模板膜法制备高取向的Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15铁电陶瓷

摘要

铋层状铁电材料(bismuth layer-structured ferroelectrics：BLSFS)具有较低的介电损耗，较高的居里温度和较好的抗疲劳性能而适用在高密度电容器、铁电随机存储器和高温高频铁电压电器件，因此受到材料界的广泛关注。铋层状铁电材料的主要研究对象有SrBi4Ti4O15(SBTi)、Bi4-xLaxTi3O12和SrBi2Ta2O9(SBT)。铋层状铁电材料的化学通式为(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-，其中(Bi2O2)2+为层状结构，(Am-1BmO3m+1)2-为类钙钛矿结构，其结构可以看成是(B2O2)2+层和类钙钛矿层(Am-1BmO3m+1)2-交互生长的结构，A一般为+1，+2或者+3价离子，B为+3，+4或者+5价离子，m为类钙钛矿层(氧八面体BO6)的个数。
　　 SrBi4Ti4O15是一种典型的铋层状钙钛矿结构铁电材料，有着较高的剩余极化强度，较低的矫顽场和较好的抗疲劳性能，但其居里温度(520℃)较低限制了它的应用。随着对高温高频铁电压电器件的关注以及高温应用要求的提高，需要具有较高居里温度的高温高频铁电压电材料。CaBi4Ti4O15是与SrBi4Ti4O15结构相同的铋层状钙钛矿结构铁电材料，其居里温度较高(790℃)。因此，本课题组对SrBi4Ti4O15铁电厚膜进行了Ca2+取代Sr2+的改性研究，实验表明，Ca2+取代量为0.4时，即Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15薄膜样品的铁电性能优良。
　　 为了得到高取向织构化的Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15铁电材料，采用模板晶粒定向技术控制Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15晶粒的生长，用模板膜的晶粒取向来引导块体材料的晶粒高取向生长。本文通过对模板晶粒定向制备织构化的Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15铁电材料，并对相应的作用机理进行了探讨。
　　 为了得到高取向的Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15模板晶粒膜，本论文采用可溶性NaCl作为沉积铁电薄膜的衬底材料，利用NaCl易溶于水的性质剪裁下完整的Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15铁电薄膜。采用溶胶凝胶法于可溶性衬底NaCl上沉积高取向的Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15铁电薄膜，用x射线和扫描电镜对铁电薄膜进行结构和微观形貌的表征。利用晶格参数分析NaCl(100)衬底和Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15薄膜晶格参数有良好的匹配关系。实验结果表明，于NaCl(100)衬底上沉积的Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15铁电薄膜呈现c轴择优取向；制备高取向、无裂纹、连续性的铁电薄膜的条件为：匀胶速度3250r/min、热分解温度450℃、热分解时间180s、退火温度725℃、退火时间300s。
　　 为了制备性能优良的Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15纳米粉体，利用溶胶-凝胶自蔓延燃烧法，通过改变凝胶燃烧时间和退火条件制备了Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15粉体。用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15粉体微观结构和相组成进行了表征，TEM照片显示Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15粉体的晶粒度为150nm。实验结果表明，退火温度为800℃、退火时间为60min时制备的粉体性能优异。
　　 利用固相合成的工艺将剪裁下的纯净的Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15模板膜压入Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15粉体中，制备Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15块体铁电材料。研究模板膜对粉体晶粒的生长的引导作用，深层次的探讨模板膜晶粒定向的机理。实验结果表明高取向的薄膜晶粒能够有效的引导粉体晶粒的织构化生长，有效改善陶瓷块体材料的取向程度。