铋层状光电多功能陶瓷制备与性能研究

摘要

铋层状光电多功能陶瓷因具有较高的居里温度、较低的介电损耗、较好的温度稳定性以及较优异的光致发光特性，被广泛应用在高温、高频光电领域，因此成为国内外科研人员们研究的热点。本文采用传统固相合成法制备了稀土发光离子掺杂的铋层状无铅压电陶瓷，并研究了材料的结构与光电性能，为获得高性能的铋层状光电多功能陶瓷材料奠定了基础。主要研究内容如下： (1). 采用稀土发光离子Eu3+、Ho3+、Sm3+、Pr3+、Er3+掺杂取代SrBi4 Ti4O15 (SBT)中的Bi3+。研究表明，所有的陶瓷均形成了典型的铋层状结构及均一致密的片层状晶粒，同时稀土离子的掺杂提高了陶瓷样品的电学性能和温度稳定性，并赋予陶瓷不同的光致发光特性。其中，Eu3+的掺杂使陶瓷样品在465nm激发下呈现明亮的橙红光，且掺杂量为 0.004 时获得最优的电性能：Tc=524oC，tanδ=0.90%，d33=21pC/N， 2Pr=22.29μC/cm2及较高的高温电阻率和较好的温度稳定性。Ho3+掺杂使样品在451 nm激发下呈现明亮的绿光，且掺杂量为0.008时，陶瓷的电学性能最优：d33=22pC/N、2Pr=28.31μC/cm2、ta nδ=0.87%，且样品的温度稳定性最好。S m3+掺杂使陶瓷在407 nm激发下呈现明亮的橙光，当掺杂量为 0.006 时取得最佳的电学性能：d33=19pC/N、2Pr=22.23μC/cm2。Pr3+掺杂使样品在 450nm 激发下呈现明亮的橙红光，当掺杂量为0.002时，陶瓷的电学性能最佳：d33=20pC/N、2Pr=22.78μC/cm2，同时样品具有较高的高温电阻率和较好的温度稳定性。Er3+掺杂使陶瓷样品在NIR 980nm的激发下呈现明亮的绿光，当掺杂量为 0.008 时，陶瓷的电学性能最优：d33=17pC/N、2Pr=14.92μC/cm2。 (2). 采用稀土发光离子Ho3+、Eu3+掺杂取代SrBi2 Ti2O9 (SBN)中的Sr2+。研究表明，少量的稀土Ho3+离子掺杂使SBN陶瓷相结构的特征峰有向大角度偏移的趋势。且陶瓷的微观形貌均为均一致密的片层状。当掺杂量为0.004时，陶瓷具有较为优异的综合性能(Tc=440oC、2Pr=15.54μC/cm2、d33=19pC/N和ρrd=93.60%)，并且材料伴以较高的高温电阻率和较好的温度稳定性，同时该陶瓷样品在 451nm的激发下呈现明亮的绿光。E u3+离子掺杂尽管对 S BN 陶瓷的相结构和微观形貌影响不大，但提高了陶瓷的相对密度。当x=0.006时，陶瓷具有最大的相对密度(ρrd=92.07%)、优异的电学性能(d33=14pC/N、2Pr=11.97μC/cm2)，以及较好的温度稳定性和较大的高温电阻率。与此同时，稀土Eu3+离子的掺入使得陶瓷样品获得了优异的光致发光特性。 (3).采用(Pr, Ce)复合离子掺杂取代Na0.5Bi4.5Ti4O15(NBT)中的Bi3+。研究表明：当用稀土(Pr, Ce)复合离子掺杂取代NBT中的Bi3+后，陶瓷的物相结构和微观形貌均没有明显的变化。但该陶瓷体系的居里温度、铁电性能均得到了相应的提高。此外，稀土发光 Pr3+的引入使陶瓷体系具有了良好的光致发光特性。在 492nm的激发下，样品呈现的为明亮的红光。

目录

声明

前言

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 压电材料概述

1.3 无铅压电陶瓷的研究现状

1.4 BLSF无铅压电陶瓷的研究进展

1.5 稀土光致发光材料的研究进展

1.6 本课题的研究背景、思路及内容

第二章 实验过程

2.1 陶瓷样品的制备工艺

2.2 陶瓷样品的结构和性能表征

第三章 稀土发光离子掺杂对SB T陶瓷光电性能的影响

3 . 1 稀土Eu3+掺杂对SBT陶瓷光电性能的影响

3 . 2 稀土Ho 3+掺杂对SBT陶瓷光电性能的影响

3 . 3 稀土Sm3+掺杂对SBT陶瓷光电性能的影响

3 . 4 稀土Pr3+掺杂对S BT陶瓷光电性能的影响

3 . 5 稀土Er3+掺杂对S BT陶瓷光电性能的影响

3.6 本章小结

第四章 稀土Ho3+、Eu3+掺杂对SBN陶瓷光电性能的影响

4 . 1 稀土Ho 3+掺杂对SBN陶瓷光电性能的影响

4.2稀土Eu3+掺杂对SBN陶瓷光电性能的影响

4.3 本章小结

第五章 稀土(Pr, Ce)掺杂对NBT陶瓷光电性能的影响

5.1相结构分析

5.2微观结构分析

5.3 介电性能

5.4 铁电性能分析

5.5 光致发光性能

5.6 本章小结

第六章 本论文的主要研究成果及后期工作建议

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 下一步工作建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及申请的专利