(Bi,Pb)(Ti,B)O3型铁电弛豫体相结构与电学性能关系研究

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在钙钛矿固溶体中,随着成分改变,经常会引起对称性的改变,两种不同对称性的边界可称之为准同型相界(MPB)。准同型相界附近,可能存在不同对称性结构的共存,电学性能可发生剧烈变化。最近,双晶位无序铁电弛豫体系(Bi,Pb)(Ti,B)O3(B=Mg2+,Ni2+,Zn2+,Zr4+,Hf4+,Nb4+…)作为低铅压电材料引起人们广泛关注。其中BZN–PT,BNH–PT和BF–45PT:La三种体系,表现出高压电系数和高电致应变。与典型弛豫铁电体不同,该三种体系具有四方—伪立方相界。与之相关的压电增强机制尚不明确。本文采用固相合成法合成了上述三种体系,并对其结构—性能关系进行了系统的研究。对于x BZN–(1-x)PT陶瓷,四方—伪立方相界在x=0.4附近。相界组分(x=0.41)的介电常数(1549)和压电系数最高(442 p C/N)。介电性能测试表明,x≤0.38组分存在自发型铁电—弛豫(TF-R)相变,而伪立方相组分,则表现出弛豫型介电异常。值得注意的是,伪立方相组分冷冻温度(Tf)和伯恩温度(TB)存在较大的温差。以x=0.41为例,Tf和TB温度差值接近300 K(Tf=~485 K,TB=~774 K)。进一步分析表明,相界组分x=0.41在结构和性能上表现如下特点:(1)明场TEM显示纳米畴与PNRs共存。(2)极化后晶体结构表现出明显的四方畸变,但介电行为改变不明显,极化后的介电常数与频率依然表现出明显依赖关系。(3)在135 K左右存在低温介电异常,可能与频率弥散相关。(4)低温下平面机电耦合系数(kp)随温度变化明显。当温度从93 K上升到303 K时,kp从0.15增加到0.42,暗示压电增强与介电行为存在关联。(5)极化后弹性模量与温度的关系较之介电行为更加敏感。在去极化温度附近,极化后的弹性模量表现出明显的异常。(6)随温度上升,归一化压电系数增加。(7)首圈电致应变与电场关系表明,随x增加,场致变化行为越明显。对于x BNH–(1-x)PT陶瓷,在x=0.38附近发现了从四方对称到伪立方对称的相变。相界组分(x=0.39)拥有最大的介电常数和压电系数值分别为1940和456 p C/N。相对介电常数的温度依赖性表明x=0.36和0.37存在两个介电异常,低温范围内的介电异常与TF-R有关。对于伪立方相组分,则表现出弛豫型介电异常。以相界组分x=0.39为例,在结构和性能上表现如下特点:(1)TEM揭示未极化状态下由局部四方畸变组成的纳米畴与PNRs共存。极化状态下[100]轴存在氧八面体有序旋转。(2)极化诱导全局尺度上伪立方—四方转变,不可逆地增加了相干长度。(3)观察到典型的弛豫型介电异常(Tf=~453K,TB=~765 K)。极化后在铁电态显示出明显地频率分散。(4)低温介电异常发生在大约155 K,这与频散的起源有关。加热后,kp也发生相当大的变化,从93 K的0.16增加到300 K时的0.42。这表明介电和压电之间的内在关系。(5)极化后弹性模量与温度的关系相比介电行为更加敏感。在去极化温度附近,极化后的弹性模量表现出明显的异常。(6)在室温之上,归一化压电系数由于加热而增加,在413 K最大为1100 pm/V。(7)第一周期双极应变环负侧最小应变为正,证实电场诱导伪立方相到四方相的转变。对于BF–45PT:La(y)陶瓷,四方—伪立方相界在y=0.29附近。相界组分(y=0.30)拥有最大介电常数1755。介电性能测试表明,y=0.27组分存在TF-R。相界组分y=0.30在结构和性能上表现如下特点:(1)在极化样品中,介电常数在弛豫态和类铁电态转变温度附近表现出明显异常。(2)极化前后弹性与温度关系存在较大区别。(3)表现出大压电系数(d33,280 p C/N),高的剩余极化强度(Pr,35.6μC/cm~2)和高的最大极化强度(Pm,41.2μC/cm~2)。(4)随温度上升归一化压电系数增加。(5)在铁电—弛豫转变过程中,观察到薄的双铁电滞回线。(6)首圈电致应变与电场关系表明,随y增加,场致变化行为更加明显。
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