钛酸锶基功能陶瓷的电阻开关与储能特性研究

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钛酸锶(SrTiO3)是一种应用广泛的功能材料,其具有典型的钙钛矿结构,不溶于水,溶于酸,熔点为2082℃。钛酸锶具有介电常数高、介电损耗低、热稳定性好等优点。广泛应用于电子、机械和陶瓷工业。作为功能材料,钛酸锶具有禁带宽度高(3.4 eV)、光催化活性优良等特点。高质量的钛酸锶制造的高压电容器、晶界层电容器、压敏电阻、热敏电阻以及其它电子元件,具有高性能、高可靠性、体积小等优点。以钛酸锶为原材料的电子元器件占据了电子元器件市场总量的5%-15%,但早期大多数研究集中于其介电和热导方面。  随着科技的发展,生产生活中人们对集成系统的密集化、轻量化和多功能化的要求越来越高。因此,通过各种方法改善钛酸锶性能,使其具备多功能性具有十分重要的意义。本文对钛酸锶陶瓷做了一系列掺杂改进,主要实验及结果包括以下几个方面:  第一,以高温固相法制备了钛酸锶(SrTiO3)陶瓷。XRD结果显示出样品结晶良好,具有典型钙钛矿结构。介电温谱展示了样品的高温介电弛豫现象。通过拟合计算出了SrTiO3在1 kHz下的电导活化能Ec为0.62 eV,因此可以说明其高温介电弛豫是由氧空位引起的。此外,样品展现出良好的单极电阻开关效应,并用氧空位与电流的热效应竞争机制解释了开关过程。  第二,采用高温固相法制备了钡和锆掺杂的钛酸锶(BaxSr1-xZr0.1Ti0.9O3,x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)系列陶瓷。所有样品表现出良好的钙钛矿结构。Ba2+的掺杂会影响样品的结构,使晶格常数增大。所有样品都展现出高温介电弛豫行为。钡离子含量不超过30%时,样品展现出较好的的电阻开关效应,而大于30%时,电阻开关效应消失。为了证明高温介电弛豫行为和电阻开关效应是与样品在烧结过程中产生的氧空位有关系的,我们通过对各样品的阻抗进行了拟合分析,并计算出了活化能Ea。得到的所有活化能都在1 eV到2 eV之间,进一步确定了引起开关效应的根本原因是陶瓷在高温烧结过程中产生了氧空位。  第三,实验采用传统的高温固相法制备了铅掺杂钛酸锶(PbxSr1-xTiO3,x=0.4,0.45,0.5)系列陶瓷。所有样品成相较好。样品表现出良好的介电性能,其对应铁电相到顺电相相变温度分别为98℃,138℃和182℃。所有的样品在高温部分出现介电弛豫现象。通过拟合得到各样品对应的活化能分别为1.75 eV,1.83 eV和1.77 eV。此外,我们还对样品的铁电以及铁电储能特性进行了研究。所有样品表现出良好的铁电性能。在100℃下,Pb0.4Sr0.6TiO3的储能效率达到77.35%,大于Pb0.45Sr0.55TiO3(58.22%)和Pb0.5Sr0.5TiO3(37.87%)。在进一步的研究中我们发现:在90 oC附近,Pb0.4Sr0.6TiO3的储能效率达到最大,约为79.82%。钛酸锶铅陶瓷拥有诸多优越的性能,能够运用到许多领域。  最后,本文还对铌锌酸铅-钛酸铅(0.91Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.09PbTiO3)单晶的电卡效应和电阻开关效应做了研究。样品展现了良好的介电性能。室温下,样品在100 Hz下的升温介电常数达到1086.9。样品展现出好的铁电性:较高的自发极化(47.52μC/cm2)、剩余极化(45.24μC/cm2)和较低的骄顽电场(7.20 kV/cm)。在15 kV/cm的测试条件下,最大电卡温变为0.9 K,也就是说电卡响应达到0.6×10-6 K·m/V。此外,样品展现出良好的电阻开关效应,在2.08 V时开关比率达到229。文中我们用氧空位与界面势垒解释了其开关机制。
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