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文檔簡介
1、鐵電材料在傳感器、驅(qū)動器、超聲波換能器、諧振器、非揮發(fā)性存儲器、電容器等各種電子元件方面有著廣泛的應(yīng)用,隨著科技的發(fā)展,對材料的使用條件提出了更高的要求,越來越多的電子器件在高溫環(huán)境下使用,由于傳統(tǒng)鉛基材料使用溫度低,驅(qū)動電壓大,污染環(huán)境,目前對鐵電材料的研究主要集中在鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料。
相比于其它鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料,Sr2Bi4Ti5O18(SBT)具有較低的矯頑場、老化率低、電阻率高、溫度穩(wěn)定性好,但是其剩余極化強(qiáng)度
2、和居里溫度較低,尚不能取代目前工業(yè)上廣泛使用的鉛基材料。目前對SBT的研究多集中在鐵電和壓電性方面,而鐵電和壓電性的研究不能直觀反映出引起材料導(dǎo)電和弛豫的機(jī)制,通過對其介電特性的研究,揭示缺陷和導(dǎo)電、弛豫及鐵電性能的內(nèi)在聯(lián)系,這對于指導(dǎo)并優(yōu)化鐵電性能具有重要的指導(dǎo)意義。
本論文以SBT為研究對象,研究了Ca取代對SBT鐵電陶瓷性能的影響,通過對不同氣氛燒結(jié)制備的CaxSr2-xBi4Ti5O18(CSBT)鐵電陶瓷介電特性的研
3、究,發(fā)現(xiàn)改善性能的有效方法,闡明了導(dǎo)電和弛豫機(jī)制及漏電機(jī)理。BiFeO3(BFO)具有較大的漏電流,而SBT的(Bi2O2)2+層具有絕緣和空間電荷庫的雙重作用,將BFO插入SBT中形成單相多鐵材料,通過對其性能的研究,探討引起導(dǎo)電和漏電的機(jī)制對于指導(dǎo)多鐵材料的設(shè)計(jì)具有重要的理論意義,為發(fā)展多鐵功能器件提供了新的思路,具體研究成果如下:
(1)用自蔓延燒結(jié)法制備出納米級、分散性好的SBT和Ca2Bi4Ti5O18(CBT)粉體
4、,確定了SBT和CBT鐵電陶瓷的最佳燒結(jié)溫度,SBT鐵電陶瓷顯示出較高的剩余極化強(qiáng)度和較低的居里溫度,而CBT鐵電陶瓷具有較小的剩余極化強(qiáng)度和較高的居里溫度。氧氣氣氛燒結(jié)SBT樣品具有較高的電導(dǎo)激活能,主要原因是氧氣氣氛燒結(jié)樣品中缺陷相對較少。
(2)研究了Ca取代對SBT鐵電陶瓷性能的影響,確定了最佳取代量,拉曼光譜分析證實(shí)了,Ca取代對(Bi2O2)2+層沒有影響,施加電場為100kV/cm,取代量為0.15的CSBT鐵電
5、陶瓷具有最優(yōu)的鐵電性能,剩余極化強(qiáng)度2Pr=17.7μC/cm2,矯頑場強(qiáng)2Ec=91kV/cm,居里溫度Tc=310℃,漏電流密度J=1.1×10-6A/cm2。
(3)研究了燒結(jié)氣氛對CSBT鐵電陶瓷性能的影響,在高溫區(qū)域(180-480℃),燒結(jié)氣氛對激活能(弛豫和電導(dǎo))影響較大,形成的電導(dǎo)和弛豫主要是由氧空位的熱運(yùn)動形成的;在低溫區(qū)域(30-180℃),燒結(jié)氣氛對激活能的影響較小,形成的電導(dǎo)來源于氧空位的一級電離產(chǎn)生的
6、電子,弛豫是由弱束縛電子的松弛極化形成的。C SBT-0.15陶瓷樣品在0-15kV/cm符合由熱激發(fā)電子主導(dǎo)的歐姆傳導(dǎo)機(jī)制,在15-30 kV/cm符合氧空位主導(dǎo)的空間電荷限制傳導(dǎo)機(jī)制,氮?dú)鈿夥諢Y(jié)樣品在25-50 kV/cm符合肖特基發(fā)射傳導(dǎo)機(jī)制。
(4)Nd摻雜可以改善CSBT-0.15鐵電陶瓷的鐵電性能,當(dāng)取代量為0.05時(shí),顯示出最優(yōu)的鐵電性能,隨著摻雜量的增加,樣品居里溫度線性單調(diào)降低,介電峰逐漸變低且逐漸寬化,表
7、現(xiàn)出彌散相變的特點(diǎn)。Bi4Ti3O12(BT)和CSBT-0.15只能形成吉布斯自由能較低的4層CSBT-4結(jié)構(gòu),而不能形成共生結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出的弛豫性是由A位離子的無序分布造成的。
(5)BFO作為插層插入SBT類鈣鈦礦層中形成復(fù)合的6層鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu),SBTF相比于SBT具有較大的結(jié)構(gòu)畸變,施加125kV/cm的電場時(shí)可得到較為飽和的電滯回線,剩余極化強(qiáng)度和矯頑場強(qiáng)分別為:2Pr=20.5μC/cm2和2Ec=128kV/c
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