掺杂型铌酸银反铁电陶瓷电子结构与电性能研究

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用于能量储存的介电铁电材料具有高可靠性和高充放电速率等特点,在高新技术领域中具有重要应用。近年来具有双电滞回线特征的反铁电储能材料已成为研究热点。AgNbO3是一种新型无铅反铁电陶瓷材料,具有高饱和极化、低剩余极化,在能源储存系统和大功率电子设备领域显示巨大潜力。但是AgNbO3陶瓷电容器在室温及以上工作温域内介电性能不稳定,储能密度和储能效率较低,限制其进一步应用在储能器件领域。本论文以传统固相反应法制备了离子掺杂型AgNbO3陶瓷,结合物相结构和电子能带结构信息,探索离子掺杂对AgNbO3陶瓷电学性能的影响,并系统研究了 AgNbO3陶瓷的介电稳定性及储能特性。首先,采用固相反应法制备了 Ag1-3xBixNbO3(x=0~0.03)陶瓷材料,随掺杂含量增大,晶胞体积增大,晶粒尺寸减小。基于第一性原理计算Bi3+掺杂AgNbO3的电子能带结构、电子态密度和介电函数,探索电子轨道杂化与AgNbO3铁电性的关系。结果表明Bi3+掺杂使禁带宽度从1.740 eV降低到1.523 eV,费米能级附近电子轨道杂化增强。在x=0.03时,25~278℃温度范围内TCC25℃≤±15%,具有良好的宽温域介电稳定性。其次,制备了 Zn2+、Sc3+和Ti4+掺杂AgNbO3陶瓷材料,并通过计算B位掺杂AgNbO3的电子能带结构和介电函数,结合电子轨道杂化分析B位离子掺杂对电性能的影响。结果表明Sc3+掺杂AgNbO3陶瓷,晶粒尺寸明显降低,介电峰向低温方向移动,介电温度稳定性和室温介电常数提高。基于A、B位单掺杂结果,制备了 A、B位离子共掺杂型Ag1-3xBixNb1-3/5xScxO3(x=0~0.03)陶瓷,结果表明掺杂导致晶胞体积膨胀,晶粒尺寸减小,掺杂产生的点缺陷与容忍因子的降低增强了反铁电性。当电场强度为200 kV/cm时,陶瓷电容的可恢复储能密度在x=0.01处达到3.31 J/cm3,储能效率在x=0.02处达到70.11%。此外,当x=0.03,陶瓷在25℃到300℃范围内介电性能具有良好稳定性。
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