弛豫铁电陶瓷PMN-PT的拉曼光谱研究

摘要

铌镁酸铅(PMN)基弛豫铁电体，具有高介电常数、大电致伸缩效应、高压电性能等优异特性，在机械、电子、军事和高科技等领域具有广泛应用，有关其结构与性能研究引起人们广泛关注。PMN-PT二元体系作为PMN基弛豫铁电陶瓷的典型代表，其弛豫行为的变化机制一直是人们研究的热点。 本文主要依据XRD，介电温谱，铁电回线和拉曼光谱等测试方法，分别研究了PT含量，烧结温度，退火温度对于PMN-PT二元体系微结构和弛豫性的影响。研究发现随PT含量的增加，体系相结构变化呈现三方相——准同型相界——四方相转变趋势。介电温谱测试表明弛豫性在准同型相界(PT含量为0.32)时最强，继续增加PT含量，弛豫性又有降低的趋势。准同型相界出现高的弛豫特性可归因于多相共存结构导致畴结构复杂化，形成新的有序纳米微畴，引起MPB组成弛豫性明显增强。应用Raman光谱对弛豫性的变化规律进行验证，依据相关谱峰与微结构的关联性分析证明弛豫性在MPB处呈现明显升高的趋势，与介电温谱分析结果一致。 对烧结温度与材料性能关系的研究发现当烧结温度由1000℃逐渐升高到1250℃时，PMN-35PT陶瓷结构由三方相向四方相转变。通过SEM结果分析认为温度升高引起晶粒尺寸增大，有效释放了内应力，这是相结构变化的主要原因。介电温谱显示当烧结温度从1000℃增加到1150℃时，弛豫性显著降低；当烧结温度高于1200℃时，由于Pb空位的形成，弥散因子γ又逐渐增大。拉曼光谱A1g模的相对强度随不同烧结温度发生变化，分析其变化趋势表明相结构由三方相向四方相转变，与XRD结果一致。此外，Nb-O-Mg与Nb-O-Nb键相对强度反应了材料微结构的有序性，其相对强度变化趋势与介电谱一致，验证了弛豫性的变化规律。 进一步对PMN-35PT陶瓷进行退火研究，结果表明退火后相结构逐渐由三方相向四方相转变。退火后，陶瓷的介电性能提高，弛豫性逐渐降低。介电常数在Tm附近提高最为明显。退火机理分析表明，退火可以促进材料内部微区分布的均匀化，消除应力、缺陷和晶界层，有利于畴壁的移动和极性微区模糊界面呼吸运动。此外，退火引起的应力释放导致介电弛豫性的降低。通过研究不同退火条件下的拉曼光谱，发现A1g模的相对强度I740/I800随退火温度逐渐减小，验证了相结构的转变，而Nb-O-Mg与Nb-O-Nb的强度变化和铁电回线的矩形度Rsq变化证实了退火能够引起的弛豫性的降低。