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含铅固溶体具有优异的电性能而得到广泛应用,但铅基材料在制备和使用过程中严重地影响环境及人体健康,研究和开发高性能无铅材料已变得十分迫切。具有AB03钙钛矿结构的BaTiO3(BTO)基无铅材料通过体系设计及工艺优化可实现性能的调控,具有不可限量的发展前景。尤其是锆钛酸钡钙((1-x)Ba(Zr0.2Ti0.8)03-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3,简称(1-x)BZT-xBCT)材料,具有与铅基材料相媲美的压电性能,近年来备受关注。本论文以BTO基薄膜为研究对象,采用sol-gel法制备Zr/Fe单掺的BaTiO3薄膜和Fe/Nb单掺的(1-x)BZT-xBCT薄膜,研究掺杂对其相结构、相变行为和电性能的影响,以期获得相关规律。具体内容和结论如下:(1)首先利用溶胶-凝胶法(sol-gel法)制备BTO基薄膜及(1-x)BZT-xBCT基薄膜,通过研究主要参数(热处理温度、时间和薄膜厚度)对薄膜微观结构和性能的影响,优化了薄膜的生长工艺,获得制备高质量薄膜的最佳工艺条件。(2)在BaTiO3中分别引入Zr、Fe,研究不同掺量对BaTi1-xZrxTiO3(BZT)(0.0≤x≤0.35)薄膜和BaTii-xFexO3(BTFO)(0.0≤x≤0.02)薄膜的结构、相变行为、介电、铁电和压电性能的影响。随着Zr掺量增加,薄膜的相变温度(Tm)逐渐降低,弥散性相变逐渐增强,在x=0.3时表现出典型的弛豫特征。研究发现低Fe掺量影响BaTiO3薄膜的相结构、相变行为和电性能。薄膜的Tm随Fe掺量增加而降低,在x=0.01时呈现独特的“马鞍形”介温峰,认为是由于薄膜具有两种不同的有序结构所致。Fe掺量较低时(如x≤0.01),Fe离子与氧空位形成(FeTi-Vo)缺陷复合体会降低游离氧空位的迁移率,从而使薄膜的介电、铁电和压电性能逐渐增加。x=0.01时薄膜的性能最佳:介电常数(εr)达到934,介电损耗(tanδ)为0.053,剩余极化(Pr)为13.8μC/cm2,压电有效系数(有效d33*)可以达到300pm/V。分别在O2、Air和N2气氛下对BaTi0.99Fe0.01O3薄膜进行最终热处理,研究氧空位浓度对薄膜的结构和电性能的影响。研究表明随着氧空位浓度增加,对畴壁运动的“钉扎”作用增强,且氧空位聚集在界面处使缺陷增多,薄膜的铁电性能下降,漏电流逐渐增大。(3)研究了不同组分对(1-x)BZT-xBCT(0.1≤x≤0.5)薄膜的相结构、相变行为和电性能的影响。随着x增加,薄膜的Tm由30℃提高到60℃,弥散性呈现增强趋势,薄膜在常温下由单一的三方相(R相)结构向四方相-三方相(T-R)两相共存的结构过渡。x=0.3的组成点与相图中的三相点非常接近,呈现出最佳电性能:εr=1340,tanδ=0.05,Pr=12μC/cm2,有效d33*=280pm/V。优良的压电和铁电性能是由于两相共存导致存在较低的能量势垒,促进极化翻转所导致.(4)引入Fe对0.5BZT-0.5BCT-xFe(0.0≤x≤0.02)薄膜进行改性。研究发现0.5BZT-0.5BCT体系由于Fe的引入使正交相(O相)在较宽的温度范围内存在。随着Fe掺量增加,四方相(T)转变为立方相(C)的温度(TT-C)由60℃降低到15℃,弥散性呈增强的趋势,薄膜由两相铁电相(x≤0.002时)共存向三种铁电相(0.005≤x≤0.02时)共存过渡。Fe引入0.5BZT-0.5BCT的缺陷机制与Fe掺杂BaTiO3的相同。在x=0.01时,薄膜具有最佳电性能:εr=1290,tanδ=0.04,Pr=14μC/cm2,有效d33*=496pm/V。这是由于三种铁电相共存使得极化各向异性消失,导致更低的能量势垒,促进极化翻转,从而导致巨大压电效应。(5)通过引入Nb对0.5BZT-0.5BCT-xNb(0.0≤x≤0.025)薄膜进行改性。薄膜室温下均呈现T-R两相共存。随着Nb掺量增加,薄膜的Tm逐渐降低,弥散性逐渐增强,其电性能呈现先增强后减小的趋势。由于少量的Nb掺杂如x=0.002时,两种铁电相共存以及电子补偿作用,有效的提高了 0.5BZT-0.5BCT薄膜的介电、铁电和压电性能。在x=0.002时具有极高的介电性能和优良的压电性能,εr=3556,tanδ=0.062,有效 d33*=448pm/V。