掺杂对BiTiO-SrBiTiO共生结构铁电、介电和压电性能影响的研究

摘要

本论文以层状钙钛矿结构铁电材料Bi<,4>Ti<,3>O<,12>(BIT)和SrBi<,4>Ti<,4>O<,15>(SBTi)的共生结构(BIT-SBTi)为研究对象，研究A、B位掺杂对材料的晶体结构、铁电、介电和压电性能的影响，分析了掺杂对材料的剩余极化(2P)、矫顽场(E<,c>)和压电系数(d<,33>)的可能影响机制。 BIT-SBTi类钙钛矿层的A位含有两种阳离子：三价的Bis<'3+>和二价的Sr<'2+>，B位是四价的Ti<'4+>。基于传统的固相烧结工艺，制备了用三价的镧系元素离子Nd<'3+>等价掺杂BIT-SBTi的Bi<'3+>位样品和用Ce<'4+>不等价掺杂BIF-SBTi的Bi<'3+>位样品，以及用VA族元素V<'5+>和Nb<'5+>高价掺杂BIT-SBTi共生材料B位的样品。用X射线衍射(XRD)对它们的晶体结构进行了分析，发现掺杂基本未改变材料原来的晶体结构，且样品均呈随机取向。实验结果显示，通过适量的Nd掺杂，样品的铁电性能得到明显改善，在掺杂量为x=0.50时，2P<,r>达到最大值32.3μC·cm<'-2>，比未掺杂时增大了近70％，Nd掺杂对BIT-SBTi的矫顽场E<,c>影响不大，SrBi<,7.50>Nd<,0.50>Ti<,7>O<,27>的E<,c>为103 kV·cm<'-1>，和未掺杂时相比变化不大。在掺杂量大于x=0.50以后，2P，逐渐减小。这种掺杂导致的先增后减的变化规律，是掺杂导致材料中氧空位浓度逐渐降低所产生的积极因素和掺杂导致的晶格畸变程度逐渐减小以及掺杂离子进入(Bi<,2>O<,2>)<'2+>层所带来的消极因素相互竞争与妥协的结果。Nd掺杂使得样品d<,33>先增加后减小，最大值为11 pC·N<'-1>，我们发现在x=0.50时，2P<,r>和d<,33>同时达到最大值，我们进一步给出了这一现象的唯象解释。 在Ce<'4+>高价取代B<'3+>位的样品中，发现了不同的2P<,r>变化规律，在掺杂量低于x=0.6时，2P，从15.2μC·cm<'-2>减小到3.1μC·cm<'-2>；当掺杂量大于x=0.6时，2P，逐渐增大到8.4μC·cm<'-2>。然而矫顽场E<,c>和居里温度T<,c>都呈现先减小后有所增大的趋势。这可能由于Ce离子的变价导致不同的掺杂机制所致。Ce掺杂使得样品压电系数先增加后减小，最大值为16.1 pC·N<'-1>。 在高价阳离子取代B位的研究中，我们发现在v掺杂量为x=0.03的BIT-SBTi样品中，样品的2P，显著增加，从零掺杂量时的19.5μC·cm<'-2>，增加到了29.0μC·cm<'-2>，增加了约50％，E<,c>变化不大。在Nb掺杂量为x=0.06的BIT-SBTi样品中，样品的2P，显著增加，从零掺杂量时的20.0μC·cm<'-2>，增加到了34.9μC·cm<'-2>，增加了约75％，R<,c>变化不大。这说明高价阳离子取代改善了样品的铁电性能。从V掺杂的介温谱来看，V取代没有显著影响样品的居里温度，样品的热稳定性得以保持。钒掺杂使得样品压电系数先增加后减小，最大值为12.2 pC·N<'->。我们认为：这主要是由于在电荷电中性的制约下，高价掺杂抑制了样品中氧空位的浓度，减低了氧空位的动性，使得铁电钉扎现象缓解，因而使得材料铁电性能的得到改善。同时，高价Nb<'5+>掺杂会产生A位空位，也会对材料铁电性能的改善有帮助。当V<'5+>、Nb<'5+>掺杂量逐渐增加时，不断增加的Bi空位会破坏材料晶胞结构的完整性，从而导致材料铁电性能的下降。二者的竞争机制，使得样品的铁电性能呈现先改善后降低的现象。在材料压电系数的测量中也发现先增加后减小的类似规律，这主要归结与样品铁电性能的改善导致压电性能的改善。

目录

第一章绪论

§1.1铁电体物理特性描述

1.1.1铁电体基本概念

1.1.2铁电材料的晶体结构

§1.2铁电材料应用前景

§1.3Bi层状钙钛矿铁电材料的研究现状

1.3.1铁电存储器的性能要求

1.3.2Bi层状钙钛矿的研究现状及存在的问题

1.3.3改进BLSFs性能的主要手段

§1.4本论文工作的目的意义和主要内容

参考文献

第二章样品制备及性能测试

§2.1陶瓷样品的制备

§2.2陶瓷样品性能测试的手段

参考文献

第三章Nd掺杂对共生结构Bi4Ti3O12-SrBi4Ti4O15陶瓷性能的影响

§3.1引言

§3.2样品制备与性能测试

§3.3 Nd掺杂对Bi4Ti3O12-SrBi4Ti4O15陶瓷性能的研究

3.3.1 XRD晶体结构分析

3.3.2铁电性能

3.3.3介电性能

3.3.4压电性能

§3.4本章小结

参考文献

第四章不等价A位掺杂对Bi4Ti3O12-SrBi4Ti4O15陶瓷性能的影响

§4.1引言

§4.2样品制备与性能测试

§4.3结果和讨论

4.3.1 X射线衍射分析

4.3.2 BTC-SBTC-x陶瓷样品的铁电性能

4.3.3 BTC-SBTC-x样品的变温介电谱

4.3.4 BTC-SBTC-x样品的压电性能

§4.4本章小结

参考文献

第五章B位钒掺杂对Bi4Ti3O12-SrBi4Ti4O15陶瓷性能的影响

§5.1引言

§5.2样品制备和性能测试

§5.3结果和讨论

5.3.1晶体结构

5.3.2铁电性能

5.3.3介电性能

5.3.4压电性能

§5.4本章小结

参考文献

第六章B位铌掺杂对Bi4Ti3O12-SrBi4Ti4O15陶瓷性能的影响

§6.1引言

§6.2样品制备和性能测试

§6.3结果和讨论

6.3.1晶体结构

6.3.2铁电性能

6.3.3介电性能

6.3.4压电性能

§6.4本章小结

参考文献

第七章工作总结和展望

§7.1本章小结

§7.2后续工作的展望

研究生期间已发表和待发表的论文

致谢