铋层状结构铁电材料组成设计与性能优化

摘要

铋层状材料具有优良的铁电性能，如抗疲劳特性、低的极化反转电压和快的反转时间，能很好达到铁电存储器的要求，而成为FRAM最佳候选材料。同时它具有较高的居里温度、机电耦合系数各向异性明显、低老化率、高电阻率、大的介电击穿强度等特点，因而适合于高温、高频场合使用的压电材料。但单一铋层状材料具有难以实用化的缺点，因此本文系统分析了Am-3Bi4TimO3m+3(m=3、4、5、6)系列材料相应的介电和铁电性能随结构变化的关系。另外，由于铋层状结构材料的压电活性较低，本文通过离子取代措施提高材料的压电活性，以达到提高材料综合性能的目的，对制备高性能且实用性的铁电材料具有一定的指导意义。 采用固相反应法制备了二层铋层状Pb1-xSrxBi2Nb2O9(0≤x≤0.2)和Pb0.8Ba0.2Bi2Nb2O9陶瓷。研究表明，随着Sr2+取代量的增加，晶粒尺寸细化，烧结温度降低了80℃。对Pb0.8Ba0.2Bi2Nb2O9弛豫铁电体采用频率弥散度△Tm、弛豫行为程度△Trelax和弛豫因子γ三个经验参数验证了PBN-Ba0.2材料是弛豫铁电体。本文认为弛豫现象的出现可能是由于Ba2+引入后造成A位离子与Bi2O2层中的Bi3+在微区范围内成分不均匀，离子分布无序引起的。PBN-Ba0.2陶瓷d33值达11pC/N，剩余极化强度2Pr值达到21μC/cm2，表明Ba2+的引入明显提高了PBN材料的压电、铁电性能。 首次制备了Bax(Na0.5Bi0.5)1-xBi4Ti4O15(0.04≤x≤0.1)固溶体系，该体系属于正常铁电体。扫描照片显示样品晶粒结合致密。固溶体系在1kHz～100kHz范围内具有介电常数、介电损耗频率稳定性。Ba2+的引入可拓宽固溶体系的居里温度，同时Ba2+取代量的增加有效提高了样品的室温d33值，最高可达14pC/N。 制备了不同类钙钛矿层数Am-3Bi4TimO3m+3(A=Ca、Ba；m=3、4、5、6)的铋层状结构材料，获得了3、4和5层的单相陶瓷。没有获得6层的Ba3Bi4Ti6O21材料，而是合成了Ba2Bi4Ti5O18与BaTiO3两种组分，通过X射线衍射分析得知铋层状结构占到81.97％，A位加权离子半径过大是Ba3Bi4Ti6O21无法或难以被合成的原因之一。本文对BaBi4Ti4O15和Ba2Bi4Ti5O18出现的介电弥散现象采用随机场理论解释。当m值由3增至5，居里温度逐渐降低，剩余极化强度大小与m值奇偶性有关。Cam-3Bi4TimO3m+3(m=4、5、6)系列陶瓷被证明具有铁电性，介电常数温度特性曲线在室温到650℃之间没有出现异常，因此它们的居里温度应该在650℃以上。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1铋层状材料概述

1.1.1晶体结构

1.1.2自发极化

1.1.3畴结构及极化反转微观过程

1.2铋层状结构材料研究现状

1.2.1 SrBi2Nb2O9基(m=2)

1.2.2 Bi4Ti3O12(BIT)基(m=3)

1.2.3 MBi4Ti4O15基(m=4)

1.2.4 (Na0.5Bi0.5)Bi4Ti4O15基(m=4)

1.3一些典型铋层状结构铁电单晶的特性

1.4铋层状材料应用研究热点

1.4.1铁电储存器

1.4.2压电元器件

1.5课题的提出与研究思路

2实验方案设计与研究方法

2.1实验原料

2.2陶瓷样品的制备

2.2.1陶瓷样品的制备流程

2.2.2实验设备及器材

2.3陶瓷样品的结构和性能测试手段

2.3.1相结构测试

2.3.2扫描电镜照片形貌表征

2.3.3介电温度特性测试

2.3.4介电频率特性测试

2.3.5电阻率及耐压特性测试

2.3.6铁电性能测试

2.3.7压电性能测试

3离子取代对PbBi2Nb2O9基铋层状陶瓷改性研究

3.1 Sr2+取代改性研究

3.1.1 X射线衍射分析

3.1.2扫描电镜分析

3.1.3烧结温度特性研究

3.1.4介电特性研究

3.1.5铁电特性研究

3.1.6小结

3.2 Ba2+取代改性研究

3.2.1 X射线衍射分析

3.2.2室温下PBN-Ba0.2陶瓷介电、压电参数

3.2.3 PBN-Ba0.2陶瓷介电弛豫机制探讨

3.2.4铁电特性研究

3.2.5小结

4 Na0.5Bi4.5Ti4O15基固溶体系相结构与性能优化研究

4.1 BNBT陶瓷X射线衍射分析

4.1.1烧结前X射线衍射结果

4.1.2烧结后X射线衍射结果

4.2 BNBT陶瓷扫描电镜分析

4.3 BNBT陶瓷的介电特性

4.3.1室温下的介电特性

4.3.2介电性能随温度的变化规律

4.4 BNBT陶瓷的压电特性

4.5本章小结

5材料组成对含钛铋层状材料的结构和性能影响

5.1 X射线衍射分析

5.1.1样品的合成机理及XRD图谱标定

5.1.2 m值变化对晶体结构的影响

5.2扫描电镜分析

5.3介电温度特性研究

5.3.1 Cam-3Bi4TimO3m+3(m=3、4、5、6)系列样品的温度特性

5.3.2 Bam-3Bi4TimO3m+3(m=4、5、6)系列样品的温度特性

5.3.3基于随机场理论对弥散特征的讨论

5.3.4居里温度随m值变化的机理研究

5.4频率对系列样品介电特性的影响

5.5系列样品的铁电特性

5.6本章小结

6结论

6.1全文工作总结

6.2主要创新点

6.3展望

致谢

参考文献

附录