【摘 要】
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Na0.5Bi0.5TiO3（NBT）基无铅陶瓷由于其自发极化铁电特性,在铁电储能、铁电催化、铁电光电等交叉领域持续受到研究人员的关注,有望在换能器、传感器、存储器和光电器件等领域得到应用。NBT陶瓷的氧八面体结构将电荷、自旋、极化强烈的耦合在一起,产生丰富的电学、光学、磁学、储能物理等特性,通过掺杂NBT陶瓷从而调控其微观结构及性能是一种有效途径。本研究通过设计B位Mo,Nb,Ta掺杂,采用传统
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Na0.5Bi0.5TiO3（NBT）基无铅陶瓷由于其自发极化铁电特性,在铁电储能、铁电催化、铁电光电等交叉领域持续受到研究人员的关注,有望在换能器、传感器、存储器和光电器件等领域得到应用。NBT陶瓷的氧八面体结构将电荷、自旋、极化强烈的耦合在一起,产生丰富的电学、光学、磁学、储能物理等特性,通过掺杂NBT陶瓷从而调控其微观结构及性能是一种有效途径。本研究通过设计B位Mo,Nb,Ta掺杂,采用传统固相法分别制备了Na0.5Bi0.5(Ti1-xMx)O3（M=Mo,Nb,Ta,x=0,0.005,0.01,0.015,0.02）陶瓷样品;试验测试并分析了其微观结构、拉曼光谱、光吸收、光学带隙等,通过计算得出能带、态密度、Born有效电荷与Bader电荷等,以期研究其铁电极化与性质的关系。（1）B位Mo掺杂的Na0.5Bi0.5(Ti1-xMox)O3（NBT-Mox,x=0～0.02）无铅铁电陶瓷:XRD、拉曼光谱、吸收光谱等实验测试方法,结合基于密度泛函的第一性原理计算,研究了Mo掺杂对NBT陶瓷体系带隙的影响规律及机理。结果表明:随着Mo掺杂量的增加,光学带隙值先减小后增大。Mo掺杂后,能带结构由间接带隙转变为直接带隙,引入的杂质能级起主导作用,导致本征带隙减小。随着Mo掺杂量进一步增大,由于费米能级进入导带中,导带底的能量状态被占据,导带内电子占据态将费米能级推向更高的能量,掺杂量高时莫斯-布尔斯坦效应起到主导作用,可导致表观光学带隙增加。Mo掺杂导致的带隙调控机制存在相互竞争关系,可有效调控NBT体系能带结构,当x=1%时带隙达到最小值2.33e V,并且光吸收强度达到最大值69%。同时Mo离子掺杂造成被掺杂八面体畸变,造成相邻八面体形成不同程度的旋转/倾转结构畸变,由Born有效电荷计算结果可知,体系出现自发极化主要来源于氧八面体的畸变造成离子位移;由Bader电荷计算结果可知,成键变化将诱导离子间的电荷迁移,从而改变体系的极化属性,产生的Jahn-Teller效应进而改变氧八面体的旋转形式和角度大小,从而调控材料的铁电性等物理性能。（2）B位Nb掺杂Na0.5Bi0.5(Ti1-xNbx)O3（x=0,0.005,0.01,0.015,0.02）无铅陶瓷,结果表明:在Nb掺杂量为x=2%时,光吸收强度达到最大值,光学带隙值达到最小值2.46e V。通过理论计算分析,Nb掺杂NBT导致体系禁带内有杂质能级,杂质能级主要由Nb:4d轨道贡献,Nb掺杂可调控NBT体系能带结构,增强其半导性。Nb离子掺杂增强相邻八面体的旋转/倾转结构的畸变程度,自发极化由。（3）B位Ta掺杂Na0.5Bi0.5(Ti1-xTax)O3（x=0,0.005,0.01,0.015,0.02）无铅压电陶瓷,在Ta掺杂量为x=1.5%时,光吸收强度达到最大值46.7%,光学带隙值达到最小值2.41e V。通过理论计算分析,Ta掺杂NBT导致体系禁带内有杂质能级,杂质能级主要由Ta:5d轨道贡献,效果弱于Mo与Nb。Ta离子的掺杂造成被掺杂的八面体发生畸变,并同时造成相邻八面体形成不同程度的旋转/倾转结构畸变。Bader电荷分析知Ta离子性较弱于Ti;NBT中Na与Bi具有比较稳定的有效离子电荷。
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