锰掺杂钛酸钡压电陶瓷中缺陷偶极子动力学研究
发布时间：2021-06-10 11:06
压电铁电材料优异的机电、铁电等性质使其在超声换能器、电致伸缩制动器和铁电存储器等方面存在巨大应用前景。为进一步提高压铁电材料的特定性能,各种调控机制被引入压电材料中。其中,缺陷工程由于可以通过调控缺陷来间接调控铁电畴结构而引起了研究者的关注,而缺陷工程研究的一个热门分支即是通过调控受主掺杂铁电材料中的缺陷偶极子来实现对铁电畴的控制。然而,目前对缺陷偶极子的机理研究并不全面,缺陷偶极子是如何影响铁电材料的电畴结构和宏观物理性质的研究也不够深入,对极化老化后定向排列的缺陷偶极子在外场条件下的弛豫动力学研究主要集中在具有准同型相界（MPB）组分的固溶体系中,其在单相非固溶体中的动力学行为没有得到系统研究。因此本文制备Mn掺杂BaTiO3陶瓷,系统研究了Mn掺杂对铁电陶瓷介电、机电和铁电等宏观性能的影响,并且探究不同外场条件（温度、频率）下BaTiO3陶瓷中缺陷偶极子的动力学行为机制。本文采用传统的固相烧结法制备了Mn掺杂浓度分别为0 mol%、0.5 mol%、0.75 mol%和1mol%的BaTiO3陶瓷,确定了不同Mn掺...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
钙钛矿结构（ABO3）示意图[13]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-3-类似，也会导致晶胞内部呈非电中性，为了补偿电荷导致了氧空位的出现，而氧空位的出现使由氧八面体构成的晶胞结构发生收缩和扭曲，进而导致了铁电畴的运动变得更加困难，材料的极化与去极化也随之变得困难。所以受主掺杂的材料一般会出现矫顽场和机械品质因数增大、介电常数和损耗降低等特点，这些特点都是材料变“硬”的表现，所以也把受主掺杂称之为“硬性”掺杂[19-20]。图1-2给出了“硬性掺杂”和“软性掺杂”PZT陶瓷的性能对比[21]。研究发现软性压电陶瓷，比如说软性PZT陶瓷，国产与国外的性能差异已较小；而硬性压电陶瓷，国产与国外在击穿场强与介电损耗等多方面仍存在巨大差距，这就使得国内自主生产高性能的硬性压电陶瓷成为一个“卡脖子”问题。如前所述，硬性陶瓷的性质与氧空位和缺陷偶极子有着密不可分的联系，因此，本文将着重讨论氧空位及缺陷偶极子在受主掺杂压电材料中的作用机制。图1-2“硬性掺杂”和“软性掺杂”PZT陶瓷的性能对比[21]1.2.3钛酸钡陶瓷钛酸钡陶瓷作为一种典型的ABO3钙钛矿结构的铁电陶瓷，优异的压电和介电特性使其成为铁电存储器、光电子器件、电致伸缩致动器和机电换能器等器件的理想材料[22]。BaTiO3体系中Ba2+和O2-的排列方式是一种典型的密排结构，这种结构导致BaTiO3体系中难以形成间隙点缺陷，而空位点缺陷的形成与之相比会相对容易，这就使得空位点缺陷成为钛酸钡体系中常常出现的点缺陷类型。当对BaTiO3体系进行受主掺杂时，低价的受主掺杂离子进入样品后使样品不再呈现电中性，这就需要额外的缺陷来平衡电荷，所以样品中一般会出
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-5-能在短时间内完成，所以氧空位通常需要经过一段时间后才能扩散至目标位置，而氧空位的扩散过程是晶胞内缺陷偶极子取向偏转的根本原因。因此，缺陷偶极子的转向是一个典型的弛豫过程，即老化过程。图1-3钙钛矿结构中氧空位在顺电相和铁电相晶格中的分布[30]缺陷偶极子的取向极化可以表示为Pd,如图1-4(a)所示,外层方框代表了该晶胞的对称性，内部小方框代表缺陷偶极子的对称性。根据短程对称一致性原则可知，经过充分老化后的样品中，缺陷偶极子Pd的极化取向与自发偶极子Ps极化的取向是一致的，即箭头所指方向，从而使缺陷极化Pd与晶胞对称性一致。以未极化的钛酸钡为例，当对样品施加外部电场E时，铁电畴和自发偶极子Ps会发生90°旋转，如图1-4(b)所示。但是，由于氧空位较低的迁移速率，导致Pd的转向不像Ps那样可以迅速转向电场方向，即图1-4(b)，所以Pd依旧保持原本的极化取向。当外部电场E逐渐撤去时，原方向的Pd会对Ps施加一个较强的本征回复力，使指向外电场方向的Ps回复到施加电场前的无序状态，从而出现图1-4(c)所示的束腰电滞回线。2010年，T.Dechakupt等人[35]研究了老化效应对Fe掺杂的BaTiO3陶瓷介电性能和电滞回线的影响。研究表明，Fe掺杂的BaTiO3陶瓷的电滞回线在老化后呈现出了明显的束腰电滞回线形状，而样品的介电常数和介电损耗并没有明显的改变。除此之外，样品的剩余极化与矫顽场随老化时间呈下降趋势，且Fe掺杂浓度越高，其下降的越快。2014年，Yue等人[36]研究了老化效应对Ba0.77Ca0.23TiO3(BCT)、(Ba0.77Ca0.23)0.99Mn0.01TiO3(BCT-A)和Ba0.77Ca0.23Ti0.99Mn0.01O3(BCT-B)无铅压电陶瓷铁电、介电和压电性能的影响。研究表明，BCT陶瓷中取代位点对
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能钛酸钡/聚合物复合材料的研究进展[J]. 张亮,肖定全. 功能材料. 2012(10)
[2]压电陶瓷场致疲劳特性与机理研究进展[J]. 杨刚,岳振星,李龙土. 无机材料学报. 2007(01)
博士论文
[1]缺陷偶极子对受主掺杂铁电材料电学性质影响的理论研究[D]. 杨超.哈尔滨工业大学 2019
[2]铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅介电弛豫和机电特性研究[D]. 戚旭东.哈尔滨工业大学 2019
[3]Li+-Al3+共掺杂ABO3铁电陶瓷的电性能与压电机制[D]. 冯宇.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3222262
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
钙钛矿结构（ABO3）示意图[13]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-3-类似，也会导致晶胞内部呈非电中性，为了补偿电荷导致了氧空位的出现，而氧空位的出现使由氧八面体构成的晶胞结构发生收缩和扭曲，进而导致了铁电畴的运动变得更加困难，材料的极化与去极化也随之变得困难。所以受主掺杂的材料一般会出现矫顽场和机械品质因数增大、介电常数和损耗降低等特点，这些特点都是材料变“硬”的表现，所以也把受主掺杂称之为“硬性”掺杂[19-20]。图1-2给出了“硬性掺杂”和“软性掺杂”PZT陶瓷的性能对比[21]。研究发现软性压电陶瓷，比如说软性PZT陶瓷，国产与国外的性能差异已较小；而硬性压电陶瓷，国产与国外在击穿场强与介电损耗等多方面仍存在巨大差距，这就使得国内自主生产高性能的硬性压电陶瓷成为一个“卡脖子”问题。如前所述，硬性陶瓷的性质与氧空位和缺陷偶极子有着密不可分的联系，因此，本文将着重讨论氧空位及缺陷偶极子在受主掺杂压电材料中的作用机制。图1-2“硬性掺杂”和“软性掺杂”PZT陶瓷的性能对比[21]1.2.3钛酸钡陶瓷钛酸钡陶瓷作为一种典型的ABO3钙钛矿结构的铁电陶瓷，优异的压电和介电特性使其成为铁电存储器、光电子器件、电致伸缩致动器和机电换能器等器件的理想材料[22]。BaTiO3体系中Ba2+和O2-的排列方式是一种典型的密排结构，这种结构导致BaTiO3体系中难以形成间隙点缺陷，而空位点缺陷的形成与之相比会相对容易，这就使得空位点缺陷成为钛酸钡体系中常常出现的点缺陷类型。当对BaTiO3体系进行受主掺杂时，低价的受主掺杂离子进入样品后使样品不再呈现电中性，这就需要额外的缺陷来平衡电荷，所以样品中一般会出
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-5-能在短时间内完成，所以氧空位通常需要经过一段时间后才能扩散至目标位置，而氧空位的扩散过程是晶胞内缺陷偶极子取向偏转的根本原因。因此，缺陷偶极子的转向是一个典型的弛豫过程，即老化过程。图1-3钙钛矿结构中氧空位在顺电相和铁电相晶格中的分布[30]缺陷偶极子的取向极化可以表示为Pd,如图1-4(a)所示,外层方框代表了该晶胞的对称性，内部小方框代表缺陷偶极子的对称性。根据短程对称一致性原则可知，经过充分老化后的样品中，缺陷偶极子Pd的极化取向与自发偶极子Ps极化的取向是一致的，即箭头所指方向，从而使缺陷极化Pd与晶胞对称性一致。以未极化的钛酸钡为例，当对样品施加外部电场E时，铁电畴和自发偶极子Ps会发生90°旋转，如图1-4(b)所示。但是，由于氧空位较低的迁移速率，导致Pd的转向不像Ps那样可以迅速转向电场方向，即图1-4(b)，所以Pd依旧保持原本的极化取向。当外部电场E逐渐撤去时，原方向的Pd会对Ps施加一个较强的本征回复力，使指向外电场方向的Ps回复到施加电场前的无序状态，从而出现图1-4(c)所示的束腰电滞回线。2010年，T.Dechakupt等人[35]研究了老化效应对Fe掺杂的BaTiO3陶瓷介电性能和电滞回线的影响。研究表明，Fe掺杂的BaTiO3陶瓷的电滞回线在老化后呈现出了明显的束腰电滞回线形状，而样品的介电常数和介电损耗并没有明显的改变。除此之外，样品的剩余极化与矫顽场随老化时间呈下降趋势，且Fe掺杂浓度越高，其下降的越快。2014年，Yue等人[36]研究了老化效应对Ba0.77Ca0.23TiO3(BCT)、(Ba0.77Ca0.23)0.99Mn0.01TiO3(BCT-A)和Ba0.77Ca0.23Ti0.99Mn0.01O3(BCT-B)无铅压电陶瓷铁电、介电和压电性能的影响。研究表明，BCT陶瓷中取代位点对
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能钛酸钡/聚合物复合材料的研究进展[J]. 张亮,肖定全. 功能材料. 2012(10)
[2]压电陶瓷场致疲劳特性与机理研究进展[J]. 杨刚,岳振星,李龙土. 无机材料学报. 2007(01)
博士论文
[1]缺陷偶极子对受主掺杂铁电材料电学性质影响的理论研究[D]. 杨超.哈尔滨工业大学 2019
[2]铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅介电弛豫和机电特性研究[D]. 戚旭东.哈尔滨工业大学 2019
[3]Li+-Al3+共掺杂ABO3铁电陶瓷的电性能与压电机制[D]. 冯宇.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3222262
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