BFO-SBTi复合铁电材料的制备及性能研究

发布时间：2017-10-05 12:43

  本文关键词：BFO-SBTi复合铁电材料的制备及性能研究

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【摘要】：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(SBT15)为代表的SrmBi4Tim3O3m+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-08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。
【关键词】：Sr_2Bi_4Ti_5O_(18) BiFeO_3 固溶 多铁性
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 引言11
• 1.2 铋层状钙钛矿铁电材料11-12
• 1.3 Sr_2Bi_4Ti_5O_(18)材料12-16
• 1.3.1 Sr_2Bi_4Ti_5O_(18)的晶体结构12-13
• 1.3.2 Sr_2Bi_4Ti_5O_(18)的性能及其优化13-16
• 1.4 BiFeO_3材料16-18
• 1.4.1 BiFeO_3的晶体结构16-17
• 1.4.2 BiFeO_3的性能及其优化17-18
• 1.5 本论文研究对象及主要研究内容18-21
• 1.5.1 研究对象18-19
• 1.5.2 主要研究内容19-21
• 第2章 实验方法设计及结构和性能表征21-32
• 2.1 实验设计及设备21-22
• 2.1.1 实验原料21
• 2.1.2 实验设备21-22
• 2.2 实验技术路线22-24
• 2.2.1 前驱体粉体的制备22-23
• 2.2.2 粉体预烧及陶瓷烧结23-24
• 2.3 样品结构与性能表征方法24-32
• 2.3.1 X射线衍射(XRD)测试24-25
• 2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)形貌测试25
• 2.3.3 拉曼(Raman)光谱测试25
• 2.3.4 X射线光电子能谱测试(XPS)25-26
• 2.3.5 铁电性能测试26
• 2.3.6 介电性能测试26-29
• 2.3.7 交流阻抗测试29-32
• 第3章 SBFTi铁电陶瓷的制备与铁电性能研究32-44
• 3.1 SBFTi铁电陶瓷的结构表征32-37
• 3.1.1 SBFTi铁电陶瓷的晶体结构研究32-34
• 3.1.2 SBFTi铁电陶瓷的显微结构研究34-35
• 3.1.3 SBFTi铁电陶瓷的拉曼光谱研究35-37
• 3.2 SBFTi铁电陶瓷中的元素价态分析37-40
• 3.2.1 SBFTi铁电陶瓷XPS高分辨电子能谱分析38-40
• 3.3 SBFTi铁电陶瓷的铁电性能研究40-42
• 3.3.1 SBFTi铁电陶瓷的电滞回线40
• 3.3.2 SBFTi铁电陶瓷的漏电性能表征40-42
• 3.4 SBFTi铁电陶瓷的电磁性能42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 SBFTi铁电陶瓷的介电性能研究44-63
• 4.1 SBFTi铁电陶瓷的介电特性44-49
• 4.1.1 SBFTi铁电陶瓷的常温介电特性44-45
• 4.1.2 SBFTi铁电陶瓷的介温谱特性45-49
• 4.2 SBFTi铁电陶瓷的交流阻抗研究49-58
• 4.3 SBFTi铁电陶瓷的交流电导率研究58-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第5章 结论与展望63-65
• 5.1 全文研究内容及结论63
• 5.2 本文主要创新点63-64
• 5.3 后续研究工作展望64-65
• 参考文献65-72
• 致谢72-73
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况73

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