含铋无铅铁电陶瓷的制备、电学和光电性能研究

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铁电陶瓷由于其制备工艺简单经济、性能均匀,具有巨大的应用潜能,如传感器、光电探测器等。大多铁电陶瓷为钙钛矿型结构,如Bi0.5Na0.5TiO3和其固溶体,也有铋层状化合物结构等。本文选取均含有铋元素的铋层状结构CaBi2Nb2O9陶瓷、钙钛矿结构 Bi0.5Na0.5TiO3 以及(0.935-x)Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-xSrTiO3 陶瓷材料体系进行研究,系统地研究了陶瓷的光吸收性能、介电铁电应变以及铁电光伏性能。第一部分工作是通过铋元素自掺杂和一定工艺方式制备了弯曲的CaBi2+xNb2O9+2x(x=0,0.01,0.02)陶瓷。透射率结果表明在x=0.01的陶瓷中获得了高达60%透射率。铁电测试结果表明随着铋的增加,铁电性能得到优化,应变曲线也逐渐趋向“蝴蝶形”,这源于铋掺杂减少了空位载流子的浓度。此外,在x=0.01的陶瓷中获得了约9.8 pC/N。结合介温测试可知,适当过量Bi2O3可以改善陶瓷的气孔较大的问题。第二部分工作是通过氮掺杂减少缺陷和取代氧位的方式制备了氮掺杂的Bi0.5Na0.5TiO3陶瓷。采用XRD、拉曼和XPS等手段表明了氮离子不仅取代了氧,而且弥补了缺陷。铁电测试结果表明厚度为0.2 mm的N-400陶瓷铁电极化增强,且N-400陶瓷中氮含量分布相对均匀。光吸收表明氮掺杂的样品带隙降低,尤其是N-500陶瓷的带隙只有0.7 eV;光电性能结果表明N-400陶瓷在极化后短路电流明显提升,这源于其铁电极化比较优异。第三部分工作是基于第二部分工作的研究进一步对Bi0.5Na0.5TiO3的固溶体(0.935-x)Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-xSrTiO3陶瓷进行了氮掺杂,光吸收结果表明掺杂后的样品带隙确实降低。在保证矫顽场不变时,铁电结果表明掺杂后的样品剩余极化强度和应变强度均得到了提高,特别是在0.933 Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-0.02SrTiO3的样品中获得约2%的大应变。
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