NaCl襯底上鐵電薄膜的制備及鐵電陶瓷織構(gòu)化的研究.pdf

1、鉍層狀類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電材料(BismuthLayer-StructuredFerroelectrics，簡(jiǎn)稱BLSFs)因其優(yōu)良的鐵電性能和環(huán)境友好性而得到了廣泛的研究。其通式為(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-，結(jié)構(gòu)可以看作由(Bi2O2)2+層和(Am-1BmO3m+1)2-層在c軸方向上交替共生而成，其中m為(Bi2O2)2+層之間類鈣鈦礦層的個(gè)數(shù)。相對(duì)于鉍層狀類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電材料，多鐵性材料BiFeO3（簡(jiǎn)稱BFO

2、）是從立方結(jié)構(gòu)沿著[111]方向拉伸形成的，是扭曲了的三角鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，BFO由于缺少中心對(duì)稱性，具有較大的原子間相對(duì)位移，因此理論上具有相對(duì)較高的自發(fā)極化值。與鉍層狀類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電材料一樣，多鐵性材料BFO具有優(yōu)異的鐵電性能，是一種頗有發(fā)展前景的鐵電材料。
　　 BLSFs和BFO盡管結(jié)構(gòu)和組成不同，但是有共同的特點(diǎn):鐵電性能都依賴于材料晶粒某一個(gè)取向的擇優(yōu)生長。本研究采用溶膠凝膠法，從前驅(qū)體的配制、旋涂和退火處理等方面入手，

3、通過優(yōu)化工藝參數(shù)提高薄膜的擇優(yōu)取向，以期提高其鐵電性能。此外，模板晶粒生長法[templatedgraingrowth(TGG)]也是一種優(yōu)化塊體材料晶粒取向生長的有效方法。它通過具有擇優(yōu)取向的晶粒誘導(dǎo)，使原本取向雜亂無章的陶瓷晶粒定向有序排列，即實(shí)現(xiàn)織構(gòu)化，大大提高其電學(xué)性能。因此，本研究選用可溶性NaCl為襯底，在其上沉積擇優(yōu)取向的厚度為μm級(jí)的鐵電薄膜，以取下的薄膜為模板膜，與粉體一起壓制成型，誘導(dǎo)鐵電陶瓷織構(gòu)化，從而提高BLSF

4、s和BFO陶瓷塊狀材料的擇優(yōu)取向。
　　 首先，研究了NaCl的有關(guān)物理參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行表征與分析。通過XRD測(cè)試NaCl為(100)取向，結(jié)晶程度良好，利于薄膜的外延生長;SEM顯微照片顯示其表面均勻平整，便于薄膜的均勻涂覆;結(jié)合CSBT及BFO的物理性質(zhì)，兩者與NaCl襯底的晶格失配度分別為3.91％和0.178％，屬于完全共格界面，而且熱膨脹系數(shù)在同一數(shù)量級(jí)，應(yīng)力較小。分析結(jié)果表明:利用溶膠-凝膠法在NaCl表面沉積鐵電薄膜

5、是可行的。
　　 其次，探討了NaCl襯底上沉積a軸擇優(yōu)取向的CSBT鐵電薄膜的制備工藝。討論勻膠速度、預(yù)處理溫度、退火溫度及退火時(shí)間對(duì)擇優(yōu)取向CSBT鐵電薄膜相結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)及內(nèi)應(yīng)力的影響，得到了本配方制備a軸擇優(yōu)模板膜的最佳工藝:勻膠速度為2500r/min，熱解溫度為350℃，退火溫度為700℃，退火時(shí)間為300s。通過AFM觀察，得出最佳工藝條件下制備的CSBT薄膜晶粒多為球形，直徑平均為100nm左右，粗糙度約1.75

6、nm。同時(shí)對(duì)CSBT薄膜斷面進(jìn)行SEM觀察，測(cè)算出所沉積CSBT薄膜的厚度為175μm左右。
　　 第三，研究了CSBT薄膜作為模板膜的引導(dǎo)作用。將在NaCl襯底上得到的模板膜與粉體一起壓制成型，通過燒結(jié)，得到CSBT陶瓷塊體。研究發(fā)現(xiàn):引入CSBT模板膜后，鐵電塊體的a軸擇優(yōu)度提高，半峰寬減小，球形晶粒數(shù)量有所增加，這是模板膜誘導(dǎo)作用成功的證明。
　　 第四，探討了NaCl襯底上BFO薄膜的制備工藝。由于NaCl的安全

7、使用溫度低，所以選擇結(jié)晶溫度較低的BFO為研究對(duì)象，進(jìn)行了模板膜制備工藝的研究。首先通過差熱分析得到其結(jié)晶熱處理溫度范圍，然后在NaCl襯底上制備BFO薄膜，研究了BFO鐵電薄膜相結(jié)構(gòu)隨溶液濃度、勻膠速度和退火溫度的變化規(guī)律，得出a軸擇優(yōu)BFO鐵電薄膜的最佳制備工藝:前軀體濃度為0.3mol/L，勻膠速度為4000r/min，退火溫度為400℃。SEM結(jié)果表明，在最佳工藝條件下制備的BFO薄膜表面平整、無裂紋，晶粒生長較為均勻致密，且晶