铅基铁电材料氧空位相关的弛豫与铁电储能及电卡效应研究

发布时间：2020-08-04 06:36

【摘要】：缺陷是晶体材料中常见的一种状态,材料中最具有代表性的缺陷是氧空位(OVs)。OVs作为一种自掺杂(施主或者受主)对于材料的电学特性,尤其是介电性能起着举足轻重的影响。在钙钛矿结构铁电陶瓷材料中,尤其是含铅的陶瓷的制备过程中,OVs的产生是无法避免的,氧缺陷在功能材料的电学特性中扮演着重要角色(如:铁磁性能、介电弛豫特性、阻变特性、光伏效应等)。在高温区域,OVs诱导介电弛豫特性是铁电材料最显著的特性之一。同时,OVs的存在也会影响材料的铁电特性(如:铁电钉扎现象),进而对铁电材料储能特性与电卡效应也有着重要影响。(1)采取高温固相法制备了(Pb,Ba)ZrO3(PBZ)和(Pb,Ba)(Zr,Ti)O3(PBZT)系列陶瓷,研究了 PBZ和PBZT系列陶瓷的介电相变与高温介电弛豫特性,并结合阻抗分析技术对陶瓷的高温介电弛豫现象进行研究。得出结论:Ba含量的增加会降低PBZ和PBZT系列陶瓷FE-PE相变温度,由于铅不可避免的挥发,因此铅基陶瓷在高温烧结的过程中会产生氧空位(OVs)等缺陷,在高温区域,OVs将获得足够的能量而产生跃迁行为,进而出现高温介电弛豫现象。结合电导拟合计算结果,研究表明OVs的短程跃迁会导致高温介电弛豫行为,而双电离OVs的长程跃迁行为会增加材料的导电特性。(2)研究了 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)、PbZrO3-SrTiO3(PSZT)陶瓷和PbZrO3(PZ)薄膜的弛豫相变、铁电储能等电学性能。PMN-PT和PSZT陶瓷均表现出明显的弥散相变行为。通过对PMN-PT和PSZT陶瓷铁电电滞回线进行拟合计算,得到了其室温下的最大储能密度分别是0.47和0.46 J/cm3。同时随着电场强度的增加,储能密度和能量损耗密度会呈现出明显的增加趋势;随着温度的增加,PSZT陶瓷储能密度和损耗密度则呈现出减少的趋势,储能效率基本保持不变。对于PZ薄膜,研究了 PbZrO3薄膜的铁电特性以及介电调谐特性,我们在3层厚度的PbZrO3薄膜中观察到了 AFE双电滞回线曲线,其储能密度约25.25 J/cm3,储能效率约为62%。(3)研究了 0.76Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.24PbTiO3(PMN-24PT)单晶和(Pb,La)TiO3(PLT)陶瓷的弛豫行为及电卡特性。我们通过理论计算研究了 PMN-24PT单晶不同温度下的介电相变与铁电特性,根据麦克斯韦关系理论计算得到PMN-24PT单晶最大的电卡效应(绝热温变AT)为0.8 K。对于PLT陶瓷的,我们采取理论与实验相结合的手段开展,我们通过理论计算得到的PLT20陶瓷的电卡效应最大值约1.67K,与此同时,我们的直接测试结果也显示最大值是1.67K,理论结果与实验结果十分接近。(4)研究了 Nb掺杂SrTiO3(Nb:STO)单晶的阻变特性。结果表明:1、当选取两个不同的顶电极Au和Ag作为测试电极的时候,Nb:STO表现出典型的阻变特性,并且该阻变特性优异;2、当选取两个相同的顶电极Au作为测试电极的时候,器件表现出二极管特性;3、当顶电极和底电极都选取Ag作为测试电极的时候,Nb:STO表现出具有对称性的选择器特性;4、当底电极和顶电极分别选取选取Ag和Au作为测试电极的时候,得到非对称的选择器特性曲线。最后我们用Ag原子相关的导电丝模型成功的解释了该现象。(5)制备了高频率压电传感器并对其应用开展研究。选取LiNbO3单晶作为压电材料,探头聚焦深度6.5 mm,我们测试了压电传感器阻抗和脉冲回波特性,发现其结果与我们设计拟合的结果十分接近,我们测试结果表明探头的中心频率是75 MHz,带宽是92%。最后我们通过扫描猪眼睛来检测探头的成像能力,结果表明探头性能良好。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM221
【图文】：

晶胞结构,铁电体

提出“铁电体”和“铁弹体”术语逡逑报道ＰＬＺＴ电光性能逡逑研制出铁电薄膜逡逑利用ＰＭＮ弛豫铁电体研制出电致伸缩器Ｓｏｌ－ｇｅ丨技术用于制备铁电薄膜逡逑报道ＰＺＴ和ＰＬＺＴ光致伸缩效应逡逑铁电薄膜与硅技术结合逡逑研制出用于压电传感器的弛豫铁电单晶材钙钛矿型铁电体光伏材料可用于吸收可见观察到铁电材料中通量全闭合畴结构逡逑材料分类逡逑矿结构逡逑

铁电材料,立方晶系,钛矿,对称性结构

ＳｒＴｉ０３：邋Ｃｕｂｉｃ逦ＰｂＴｉ０３，邋ＢａＴｉ０３：邋Ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ逡逑图邋１－２邋ＳｒＴｉ０３，邋ＰｂＴｉ０３邋以及邋ＢａＴｉ０３邋的结构逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＳｒＴｉ0３，邋ＰｂＴｉ0３邋ａｎｄ邋ＢａＴｉ0３逡逑１－２描述了高对称性立方晶系ＳｒＴｉ０３晶胞结构以及畸变后的钙钛ｉＣｂ、ＢａＴｉ０３），邋Ｂａ和Ｓｒ原子的引入使得原高度对称的结构有所畸钛矿结构应当是立方晶系，具有高度的对称性结构（如图１－２中，氧原子应当位于立方结构的中心位置，然而事实并非如此，许多结构的晶体其结构却发生了变形扭曲（如图１－２中ＢａＴｉ０３，ＰｂＴｉＣ斜方、正方甚至是单斜晶系的晶体，许多铁电、压电材料都具有这矿结构（包括ＢｉＦｅ０３、ＰｂＺｒ０３等）【５］。逡逑铁电体逡逑￣￣逦逦逡逑

曲线,电滞回线,电场,曲线

铁电Ｐ－五回线主要是根据铁电电畴在电场的作用下，其内部的极化方向会因逡逑受到电场的影响而发生反转，进而宏观上表现出极化强度，也就能测出尸－五回线。逡逑电滞回线是理解铁电材料结构与电学特性最简单且有效的工具之一，图１－３表示逡逑的是测量铁电材料Ｐ－五特性的Ｓａｗｙｅｒ－Ｔｏｗｅｒ电路示意图［７】。没有施加电场时，逡逑铁电体的各个电畴的极化方向是随机分布（杂乱无章）的，此时铁电材料宏观上逡逑没有表现出极化强度Ｍ。在外加电场的作用下，铁电体的晶胞的对称性会发生改逡逑变，进而宏观表现出极化特性。Ｐ－五回线是铁电材料的极化反转具体表现形式，逡逑图１－４是一个常见的铁电体回线，与Ｐ－五回线相似，铁电体的应变（Ｓｔｒａｉｎ）逡逑特性能够像极化强度一样可被外加电场所影响，则一个“蝴蝶状”的应变－电场逡逑（■Ｓ－五）曲线可以被观察到（如图１－４所示）。逡逑ａｔｔｅｒ邋ｐｏｌｉｎｇ逡逑、＇、Ｅ邋逦＾逡逑、二；一之、？、［？邋－Ｌ邋Ｈｅｌｄ逡逑Ｂｄ（？ｒｅｐｏｌｉｎｇ邋．．，－－＊７／邋0邋７７逦１／逡逑＼（ｆ逡逑一？＝＼／＼／ｅ邋Ｆｉｅｌｄ逡逑Ｃｌ逦逦＼ＬＸ＾．逦逡逑图１－４铁电体的电滞回线、畴转变与电场－应变曲线逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋Ａ邋ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ邋ｌｏｏｐ邋ｉｎ邋ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ

【参考文献】