外场调控反铁电材料相变脉冲电流效应及检测方法研究

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新型功能材料因为同时具备感知和响应特性,且易于微型化、集成化和智能化,已成为现今功能器件与系统应用开发的研究热点。反铁电/铁电功能材料由于其特殊的晶体结构,在电场、温度场及压力场等外场诱导作用下具有奇异相变效应,可以发生反铁电-铁电和铁电-反铁电之间的相互转变,并伴随着显著的介电常数、极化强度和电流的变化。因此,充分利用此类功能材料对外场环境灵敏、高效的感知和响应能力,研究开发新型智能传感器件系统,有望应用于热释电探测器、微位移执行器、引信解保机构等诸多领域。本论文对在外场(温度和电场)调控作用下的反铁电-铁电和铁电-反铁电相变电流效应及相变电流的检测方法进行了系统研究,旨在为相变电流效应在实际中的应用提供实验基础与理论指导。采用溶胶-凝胶技术,在Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上成功制备了位于反铁电/铁电准同型相界附近的不同厚度和不同退火工艺下的高(100)择优取向(Pb,La)(Zr,Ti)O3反铁电厚膜,研究了温度场和电场对反铁电-铁电相变过程和电学性能的影响。研究表明:在温度场和电场的单一和耦合作用下,PLZT反铁电厚膜依次经历了反铁电-铁电-顺电的相态转变,随外加电场增加,反铁电-铁电相变温度和介电常数逐渐减小,相变电流变化逐渐明显;随外加温度场增加,反铁电-铁电相变电场强度、饱和极化强度和相变电流密度值均逐渐减小。随厚度增加和退火步数增长的反铁电厚膜表现了更为优异的电学特性,电场和温度场耦合作用实现了对相变电流效应的有效调控,测试的最大相变电流密度可达10-5A/cm2量级。采用传统陶瓷制备工艺,成功制备了位于反铁电/铁电准同型相界附近的不同Sn/Ti比组分的高(110)择优取向(Pb,La) (Sn,Zr,Ti)O3铁电陶瓷,研究了温度场和电场对铁电-反铁电相变过程和电学性能的影响。研究表明:Sn/Ti比含量的降低增强了PLZST陶瓷的铁电稳定性,电极化处理后PLZST铁电陶瓷表现出强铁电性,随外加温度场增加,铁电陶瓷的电滞回线经历了由铁电相-反铁电相-顺电相的转变;PLZST陶瓷在温度场作用下表现出高相变电流和低漏电流特性,外加直流电场的增加迫使铁电-反铁电相变温度向高温移动,且相变电流减小,陶瓷两端外接电阻和电容负载最大可释放272μJ的能量。初步设计陶瓷相变电流的简单、有效检测电路,选用AD549静电计型运算放大器进行电流信号的转换放大,以AT89C51单片机为控制核心,实现了计算机对相变电流信号的数据实时采集、显示与存储。
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