层状钙钛矿型Bi4-xNdxTi3O12铁电单晶的生长与回线动力学标度研究

摘要

层状钙钛矿型铁电体Bi4Ti3O12居里温度高，自发极化Ps大且靠近a轴，但披金属电极时Bi4Ti3O12铁电薄膜易疲劳，阻碍了其在铁电存储器方面的应用。研究发现，其中Bi被稀土元素部分取代后，即使披金属电极其极化开关耐疲劳，是实现铁电存储器应用的最佳材料之一。为理解稀土元素部分取代Bi对其疲劳特性改善的物理机制，有必要比较研究纯的Bi4Ti3O12和稀土元素部分取代Bi的Bi4Ti3O12单晶的晶体结构、铁电性能、电畴结构与畴界动力学行为。目前文献中很少见到这类单晶的研究报道，因为层状钙钛矿型氧化物沿c轴生长非常缓慢（相对其a-b面的快速生长），生长小薄片状单晶容易，但很难获得较厚的大块单晶。 我们用溶胶-凝胶工艺合成Bi4-xNdxTi3O12(BNdT,x=0,0.5,0.8)超细粉体，采用助溶剂法生长出高质量大块BNdT铁电单晶。本论文先介绍粉体合成与单晶生长工艺，接着讨论Nd含量对BNdT单晶铁电、介电性能和漏电流的影响，最后研究Nd含量对BNdT单晶回线动力学标度的影响。主要结果和结论如下： 1、用溶胶-凝胶工艺合成超细粉体，以Bi2O3为助溶剂，通过缓慢降温生长了大块层状钙钛矿型BNdT铁电单晶。其中，Bi4Ti3O12单晶厚1.14mm，直径4.7cm，如此大尺寸的Bi4Ti3O12单晶未曾见报道。Bi4Ti3O12单晶（006）面和（220）面的摇摆曲线较宽，峰形不对称，表明该单晶不完整，其中一定存在小角晶界。 2、沿a/b轴测量比较了BNdT单晶的室温铁电和介电性能以及漏电流。沿c轴测量比较了BNdT单晶的室温铁电性能和漏电流。结果表明，Bi4Ti3O12单晶沿a/b轴的剩余极化Pr值约为48.1μC/cm。随Nd含量增加，单晶的Pr值减小，介电常数和介电损耗降低，氧空位浓度减小致漏电流下降。 3、室温下BNdT(x=0,0.5,0.8)铁电单晶的回线动力学标度关系分别为∝f-0.1746E02.8933，∝f-0.1982E02.7675和∝f-0.2134E02.6432，表明随Nd含量增加BNdT单晶中的电畴开关（或极化翻转）对外电场频率f依赖性逐渐增强，对强度E0的依赖性逐渐减弱。

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闫绳贤硕士学位论文

20180612082813252_0002