道。同时无论是陶瓷还是薄膜在x≥0.20组分的xBI-PT材料的铁电、介电和压电性能都没有报道。这主要是因为当x大于0.15时，xBI-PT材料的热力学结构稳定性较差。目前情况下，对于xBI-PT材料的MPB尚存在不同的观点:密度泛函理论的计算结果表明xBI-PT的MPB可能在x=0.33附近;而实际的实验结果表明MPB可能在0.05≤x≤0.15范围内。因此，在本论文中我们在更宽的BI含量范围内制备出xBI-PT薄膜，并系统表征其铁电、压电和介电性能，这将有助于增加我们对该材料体系的认识。具体结果如下: 采用PLD法制备了0.20BiInO3-0.80PbTiO3(20BI-PT)高温压电薄膜，并与0.15BiInO3-0.85PbTiO3(15BI-PT)样品进行了比较研究。X射线衍射谱显示，20BI-PT样品(100)峰出现了明显的劈裂，显示样品具有更高的四方对称性。扫描电镜图显示，20BI-PT样品中出现了部分(111)取向的三角形晶粒。20BI-PT样品的铁电剩余极化(Pr)为～28μC/cm2，矫顽场（Ec）为～120 kV/cm，相较15BI-PT样品，Pr略有增加，但同时Ec也有增加。20BI-PT样品的横向压电系数(e31,f)约为-4.7±0.6 C/m2，和15BI-PT相比几乎一样。介电温度谱显示，20BI-PT样品的居里温度比15BI-PT增加了约30℃，达590℃，且介电峰没有明显的频率依赖性。Rayleigh分析显示，20BI-PT样品中内在本征因素及可翻转畴对介电非线性的贡献和15BI-PT基本相同，但是外在因素的贡献没有15BI-PT的贡献大，这可能和20BI-PT样品中晶粒(111)相对取向率较高有关。 采用PLD法制备了四个组分的高温压电薄膜xBiInO3-(1-x)PbTiO3(xBI-PT，x=0.15，0.20，0.25，0.35)。X射线衍射谱显示，四个样品均呈(001)取向的单相钙钛矿结构特征。随着x的增加，xBI-PT样品中(111)相对取向率逐步增加。20BI-PT样品相对于15BI-PT样品，其剩余极化(Pr)略有增加的同时，也增加了矫顽场（Ec）;25BI-PT的Pr相对于15BI-PT略有减小。在～700 kV/cm外场下，对于15BI-PT，Pr和Ec分别为～24μC/cm2和～93kV/cm;对于20BI-PT，Pr为～28μC/cm2，Ec为～125 kV/cm。随着x的增加，样品的居里温度逐渐增加，在25BI-PT时，已经高达621℃。15BI-PT样品中外在因素对介电非线性的贡献要大于20BI-PT和25BI-PT样品。这和材料中晶粒的(111)相对取向率有关。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 压电材料

1．2．1 压电材料的基本概念

1．2．2 压电材料的铁电体

1．3 压电薄膜

1．3．1 压电薄膜的基本概念

1．3．2 压电薄膜的应用

1．4 压电薄膜的微观结构

1．4．1 压电薄膜的晶体结构

1．4．2 压电薄膜的电畴

1．4．3 压电薄膜的厚度

1．5 压电薄膜的性能

1．5．1 压电薄膜的一般参数

1．5．2 压电薄膜的铁电相变

1．5．3 压电薄膜的压电响应

1．5．4 压电薄膜的缓冲层

1．6 PZT压电薄膜

1．7 Bi(Me)O3-PbTiO3体系研究现状

1．7 本论文的研究目标和内容

1．7．1 本论文的研究目标

1．7．2 本论文的研究内容

参考文献

第二章 样品制备和表征测试方法

2．1 样品的制备

2．1．1 固相烧结法

2．1．2 溶胶-凝胶法

2．1．3 脉冲激光法制备薄膜

2．2 表征测试方法

2．2．1 XRD物相分析

2．2．2 FE-SEM场发射扫描电镜

2．2．3 铁电测量

2．2．4 压电测量

2．2．5 介电测量

参考文献

第三章 PLD法制备高温压电薄膜0.20BiInO3-0.80PbTiO3

3．1 引言

3．2 样品的制备及性能表征方法

3．3 测试结果及分析

3．3．1 XRD晶体结构分析

3．3．2 薄膜的表面形貌和断面图

3．3．3 铁电性能和横向压电系数

3．3．4 介电性能

3．3．5 介电非线性分析

3．4 本章小结

参考文献

第四章 高温压电薄膜xBiInO3-(1-x)PbTiO3的性能研究

4．1 引言

4．2 样品的制备及性能表征方法

4．3 测试结果及分析

4．3．1 XRD晶体结构分析

4．3．2 薄膜的表面形貌和断面图

4．3．3 铁电性能和横向压电系数

4．3．4 介电性能

4．3．5 介电非线性分析

4．4 本章小结

参考文献

第五章 工作总结和研究展望

5．1 工作总结

5．2 后续工作展望

硕士期间已发表文章

致谢

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