NBT基无铅薄膜的压电和储能性能

发布时间：2017-06-09 02:00

  本文关键词：NBT基无铅薄膜的压电和储能性能，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：压电材料被广泛应用于压电致动器、传感器和转换器中,尤其是压电薄膜以高的使用频率、大的可利用的能量密度、宽范围内的高敏感性和低损耗等优势广泛应用于微电子机械系统(MEMS)中。Na0.5Bi0.5TiO3(NBT)基无铅压电材料以其良好的铁电和热释电性能成为目前最受重视的无铅压电材料之一。众所周知,有效提高压电性能办法是设计准同型相界(MPB),成分诱发相变。所以,本文通过溶胶凝胶法制备了掺杂BaTiO3(BT)的(1-x)NBT-xBT薄膜,设计准同型相界,研究MPB附近成分对压电效应的影响。此外,在NBT中掺杂25%的SaTiO3(ST)时,退极化温度降低到室温左右,弛豫铁电相与铁电相共存。且在NBT中掺杂BT和ST可以降低剩余极化强度和增大极化强度,有利于提高储能密度。所以本文研究了0.94NBT-0.06BT薄膜和0.75NBT-0.25ST薄膜的储能性能。通过X射线衍射、原子力显微镜和扫描电镜分别对未添加种子层的0.94NBT-0.06BT薄膜、基于Pb0.8La0.1Ca0.1Ti0.975O3(PLCT)种子层且成分处于MPB区的0.94NBT-0.06BT薄膜和带有PLCT种子层的0.75NBT-0.25ST薄膜在不同晶化温度下的微观结构进行了研究,种子层的加入降低了结晶温度,随着晶化温度的升高,薄膜晶面间距减小,薄膜受到面内拉应力。通过表面形貌分析薄膜的晶粒尺寸和粗糙度都随晶化温度的升高而升高。通过对薄膜漏电流的分析,得出种子层使得漏电流减小,低温晶化减少了薄膜的缺陷也使得漏电流降低。利用压电力原子显微镜(PFM)对MPB附近不同成分的PLCT/(1-x)NBT-x BT薄膜的畴结构进行分析,由电畴图得出整体的电畴的分布是不规律的,极化方向相反的电畴的边界是呈波浪形的和扩散的,为了进一步研究畴结构,对电畴图进行自相关分析,得到平均电畴尺寸(ξ),当x=0.07时薄膜畴尺寸最小,x=0.05时薄膜的畴尺寸最大。PLCT/0.93NBT-0.07BT展示出了优异的室温压电性能,d33最大,为123 pm/V。利用电滞回线计算薄膜的储能密度,研究了晶化温度和种子层对储能密度的影响。通过添加种子层减小的漏电流,提高了0.94NBT-0.06BT薄膜的击穿场强,晶化温度为450℃的PLCT/0.94NBT-0.06BT的薄膜在击穿场强3359.13 kV/cm时储能密度达到了17.63 J/cm3。此外,对于PLCT/0.75NBT-0.25ST薄膜在晶化温度为500℃时储能密度能达到19.6 J/cm3。
【关键词】：NBT基薄膜 储能性能 压电性能
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题背景及研究目的与意义9-10
• 1.2 压电效应及其研究进展10-14
• 1.2.1 压电效应基本概念10-11
• 1.2.2 钛酸铋钠基压电材料的研究进展11-14
• 1.2.3 存在问题14
• 1.3 电介质储能及研究进展14-17
• 1.3.1 电介质储能原理14-15
• 1.3.2 钛酸铋钠基储能材料的研究进展15-17
• 1.3.3 存在问题17
• 1.4 本文主要研究内容17-19
• 第2章 实验材料及研究方法19-24
• 2.1 实验原料及薄膜制备19-21
• 2.1.1 实验原料19
• 2.1.2 薄膜的制备19-21
• 2.2 顶电极的制备21
• 2.3 薄膜测试方法21-24
• 2.3.1 物相及成分分析21-22
• 2.3.2 表面粗糙度及显微组织观察22
• 2.3.3 薄膜表面电畴分析22
• 2.3.4 电性能测试与分析22-24
• 第3章 NBT基薄膜微观结构与漏电行为研究24-37
• 3.1 引言24
• 3.2 未添加种子层 0.94NBT-0.06BT薄膜的微观结构24-27
• 3.2.1 0.94NBT-0.06BT薄膜的XRD分析24-25
• 3.2.2 0.94NBT-0.06BT薄膜的表面形貌25-27
• 3.3 0.94NBT-0.06BT薄膜的漏电行为27-28
• 3.4 基于PLCT种子层的 0.94NBT-0.06BT薄膜微观结构28-31
• 3.4.1 PLCT/0.94NBT-0.06BT薄膜的XRD分析28-30
• 3.4.2 PLCT/0.94NBT-0.06BT薄膜的表面形貌30-31
• 3.5 PLCT/0.94NBT-0.06BT薄膜的漏电行为31-32
• 3.6 基于PLCT种子层的 0.75NBT-0.25ST薄膜微观结构32-35
• 3.6.1 PLCT/0.75NBT-0.25ST薄膜的XRD分析32-33
• 3.6.2 PLCT/0.75NBT-0.25ST薄膜的表面形貌33-35
• 3.7 PLCT/0.75NBT-0.25ST薄膜的漏电行为35
• 3.8 本章小结35-37
• 第4章NBT-BT薄膜的压电性能研究37-48
• 4.1 引言37-38
• 4.2 基于PLCT种子层的(1-x)NBT-x BT薄膜准同型相调控38-41
• 4.2.1 PLCT/(1-x)NBT-x BT薄膜的XRD分析38-39
• 4.2.2 PLCT/(1-x)NBT-x BT薄膜的表面形貌39-41
• 4.3 基于PLCT种子层的(1-x)NBT-x BT薄膜畴结构41-45
• 4.3.1 PLCT/(1-x)NBT-x BT薄膜畴结构41-42
• 4.3.2 PLCT/(1-x)NBT-x BT薄膜畴结构自相关分析42-45
• 4.4 基于PLCT种子层的(1-x)NBT-x BT薄膜压电性能45-47
• 4.4.1 不同晶化温度下PLCT/0.94NBT-0.06BT薄膜压电性能45-46
• 4.4.2 PLCT/(1-x)NBT-x BT薄膜压电性能46-47
• 4.5 本章小结47-48
• 第5章 NBT基薄膜的储能性能研究48-62
• 5.1 引言48
• 5.2 未添加种子层 0.94NBT-0.06BT薄膜的储能性能48-52
• 5.2.1 0.94NBT-0.06BT薄膜铁电分析48-50
• 5.2.2 0.94NBT-0.06BT薄膜介电分析50-51
• 5.2.3 0.94NBT-0.06BT薄膜储能性能分析51-52
• 5.3 基于PLCT种子层的 0.94NBT-0.06BT薄膜的储能性能52-57
• 5.3.1 PLCT/0.94NBT-0.06BT薄膜铁电分析52-54
• 5.3.2 PLCT/0.94NBT-0.06BT薄膜介电性能54-55
• 5.3.3 PLCT/0.94NBT-0.06BT薄膜储能性能55-57
• 5.4 基于PLCT种子层的 0.75NBT-0.25ST薄膜的储能性能57-60
• 5.4.1 PLCT/0.75NBT-0.25ST薄膜铁电性能57-59
• 5.4.2 PLCT/0.75NBT-0.25ST薄膜介电性能59
• 5.4.3 PLCT/0.75NBT-0.25ST薄膜储能性能59-60
• 5.5 本章小结60-62
• 结论62-63
• 参考文献63-67
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果67-69
• 致谢69

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