掺杂及共生对铁电材料Bi<,3>TiNbO<,9>结构与性能的研究

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本论文以层状钙钛矿结构铁电材料Bi<,3>TiNbO<,9>(BTN)及其共生结构Bi<,3>TiNbO<,9>-Bi<,4>Ti<,3>O<,12>(BTN-BIT)为研究对象,对它们的晶体结构、铁电及介电性能进行了较为系统全面的研究。 Bi<,3>TiNbO<,9>是Aurivillius在1949年发现的一种新材料。Subbarao和Newnham研究以后,发现Bi<,3>TiNbO<,9>是在Bi系层状钙钛矿中有着最高居里温度的材料,高达940℃。正因如此,关于他的电学性能研究现在还相当有限,大部分研究还是在结构与制备工艺的改善上面。我们采用传统的固相烧结工艺成功地制备了各向异性的Bi<,3>TiNbO<,9>铁电陶瓷样品,Nd掺杂Bi<,3>FiNbO<,9>(掺杂量等于0,0.25,0.50,0.75),以及Bi<,3>TiNbO<,9>-Bi<,4>Ti<,3>O<,12>共生铁电陶瓷样品。对样品的微结构,铁电性能以及介电性能进行了系统自勺研究。 用X射线衍射和Raman光谱分析Bi<,3-x>Nd<,x>TiNbO<,9>(NBTN<,-x>,x=0.00~0.75)陶瓷的微结构,随着Nd含量的不断增加,NBTN-x陶瓷由正交相结构x=0)转变为四方相结构(x=0.75)。除了XRD提供有力的证据以外,拉曼光谱分析进一步得到微结构的相变主要是由Nd取代了A位的Bi离子有关,减弱了Ti/UNbO<,6>八面体的扭曲,随着Nd掺杂量的增加,Ti/NbO<,6>八面体的扭曲逐渐弱化。通过铁电测量,我们发现BTN材料的剩余极化值只有3.7,μC·cm<-2>,并且A位Nd掺杂并没有改善Bi<,3>TiNbO<,9>材料的铁电性能,而从介电结果来看,BTN-x的相变温度从940℃逐渐下降,当掺杂量为0.75时,居里温度达到了480℃。而居里温度降低则说明了晶格畸变变小,导致铁电性能变弱,这与X射线衍射和Raman光谱分析得出的结论完全一致。从cole-cole关系拟合得到BTN-x样品中氧空位的电导激活能依次是0.648 eV、0.757 eV、0.999 eV和1.003 eV。 对于BTN-BIT共生陶瓷,用X射线衍射和拉曼光谱对共生材料的微观结构进行分析,表明共生结构已经形成并且没有杂相。铁电性能测试结果显示该共生材料的铁电性能与BTN相比有了很大的提高,达到了10.17μC·cm<-2>,但是电滞回线饱和度不足。我们尝试了多种方法试图来得到更好的铁电性能,包括调节Bi过量的比例,极速淬火,氧气氛烧结等手段,但都没有达到预期的理想效果。 SrBi<,2>Nb<,2>O<,9>铁电材料与Bi<,3>TiNbO<,9>铁电材料的结构相似,也是双层钙钛矿结构(m=2),而且居里温度只有440℃,我们发现随着La,Sm离子掺杂进入Bi<,2>O<,2>层,SBN从铁电体向弛豫铁电体转变,而镧系离子取代了Bi以后,也同时降低了矫顽场和剩余极化,研究不同镧系元素掺杂导致的不同的介电弛豫行为可以帮助我们更加深入的了解弛豫铁电体的成因。
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