BiFeO3、SrTiO3纳米纤维的力学和电学性能研究

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钙钛矿结构陶瓷氧化物由于具有铁电、介电、高温超导、巨磁阻等性能而被广泛地应用在电子器件、航天航空等相关领域。本文以具有钙钛矿结构的BiFe O3(BFO)和SrTiO3(STO)为研究对象,采用静电纺丝法制备了BFO和STO纳米纤维,对BFO纳米纤维的宏微观电学性能、铁电和铁磁性能、生长活化能及掺杂改性进行了研究;对STO纳米纤维的机械性能、微观电性能等进行了研究,并探索了BFO/STO并行纳米纤维的制备工艺。主要研究内容如下:(1)通过静电纺丝法制备了BFO纳米纤维,其生长活化能为0.37 eV/atom,比固相法制备的BFO纳米颗粒小3倍。采用扫描开尔文探针显微镜(SKPM)和导电原子力显微镜(c-AFM)从微观角度研究了BFO纳米纤维的电学性能,BFO纳米纤维与Si基底的表面电势差为0.1V,它的正向最小击穿电压为2.2 V,非线性的I-V曲线表明BFO纳米纤维具有半导体特性。压电力显微镜(PFM)测试结果表明BFO具有压电性,在30 V的外加电压下,极化方向发生了175o的变化,振幅为1800 pm,品质因子为60,矫顽电场强度为330 kV/cm。(2)通过静电纺丝法合成了六方钙钛矿结构的BiFe1-xSnxO3(BFSO-x)纳米纤维。当Sn4+的掺杂含量为3%时,大大降低了BFSO-x纳米纤维的漏电流且增加了其饱和磁化强度。电场强度小于30 V/cm时,体限制的导电机制占主导位置,电场强度大于30 V/cm时,晶界限制的导电机制占据主导位置。X射线光电子能谱(XPS)测试结果表明Sn4+的掺杂显著改变了Fe2+和Fe3+的相对含量。(3)通过静电纺丝法制备了直径为150-250 nm具有钙钛矿结构的STO纳米纤维。采用振幅调制-频率调制(AM-FM)和纳米压痕技术表征了STO纳米纤维的杨氏模量,其大小处于105-125 GPa的范围。c-AFM测试结果表明,STO纳米纤维的I-V曲线具有二极管的特征。SKPM测试结果表明,STO纳米纤维的导电性较差,与Si基底的表面电势差仅为0.015 V。STO纳米纤维的正向电压小于2V时,不足以克服纤维及探针的电阻。当测试电压为4 V,8 V时,STO纳米纤维的最高电流为19 nA。(4)通过静电纺丝法尝试了BFO/STO并行纳米纤维的制备,SEM扫描结果表明得到一定量的BFO/STO并行纳米纤维,SKPM初步测试结果表明并行纳米纤维的一侧为BFO另一侧为STO。另外,并行针头的形状对BFO/STO并行纳米纤维的并行率影响很大,如果两个并行针头的接触面积过小,则并行率低,接触面积过大则会出现两相溶液相溶的现象。
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