【摘 要】
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PZT基功能陶瓷具有优良的电学性能和较高的透光率,在日常生活、国防军事、科学研究等领域有着广泛应用。但是这类材料含铅,在制造、应用以及回收处理时都会危害人类健康和环境安全。环境友好型的陶瓷材料(K0.5Na0.5)Nb O3（KNN）不仅铁电性能良好,还有着较高的介电常数、压电系数和居里温度。此外,通过引入四方相结构的第二组元和掺杂稀土离子能使其获得较高的透光性和上转换发光性能,从而具有更广阔的应
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PZT基功能陶瓷具有优良的电学性能和较高的透光率,在日常生活、国防军事、科学研究等领域有着广泛应用。但是这类材料含铅,在制造、应用以及回收处理时都会危害人类健康和环境安全。环境友好型的陶瓷材料(K0.5Na0.5)Nb O3（KNN）不仅铁电性能良好,还有着较高的介电常数、压电系数和居里温度。此外,通过引入四方相结构的第二组元和掺杂稀土离子能使其获得较高的透光性和上转换发光性能,从而具有更广阔的应用前景。基于以上背景,本文以KNN陶瓷为研究对象,在其中引入ABO3型钙钛矿结构的第二组元,制备出KNN基二元透明铁电陶瓷。在此KNN基透明陶瓷中掺杂稀土离子Er3+,使其获得上转换光致发光性能。对KNN基透明发光陶瓷的结构和光学、电学性能进行了研究,系统地探究了第二组元和稀土离子对陶瓷的晶体结构和微观形貌以及光学、电学性能的影响。（1）采用传统固相法制备了（1-x）(K0.5Na0.5)NbO3-xSr(Mg1/3Ta2/3)O3（KNN-xSMT）陶瓷。对KNN-xSMT的晶相结构、微观形貌、透光性、铁电和介电性能进行了探究。研究发现,当x=0.09时,陶瓷对1100 nm波长光的透过率T～77%,而且此时陶瓷获得该体系中最小的晶粒尺寸,主要集中在0.15～0.2?m。陶瓷逐渐变窄的电滞回线反映出陶瓷具有明显的弛豫性。0.91KNN-0.09SMT具有最大的极化强度Pm=40.56?C/cm~2,同时具有最大的储能密度Wrec=1.31 J/cm~3。（2）采用传统固相法,制备了（1-x）(K0.5Na0.5)Nb O3-x Ba(Bi0.5Nb0.5)O3（KNN-x BBN）陶瓷。KNN-x BBN陶瓷的XRD衍射峰没有出现分裂峰和杂峰,形成了单一相结构的固溶体。当x=0.02时,陶瓷对波长为1000 nm光的透过率T～70%,对应最大光学带隙（Eg=3.03 e V）。陶瓷晶粒是小方块状,且尺寸逐渐减小,可见BBN具有细化晶粒的作用。随着BBN含量增加,陶瓷的极化强度（Pm、Pr）都呈现出减小的趋势,陶瓷的弥散指数?都趋近于2,是典型的弛豫铁电体。（3）在透光性最好的0.91KNN-0.09SMT中掺杂Er3+,制备出了0.91KNN-0.09SMT-y mol%Er3+陶瓷,研究了陶瓷的结构以及包括上转换发光在内的光、电性能。陶瓷具有伪立方相结构,并且在1000 nm处透光率为59%。在980 nm光的激发下,陶瓷出现了绿光（514～563 nm）和红光（647～679 nm）两个发射带,其中绿光的发射强度较强,红光的发射强度微弱,分别是基于电子能级跃迁~2H11/2→~4I15/2,~4S3/2→~4I15/2和~4F9/2→~4I15/2。发射峰的峰形基本没有变化,表明相变过程没有改变Er3+附近的晶体场。少量Er3+对陶瓷微观形貌的影响不大,含量增多后晶粒尺寸显著减小,极化强度和储能密度也都平缓减小。（4）在0.98KNN-0.02BBN中掺杂了Er3+,制备出了0.98KNN-0.02BBN-y mol%Er3+陶瓷。Er3+的掺杂量越高,陶瓷的透光率越低。在980 nm光激发下也出现了红色和绿色的发射带,能级~2H11/2和~4F9/2发生了Stark劈裂。Er3+进入晶格后陶瓷依然是伪立方相结构,并且在1000 nm处透光率为62%。Er3+有效地抑制了晶粒生长,Er3+的含量从0.1%mol增加到0.8%mol,相应的平均晶粒尺寸从93 nm减小到80 nm。y＞0.5后陶瓷的P-E几乎显示出线性关系,这表明Er3+的加入削弱了陶瓷的铁电性。介电常数随测试频率变化,出现了明显的频率色散,这也是弛豫铁电陶瓷所具有的一个典型特征。
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