【摘 要】
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本论文着重于层状钙钛矿结构铁电材料SrBi4Ti4O15（SBTi）的B位和AB位共同掺杂改性研究。对它们陶瓷样品的微结构、铁电、介电和压电性能的研究,有助于了解掺杂对层状钙钛矿结构铁电材料的性能,特别是剩余极化影响的机理,并指导设计有实用性能的用于非易失性铁电随机存储器的新型铁电材料。采用固相烧结工艺,制备了不同W掺杂、W和Nd共同掺杂、Mn和Nd共同掺杂量的SBTi铁电陶瓷样品。用X射线衍射对
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本论文着重于层状钙钛矿结构铁电材料SrBi4Ti4O15（SBTi）的B位和AB位共同掺杂改性研究。对它们陶瓷样品的微结构、铁电、介电和压电性能的研究,有助于了解掺杂对层状钙钛矿结构铁电材料的性能,特别是剩余极化影响的机理,并指导设计有实用性能的用于非易失性铁电随机存储器的新型铁电材料。采用固相烧结工艺,制备了不同W掺杂、W和Nd共同掺杂、Mn和Nd共同掺杂量的SBTi铁电陶瓷样品。用X射线衍射对它们的结构进行了分析,用扫描电子显微镜观察了它们的表面形貌,发现这些样品都是随机取向,且掺杂基本未改变材料原来的晶体结构。铁电性能测试结果显示,适当的掺杂量都能有效改善材料的铁电性能。掺杂后,剩余极化（2Pr）都呈现出先增大,后减小的规律。高价阳离子W6+掺杂SrBi4Ti4O15中,当掺杂量为0.03,2Pr达到极大值:25.4μC·cm-2,比未掺杂时增大60%以上。同时,保持了SBTi良好的热稳定性能。这与掺杂导致的氧空位浓度的降低和晶粒尺寸增大有关。一方面,高价的阳离子掺杂,降低了氧空位浓度,使可反转的畴的数目增多,增大了样品的剩余极化值;另一方面,掺杂使样品晶粒尺寸增大,从而使样品的铁电性能有了明显的提高。同时样品的压电性能也有了很大程度的提高,SBTW-0.03的d33为15pC/N,与SBTi相比提高了大约50%。与同族的Mo掺杂相比较,两者在改善材料的性能方面有着惊人的相似性。W6+和Nd3+共同掺杂和Nd3+和Mn4+共同掺杂都未影响SBTi的居里点,保持了SBTi良好的热稳定性能。铁电性能测试结果显示,适当的掺杂量都能有效改善材料的铁电性能。掺杂后,剩余极化（2Pr）都呈现出先增大,后减小的规律。在W6+和Nd3+共同掺杂中,保持W6+的掺杂量为0.03时,适量的Nd3+掺杂极大地提高了SBTi的2Pr,当Nd3+的掺杂量为0.005时,2Pr达到极大值:35.3μC·cm-2,比未掺杂时增大121%以上。在Nd3+和Mn4+共同掺杂中,在保持Nd3+的掺杂量为0.18的前提下,适量的Mn4+掺杂在很程度上提高了SBTi的2Pr,当Mn4+的掺杂量为0.005时,2Pr达到极大值:38.9μC·cm-2,与SBTi相比提高了122%。其提高的幅度远大于单独的高价阳离子W6+和Mo6+掺杂。这说明AB位共同掺杂可以显著地提高材料的剩余极化值,同时基本上保持了材料的良好的热稳定性。这与氧空位浓度的降低有关,同时也与与材料中氧空位动性的减弱有关。因为,掺杂离子的离子半径与原离子半径不同,掺杂后将会导致氧八面体周围的电荷有序性和结构的有序性在一定程度上被破坏,从而在一定程度上阻碍缺陷（如氧空位）在材料中的移动,从而减弱氧空位在畴壁处的聚集,使材料剩余极化增大。压电性能也在一定程度上得到了提高,在W6+和Nd3+共同掺杂中,在Nd3+的掺杂量x=0.05时d33达到最大,为14.8 pC/N。在Nd3+和Mn4+共同掺杂中,在Mn4+的掺杂量x=0.05时d33达到最大,为16.7pC/N。
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