稀土摻雜的鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)、鐵電、壓電及熒光性能研究.pdf

1、壓電陶瓷材料是一類非常重要的功能材料，在制動(dòng)器、換能器、濾波器等方面都有廣泛應(yīng)用。但是，目前使用最多的是鉛基壓電陶瓷，眾所周知，鉛基壓電陶瓷材料中含有強(qiáng)毒性的氧化鉛，在其制備生產(chǎn)、使用及廢棄處理過程中，都會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境及人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。因此，近年來，越來越多的科研工作者們致力于發(fā)展和研究高性能的無鉛壓電材料，以替代傳統(tǒng)鉛基陶瓷。鈦酸鉍鈉（Bi0.5Na0.5TiO3）陶瓷因具有良好的鐵電性和高的居里溫度被譽(yù)為最有希望替代鉛基陶瓷的

2、材料體系，但同時(shí)高的矯頑場(chǎng)使得其極化變得困難，因而壓電性能較差。另一方面，隨著科技發(fā)展的日新月異，器件朝著微型化和多功能化發(fā)展。近年來，稀土摻雜的鐵電-熒光多功能材料受到廣泛關(guān)注。本文將稀土離子引入Bi05Na05TiO3基材料中形成了0.94(Bi1-xDyx)0.5Na0.5TiO3-0.06BaTiO3、0.94(Bi1-xSmxNa)05TiO3-0.06BaTiO3、(Bi1-xTmx)0.5(Na0.85K0.15)0.5T

3、iO3陶瓷體系，重點(diǎn)研究了稀土摻雜對(duì)BNT基鈣鈦礦材料鐵電、壓電和熒光性能的影響。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)采用傳統(tǒng)固相法成功制備了0.94(Bi1-xDyx)0.5Na0.5TiO3-0.06BaTiO3(x=0，0.005，0.010，0.015，0.020，0.025和0.030)陶瓷樣品，系統(tǒng)研究了組分對(duì)陶瓷鐵電、壓電和熒光性能的影響。所有陶瓷樣品均為純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，且形成了三方相和四方相的準(zhǔn)同型相界(MPB)。

4、部分Dy3+取代Bi3+顯著增強(qiáng)了材料的壓電性能。在x=0.025時(shí)，材料獲得最優(yōu)的壓電性能:d33=190pC/N，kP=37.2％。添加Dy3+之后誘導(dǎo)出了材料的熒光性能，在478 nm附近發(fā)藍(lán)光，575 nm附近發(fā)黃光，分別對(duì)應(yīng)Dy3+的4F9/2→6H15/2和4F9/2→6H13/2的Dy3+躍遷。在x=0.025時(shí)，陶瓷的熒光性能最優(yōu)。研究結(jié)果顯示出，當(dāng)Dy3+摻雜量為2.5 mol％時(shí)，能獲得了最佳的壓電性能，強(qiáng)的鐵電性能

5、和優(yōu)異的熒光性能。
　　(2)采用傳統(tǒng)固相法制備了0.94(Bi1-xSmxNa)05TiO3-0.06BaTiO3(x=0-0.05)無鉛壓電陶瓷，系統(tǒng)研究了材料的結(jié)構(gòu)、壓電、鐵電和熒光性能。所有的的陶瓷具有良好的致密性。陶瓷樣品均為純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，且為三方相和四方相共存。在少量摻雜Sm3+(x≤0.035)后，陶瓷壓電性能得到強(qiáng)化，d33由147 pC/N增加至172pC/N，然而，過量的Sm3+(x=0.035-0.05)則

6、會(huì)劣化其壓電性能，d33由172 pC/N逐步減少至18 pC/N。在406 nm激發(fā)波長(zhǎng)下，陶瓷顯示出三個(gè)明顯的發(fā)射峰，分別位于563 nm(4G5/2→6H5/2)，597 nm(4G5/2→6H7/2)和645 nm(4G5/2→6H9/2)。在564 nm發(fā)射波長(zhǎng)下，能得到Sm3+的5個(gè)激發(fā)峰位于407，420，464，440和479 nm處，分別對(duì)應(yīng)Sm3+的6H5/2→4F7/2，6H5/2→(6P,4P)5/2，6H5/2

7、→4G9/2，6H5/2→4I11/2,13/2和6H5/2→4M15/2能級(jí)躍遷。其中，4G5/2→6H5/2和6H5/2→4F7/2對(duì)應(yīng)的發(fā)射峰強(qiáng)度隨著x的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在x=0.035時(shí)，材料顯示出最優(yōu)的熒光性能。材料的平均衰減時(shí)間τav隨著x的增大由1.0869 ms減少至0.7850 ms。
　　(3)采用傳統(tǒng)固相法制備了(Bi1-xTmx)0.5(Na0.85K0.15)0.5TiO3無鉛壓電陶瓷，研究了

8、Tm3+摻雜量對(duì)其結(jié)構(gòu)、鐵電性、壓電性和上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能的影響。所有陶瓷均為純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，且Tm3+固溶進(jìn)了Bi0.5(Na0.85K0.15)0.5TiO3的晶格中形成了均一均勻的固溶體，陶瓷存在三方-四方的準(zhǔn)同型相界。Tm3+的摻雜使得陶瓷的粒徑發(fā)生明顯的變化，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)x逐漸增加至0.08時(shí)，陶瓷的矯頑場(chǎng)Ec從4.10 kV/mm逐漸減小至0.98 kV/mm，鐵電性能得到強(qiáng)化。在摻雜少量的Tm3+后，陶瓷的壓電性