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铁电材料是一类重要的功能材料,具有介电性、压电性、热释电性、铁电性以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要特性,在航空航天、通信、家电,国防等领域具有广泛的应用前景。随着信息技术的发展,电子器件越来越小型化和多功能化,为了提高材料的性能,长期以来,研究工作者对其掺杂改性方面进行了大量的研究。此外,集电性和磁性于一身的多铁材料具有调制铁电极化和磁性的功能,成为现代凝聚态物理和材料的研究热点。
作为典型钙钛矿结构的铁电体BaTiO3因其优异的特性,成为现代电子工业的支柱。量子顺电体材料SrTiO3可以通过掺杂或其他方法调制出铁电性,同样广泛应用于工业生产。在这两种材料中掺杂以提高铁电性并探索多铁性是有意义的尝试。本论文中,我们选择这两种材料并研究其掺杂效应。
首先我们简单介绍了铁电材料的钙钛矿结构和BaTiO3、SrTiO3的研究现状,其次分别对双掺杂的BaTiO3和SrTiO3电学、磁性能进行了研究。纯的BaTiO3不适宜作为热稳电容器材料;纯SrTiO3的介电常数较小,不宜用于微波器件。材料的性质可以通过在A位或者B位同时或者单独掺杂来进行改变,掺杂的离子可以是同价的,也可以是异价的。本文分别用固相烧结法制备不同掺杂量的Ba1-xLaxTi1-xFexO3陶瓷和溶胶凝胶法制备0.05Bi0.084La0.02FeO3-0.95SrTiO3薄膜样品,经过测试,得到如下结果:
(1)La替代Ba,Fe替代Ti,使得样品居里温度和晶粒尺寸随掺杂量增加而减小,在掺杂量x≥0.05时介电常数变温谱中,三个相变峰合并为一个峰。掺杂使得陶瓷样品的漏电流增大,铁电性能降低,掺杂量x=0.2的样品出现反铁磁的交互作用。
(2)溶胶凝胶法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备的Bi、Fe双掺杂SrTiO3铁电薄膜具有较大的铁电极化。XRD图谱显示薄膜成四方相。室温拉曼光谱显示掺杂薄膜中存在铁电软模(TO4),这预示着在室温下存在铁电性。Bi、Fe双掺杂SrTiO3薄膜比未掺杂SrTiO3降低了三个数量级的漏电流,在1MV/cm的外电场下漏电流为4.38×10-7A/cm2,并且其顺电相到铁电相的转变点提高,高于室温,并在室温时其剩余极化2Pr=8.2μC/cm2,这暗示着室温适用的可能性。