稀土掺杂的K0.5Na0.5NbO3及CaBi2Nb2O9基无铅压电陶瓷的结构、电学及荧光性质研究

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近年来,稀土离子掺杂的压电陶瓷由于同时具有良好的电性能及发光性能而受到广泛关注。稀土离子要达到稳定的状态,一般具有较高的化合价,当其作为施主掺杂离子进入到材料中,有望提高陶瓷的压电性能;同时,稀土离子拥有丰富的能级,当材料吸收能量后传递给稀土离子从而产生荧光。铌酸钠钾(K0.50Na0.5NbO3及二层铋层状结构CaBi2Nb2O9两类无铅陶瓷在稀土离子掺杂改性后同时具有良好的压电铁电性能、高的居里温度及优良的荧光性能而备受关注。本论文采用固相反应法制备了稀土Dy3+、Er3+/Yb3+、(Li0.5Er0.5)2+离子分别掺杂的K(0.50Na0.5NbO3基及CaBi2Nb2O9基陶瓷材料,研究了材料的结构、电性能及光学性质。主要研究内容及结论如下:(1)采用传统固相法制备了(K0.48Na0.480Li0.041-x Dyx/3(Nb0.90Ta0.04Sb0.06)O3无铅压电陶瓷,研究了Dy3+掺杂对陶瓷的相结构、微观形貌、电学性质及荧光性能的影响。当x从0增加到0.03,Pr从27.0μC/cm2逐渐减小到1.3μC/cm2,压电常数d33从198 pC/N逐渐降低至52 pC/N。在453 nm激发下,观察到Dy3+的两个特征峰位于476 nm及573 nm,分别对应于Dy3+4F9/26H15/24F9/26H13/2的能级跃迁。在x=0.015处,材料的荧光发射最强。(2)采用传统固相法制备了0.96(K0.47Na0.47Li0.06)(Nb0.94Sb0.06)O3-0.04SrTiO3:Er/xYb无铅压电陶瓷,研究了Er3+/Li+共掺杂对陶瓷的相结构、微观形貌、电学性质及荧光性能的影响。在x=0.02时,材料具有最优的铁电压电性能(Pr=9.4μC/cm2、d33=98 pC/N)。在980nm激发下,观察到Er3+的三个特征峰位于534 nm,544 nm及672 nm,分别对应于Er3+2H11/24I15/24S3/24I15/24F9/24I15/2能级跃迁。对x=0.02的陶瓷进行了变温荧光测试,结果表明材料的荧光强度对温度具有强烈的敏感性。(3)采用传统固相法制备了Ca1-x(Er0.5Li0.5)xBi2Nb2O9无铅压电陶瓷,研究了Er3+/Li+共掺杂对陶瓷的相结构、微观形貌、电学性质及荧光性能的影响。在x=0.08时,陶瓷的压电常数d33达到最大值(12.1 pC/N)。材料具有Er3+离子的三个特征峰,分别为534 nm(2H11/2→4I15/2)、554 nm(4S3/2→4I15/2)和672nm(4F9/2→4I15/2)。在x=0.08时,材料的荧光强度最大。值得注意的是,在该材料中,检测到Er3+离子的4S3/24I13/2,4F9/24I13/24S3/24I11/2近红外发光。
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