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钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3,简写BNT)基陶瓷是一类非常重要的无铅压电陶瓷，因其优异的介电性能、压电性能和机电性能被广泛应用于电子器件中。近十几年来，科研人员对BNT基无铅压电陶瓷进行了大量的研究，发现材料在准同型相界(MPB)附近表现出优异的压电、电致应变性能。此外，随着高新技术的发展，近些年来对光电多功能材料的研究也愈发活跃。针对传统的压电铁电材料，探索其光电多功能特性已成为研究热点。研究发现稀土离子掺杂是压电铁电材料获得光学性能的主要途径。本文选取MPB组分0.935Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3(BNT-0.065BT)为基体材料，以稀土发光组元为改性剂，采用传统的陶瓷制备工艺制备了多功能BNT基无铅压电陶瓷，研究了掺杂不同稀土组元及不同掺杂浓度对BNT基陶瓷材料的相结构、微观结构以及光电性能的影响。主要研究内容如下：
1.分别系统研究了Sm/Sb和Pr/Sb共掺对BNT-0.065BT陶瓷的结构和光电性能的影响。结果表明：两个体系的所有样品均表现出纯钙钛矿结构，并形成了均匀的显微形貌。在(Bi0.5Na0.5)0.935-xSmxBa0.065Ti1-xSbxO3(BNT-0.065BT-xSmSb)陶瓷体系中，Sm/Sb的掺杂诱导BNT-0.065BT材料由铁电相转变为遍历弛豫相，表现出优异的电致应变性能，当x=0.004时，材料的单向应变为0.31%(70kV/cm)，相当于大信号压电常数d33*(Smax/Emax)为443pm/V。此外，光致发光性能研究表明，BNT-0.065BT-xSmSb陶瓷在407nm波长光的激发下呈现明亮的橙红色发光，发光强度随着Sm/Sb掺杂浓度的增加而增大。(Bi0.5Na0.5)0.935-xPrxBa0.065Ti1-xSbxO3(BNT-0.065BT-xPrSb)陶瓷体系同样也表现出优异的光电性能，研究发现，该材料体系在450nm的光激发下观察到位于610nm波长的强红色发射和位于660nm波长的弱红色发射。该体系陶瓷除了优异的光致发光特性外，还表现出优异的电致应变性能。当x=0.001时，在70kV/cm的驱动场下可获得0.31%的大电致应变。
2.研究了类钙钛矿复合氧化物SrXAlO4(X=Pr、Sm、Eu)对BNT-0.065BT陶瓷的结构和光电性能的影响。掺杂SrXAlO4(X=Pr、Sm、Eu)后的陶瓷均形成纯的钙钛矿结构，随着SrXAlO4(X=Pr、Sm、Eu)含量的增加，陶瓷的相结构由三方-四方共存结构逐渐转变为赝立方相结构。同时SrXAlO4(X=Pr、Sm、Eu)的加入诱导BNT-0.065BT材料由铁电相转变为遍历弛豫相，表现为铁电长程有序性的破坏。这部分的研究主要获得的实验结果如下：(1)当SrPrAlO4掺杂浓度为0.012时，可获得0.35%(70kV/cm)的大电致应变，约合d33*为500pm/V，同时材料表现出优良的抗疲劳性能。此外，SrPrAlO4改性的陶瓷在450nm波长光的激发下呈现橙红色发光。(2)SrSmAlO4掺杂的BNT-0.065BT陶瓷样品在掺杂量为0.012时，单向应变达0.41%(80kV/cm)，对应d33*为512pm/V。该组分下，材料表现出最优的光致发光性能：在波长407nm的蓝光激发下，材料表现出强烈的橙红色发光。(3)SrEuAlO4掺杂量为0.012时，获得0.38%的电致应变响应(70kV/cm，d33*=548pm/V)，由于稀土离子Eu3+的存在，使得材料在526nm绿光激发下呈现强烈的橙色发光，且该组分下的材料表现出最强的发射峰。
3.系统研究了双钙钛矿结构钴基氧化物LnBaCo2O5+δ(Ln=Sm,Eu)掺杂对BNT-0.065BT陶瓷的相结构和铁电性能的影响。研究发现LnBaCo2O5+δ(Ln=Sm,Eu)完全融入到BNT-0.065BT陶瓷中，呈现出纯的钙钛矿结构。LnBaCo2O5+δ(Ln=Sm,Eu)的加入破坏了BNT-0.065BT陶瓷的铁电有序性，促使陶瓷由铁电相向弛豫相转变，表现为剩余极化强度、矫顽场和负向应变的减小，并且伴随芽状双向应变曲线的出现。当SmBaCo2O5+δ掺杂量为0.012时，单向应变值为0.27%，约合d33*为386pm/V；当EuBaCo2O5+δ掺杂量为0.012时，单向应变值达0.35%，约合d33*为500pm/V。此外，两个材料体系均没有得到明显的发光特征，这是由于Co3+离子光猝灭的效应引起的，Co3+离子与发光中心Sm3+/Eu3+离子之间发生双原子碰撞后，导致激发态的Sm3+/Eu3+把能量释放到外界环境，以无辐射的形式跃迁回到基态，从而导致光的猝灭。
1.分别系统研究了Sm/Sb和Pr/Sb共掺对BNT-0.065BT陶瓷的结构和光电性能的影响。结果表明：两个体系的所有样品均表现出纯钙钛矿结构，并形成了均匀的显微形貌。在(Bi0.5Na0.5)0.935-xSmxBa0.065Ti1-xSbxO3(BNT-0.065BT-xSmSb)陶瓷体系中，Sm/Sb的掺杂诱导BNT-0.065BT材料由铁电相转变为遍历弛豫相，表现出优异的电致应变性能，当x=0.004时，材料的单向应变为0.31%(70kV/cm)，相当于大信号压电常数d33*(Smax/Emax)为443pm/V。此外，光致发光性能研究表明，BNT-0.065BT-xSmSb陶瓷在407nm波长光的激发下呈现明亮的橙红色发光，发光强度随着Sm/Sb掺杂浓度的增加而增大。(Bi0.5Na0.5)0.935-xPrxBa0.065Ti1-xSbxO3(BNT-0.065BT-xPrSb)陶瓷体系同样也表现出优异的光电性能，研究发现，该材料体系在450nm的光激发下观察到位于610nm波长的强红色发射和位于660nm波长的弱红色发射。该体系陶瓷除了优异的光致发光特性外，还表现出优异的电致应变性能。当x=0.001时，在70kV/cm的驱动场下可获得0.31%的大电致应变。
2.研究了类钙钛矿复合氧化物SrXAlO4(X=Pr、Sm、Eu)对BNT-0.065BT陶瓷的结构和光电性能的影响。掺杂SrXAlO4(X=Pr、Sm、Eu)后的陶瓷均形成纯的钙钛矿结构，随着SrXAlO4(X=Pr、Sm、Eu)含量的增加，陶瓷的相结构由三方-四方共存结构逐渐转变为赝立方相结构。同时SrXAlO4(X=Pr、Sm、Eu)的加入诱导BNT-0.065BT材料由铁电相转变为遍历弛豫相，表现为铁电长程有序性的破坏。这部分的研究主要获得的实验结果如下：(1)当SrPrAlO4掺杂浓度为0.012时，可获得0.35%(70kV/cm)的大电致应变，约合d33*为500pm/V，同时材料表现出优良的抗疲劳性能。此外，SrPrAlO4改性的陶瓷在450nm波长光的激发下呈现橙红色发光。(2)SrSmAlO4掺杂的BNT-0.065BT陶瓷样品在掺杂量为0.012时，单向应变达0.41%(80kV/cm)，对应d33*为512pm/V。该组分下，材料表现出最优的光致发光性能：在波长407nm的蓝光激发下，材料表现出强烈的橙红色发光。(3)SrEuAlO4掺杂量为0.012时，获得0.38%的电致应变响应(70kV/cm，d33*=548pm/V)，由于稀土离子Eu3+的存在，使得材料在526nm绿光激发下呈现强烈的橙色发光，且该组分下的材料表现出最强的发射峰。
3.系统研究了双钙钛矿结构钴基氧化物LnBaCo2O5+δ(Ln=Sm,Eu)掺杂对BNT-0.065BT陶瓷的相结构和铁电性能的影响。研究发现LnBaCo2O5+δ(Ln=Sm,Eu)完全融入到BNT-0.065BT陶瓷中，呈现出纯的钙钛矿结构。LnBaCo2O5+δ(Ln=Sm,Eu)的加入破坏了BNT-0.065BT陶瓷的铁电有序性，促使陶瓷由铁电相向弛豫相转变，表现为剩余极化强度、矫顽场和负向应变的减小，并且伴随芽状双向应变曲线的出现。当SmBaCo2O5+δ掺杂量为0.012时，单向应变值为0.27%，约合d33*为386pm/V；当EuBaCo2O5+δ掺杂量为0.012时，单向应变值达0.35%，约合d33*为500pm/V。此外，两个材料体系均没有得到明显的发光特征，这是由于Co3+离子光猝灭的效应引起的，Co3+离子与发光中心Sm3+/Eu3+离子之间发生双原子碰撞后，导致激发态的Sm3+/Eu3+把能量释放到外界环境，以无辐射的形式跃迁回到基态，从而导致光的猝灭。