掺杂对PNZST陶瓷非挥发性应变的影响研究

摘要

基于多铁性材料的电磁耦合效应，可以通过铁电材料的应变调控铁磁材料的磁场，其在新型信息存储领域有着很好的应用前景。因此，具备高稳非挥发性应变的铁电材料成为近年来的研究热点。本文采用固相法，制备了不同离子掺杂的Pb0.99Nb0.02[(Zr0.7Sn0.3)0.52Ti0.48]0.98O3（PNZST）陶瓷材料，系统研究了离子掺杂对PNZST陶瓷材料电学性能和非挥发性应变的影响，讨论了内偏置场和非挥发性应变的产生机理。得到的结论主要如下： 以Sb2O5为掺杂剂，采用固相法制备了Sb掺杂的PNZST陶瓷材料。研究了B位Sb施主掺杂对PNZST陶瓷电学性能及非挥发性应变的影响。结果表明，Sb掺杂促进了陶瓷晶粒长大，使陶瓷材料由正交相转变为四方相。陶瓷材料的压电性能和介电性能得到较大幅度的提升，当Sb2O5掺杂量为0.8wt%时表现了较好的电学性能，其d33和εr分别为530pC·N-1和2581.85。但是B位Sb施主掺杂并没有使PNZST陶瓷产生明显的非挥发性应变。 以K2CO3为掺杂剂，制备了A位K掺杂的PNZST陶瓷材料。结果表明，K掺杂同样使陶瓷晶粒增大；并在PNZST晶体中形成了缺陷偶极子，致使陶瓷样品产生了内偏置场和非挥发性应变。随着K含量的增加，非挥发性应变呈现出先增大后减小的趋势。当K2CO3掺杂量为0.8wt%时，获得最大的非挥发性应变，其值为2.57‰。对该非挥发性应变的电场和温度稳定性进行测试，结果表明，陶瓷样品在加载105次交流电场后，非挥发性应变的损失仅为16.7%；当温度低于80℃时，非挥发性应变具有良好的温度稳定性。 采用K2CO3和MnO2对PNZST陶瓷进行共掺杂改性研究。结果表明：K/Mn共掺杂的PNZST陶瓷具备非挥发性应变效应。当Mn含量为0.6wt%时，样品的非挥发性应变随K含量的增加呈现出先增大后减小的趋势。当K2CO3掺杂量为0.4wt%时，非挥发性应变高达3.01‰，高于K单掺或Mn单掺的PNZST陶瓷。同时，制备了(Pb1-2x NaxLax)(Zr0.52Ti0.48)O3(PLNZT)陶瓷材料，研究了Na/La离子对掺杂对PZT陶瓷电学性能及非挥发性应变的影响。研究表明：Na/La等比例共掺杂有效地提高了PZT陶瓷的压电和介电性能。当x=2.5时，其d33和εr达到最大值，分别为296pC·N-1和1232.5。此外，随着Na/La掺杂量的增加，样品的非挥发性应变逐渐减小，表明Na/La掺杂会抑制非挥发性应变的形成。

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