A位离子掺杂PMN-PT织构陶瓷制备与发光特性研究

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铌镁酸铅-钛酸铅[(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-x Pb Ti O3,(PMN-PT)]弛豫铁电材料介电性能高、压电性能高和电致伸缩性能优异,在加速度计、水听器、医用超声换能器和微位移驱动器等方面应用广泛。PMN-PT多晶陶瓷是ABO3型钙钛矿相结构,由于稀土元素离子半径与A位Pb2+离子半径相似,因此在PMN-PT陶瓷中掺入稀土元素不会影响其钙钛矿相结构,这种局部异质结构能提高陶瓷电学性能。多晶陶瓷织构化可以提高晶粒取向,从而提高陶瓷的压电性能,本文围绕A位离子掺杂PMN-PT织构陶瓷的制备与发光特性开展了以下工作:制备钛酸钡(Ba Ti O3)模板,制备A位离子掺杂PMN-PT织构陶瓷,对陶瓷进行电学性能以及发光特性测试,最后制备PMN-PT取向薄膜。首先,利用熔盐法制备表面形貌良好的前驱体Bi4Ti3O12,借助拓扑化学反应法制备出尺寸大小为10-20μm,厚度为0.5μm的片状钙钛矿相Ba Ti O3模板。然后以片状Ba Ti O3作为籽晶,利用模板晶粒生长法制备[001]取向的A位Sm3+掺杂PMN-PT织构陶瓷。最后对不同浆料配比和流延工艺参数下的素胚成膜情况进行研究,制备出厚度为50-55μm,模板均匀平铺的素坯,通过改变模板含量和烧结温度,制备A位Sm3+掺杂PMN-PT织构陶瓷。对上述制备的织构陶瓷进行电学性能测试,结果表明:模板含量为1.5wt%,1250?C保温20h条件下制备的织构陶瓷沿[001]方向生长。样品在3kv/mm电压极化后,准静态压电常数d33为1010p C/N,剩余极化强度Pr为29.1μC/cm2,矫顽场Ec为3.44kv/cm,机电耦合系数k33为0.76,介电常数ε为33097,从弛豫相转变为铁电相的转变温度Tr-t为47?C,居里温度Tc为110?C,和多晶陶瓷相比(d33为670p C/N,相变温度Tr-t为72?C,居里温度Tc为116?C),PMN-PT-Sm织构陶瓷在50-100?C范围内能达到最好的介电性能。发光特性测试结果表明:A位Sm3+掺杂PMN-PT织构陶瓷在可见光范围内的透过性良好,当模板含量为1.5wt%,陶瓷在蓝绿光波段的透过率达到30%。掺杂织构陶瓷发光主要是由于稀土元素独特的4f层电子能级跃迁产生,在波长为406nm的蓝光激发下,陶瓷在红橙波段的发射光最强;在波长为597nm的红光发射下,由于更多红橙光以辐射的形式迁移至低能级的基态上,荧光效应转换率高。对不同烧结温度和保温时间的织构陶瓷进行荧光光谱测试发现,在1250°C保温20h下荧光光谱达到最强,当烧结温度过高时会降低陶瓷内部晶粒相熔,会降低其电学及发光性能。最终,利用溶胶-凝胶法在Pt/Ti O2/Si O2/Si基底上制备Sm3+掺杂PMN-PT薄膜。测试表明PMN-PT-Sm薄膜为纯钙钛矿相结构,在[001]方向上取向度达94%,表面粗糙度Ra为2.49nm,薄膜表面平整度好。在不同功率下对薄膜进行荧光光谱测试,结果表明:在狭缝宽度为5nm时,406nm蓝光激发下,薄膜在563nm,598nm,630nm红橙光波段的发射光最强。
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