BFo-SBTi复合铁电材料的制备及性能研究

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目前铋系层状铁电材料(BLSF)是铁电存储器的最佳候选材料之一,尤其是以Sr2Bi4Ti5O18(SBTi5)为代表的SrmBi4Tim+3O3m+3(SBTim)铁电材料由于较高的剩余极化强度、较低的矫顽场强和漏电流等成为非易失铁电存储器(NVFRAM)研究的主要材料。但其较低的居里温度限制了高温下的使用,因此利用掺杂取代、固溶和共生等手段对SBTi5铁电材料进行改性成为研究热点。  本文用固溶的方式将SBTi5与室温下多铁材料BiFeO3(BFO)复合,制备出xBiFeO3-(1-x) Sr2Bi4Ti5O18(SBFTi-x,x=0~0.9)系列陶瓷,发现随着BFO含量增加,相比SBTi陶瓷,A、B位的Bi3+和Fe3+共掺不仅增大了晶格畸变程度,还抑制了Ti4+变价和减少了Bi元素挥发,降低了氧空位浓度,使SBFTi-x陶瓷在室温下展现出较高的剩余极化强度、较低的漏电流密度,但当BFO组分较高时出现结构坍塌并伴随第二相含量的提高。此外,随着BFO含量的提高,氧空位浓度和内置电场的变化使得SBFTi-x陶瓷的漏电机制也由以空间限制电荷为主过渡到欧姆传导机制为主,而Fe3+的存在使其展现出较弱的铁磁性。  SBFTi-x陶瓷室温下的介电常数受空间电荷极化影响较大,BFO的加入不仅可以提高介电常数还有效降低了介电损耗,提高了频率稳定性。随BFO量的增加,引起SBFTi-x陶瓷中成分和结构的起伏变化,形成不同相变温度的极性微区,使其居里温度不断升高的同时介电峰逐渐宽化,表现出弥散铁电体特征。SBTi陶瓷和SBFTi陶瓷的宏观电阻都具有负温度系数特征,低温下SBFTi-x陶瓷中Fe3+等导电离子浓度较高从而使其宏观电阻有所降低,逐渐半导体化;高温下BFO作用减弱。SBFTi-x陶瓷的宏观电阻主要来源于晶粒的作用,并存在空间电荷极化和混合弛豫过程。  在低温、高频下,SBTi和SBFTi-x陶瓷的交流电导率σac交流电导主要源于弱束缚电荷;而在高温、低频时的交流电导主要来源于漏导的迅速增加,交流电导随频率的变化与材料的极化机理有着密切关联。SBFTi-x陶瓷的电导机制随温度和组分有所变化:对于SBFTi-x(x=0.1~0.7)陶瓷以及高温段(430~480℃)的SBFTi-0.8和SBFTi-0.9陶瓷,电导主要是与氧空位的二级电离有关;而低温段(250~400℃)的SBFTi-0.8和SBFTi-0.9陶瓷电导激活能比传统铁电材料的要低,可能跟其中的Fe3+浓度高有关。  综上所述,本论文过对SBFTi-x陶瓷的结构和一系列性能研究发现,该固溶体陶瓷不仅具有较高的居里温度、优异的铁电性能,还发现了弱铁磁性以及弥散型铁电体特征,为SBFTi-x材料在信息存储和磁电器件领域的应用提供了可能性。
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