ZnO对Ho3+/Yb3+共掺的BNT基陶瓷光学及电学性能影响研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:XULIANSHUAI
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压电铁电材料作为功能器件开发重要的组成部分,已成功应用到换能器、传感器和铁电存储器等不同领域。无铅材料因其绿色友好型成为发展的趋势,BNT基陶瓷作为最具潜力的无铅压电铁电体之一,受到了广泛的研究,其中0.94Bi0.5Na0.5TiO3-0.06BaTiO3(BNT-6BT)位于该体系的准同型相界附近,其电学性能都达到最优。利用BNT-6BT陶瓷作为稀土掺杂基质材料,可以进行稀土离子掺杂的光学性能探究。此外,通过ZnO的加入,实现稀土离子掺杂BNT-6BT陶瓷电学性能和光学性能的优化。因此,稀土离子掺杂BNT-6BT陶瓷集合了铁电体的电学性能和稀土离子的发光性质,可以实现光机电一体化的集成。本论文采取传统的烧结工艺制备了ZnO和Ho3+、Yb3+共同掺杂的BNT-6BT陶瓷,通过X射线衍射和扫描电子显微技术确定了最佳烧结温度,对样品的晶体结构和表面形貌作了表征,纯的BNT-6BT陶瓷为钙钛矿相结构,ZnO加入后会以第二相的形式存在于陶瓷中,形成0-3型复合结构。从SEM图中看出,ZnO的加入对晶粒的变化具有积极作用,促进了晶粒的二次生长,晶粒之间更加紧密,气孔数量明显减少,样品致密度明显改善。通过铁电体电滞回线(P-E)可知,ZnO的加入产生氧空位引起铁电性能微弱下降,通过介电温谱得出了ZnO的加入延迟了BNT-6BT样品的退极化温度Td,并利用d33的温度依赖关系对Td现象进行了验证。作为本论文的重点,我们对稀土离子掺杂的陶瓷样品光学性能进行了研究,分别给出了上转换和下转换发光强度随ZnO含量的变化关系,发现ZnO的加入使得发光强度增强,强度最大提高了2倍,利用发光强度与泵浦光功率之间的依赖关系,给出了Ho3+、Yb3+离子的上转换发光机制,对ZnO增强发光作出了探索,ZnO作为能量传递的媒介,在稀土离子能级跃迁的过程中,以声子辅助吸收的形式将能量转移到Ho3+,起到发光增强的效果。原位调制发光作为一项具有挑战性的课题,一直以来是人们研究的热点,本实验中探索了原位电学极化对稀土离子发光强度的影响,发现变化规律为随着电场的增加发光强度先缓慢增大后急剧增大最后趋于平缓,最大增幅为18.3%。我们结合J-O理论和铁电体的P-E特性曲线对现象进行了解释,电场引起的变化来自于晶格非对称性的增强,导致了稀土离子4f组态内电偶极跃迁几率变大,发光增强。本论文的研究成果是在实验上实现稀土掺杂铁电材料的光机电功能一体化,ZnO对铁电材料电学性能和稀土离子发光强度的优化作用,为材料的多功能开发提出了新的独特的研究角度。
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