Eu离子掺杂BT基陶瓷的光学电学特性及其荧光调控研究

发布时间：2020-08-21 05:40

【摘要】：稀土掺杂的无铅压电铁电体是一类新兴的光机电一体多功能材料,由于稀土离子及铁电材料独特的性质,该类新材料在传感、探测、信息传递等方面有着极大的潜力。BaTi O_3(BT)基铁电陶瓷是最有潜力的无铅体系之一,微量的稀土元素掺杂会对BT基陶瓷的结构及各项性能进行调控。以此,调节各项参数,能够获得优秀光电性能的材料。本文研究了烧结温度、稀土掺杂浓度对上述压铁电材料电学性能的影响,研究了温度及电场对材料结构与发光特性的影响,并进一步探索了内部的物理机制。本文中采用传统的高温固相法制备了Eu~(3+)掺杂的Ba_(0.7)Ca_(0.3)Ti O_3(BCT30)及Ba_(0.85)Ca_(0.15)Zr_(0.1)Ti_(0.9)O_3(BCZT)陶瓷。通过调节烧结温度及掺杂浓度,研究了陶瓷表面形貌、晶体结构及电学性能的变化规律并分析了成因。结果表明,BCT30陶瓷的最佳烧结温度在1340℃,Eu~(3+)在A位的代入虽然使BCT30陶瓷的相变点降低,但也提高了压电系数d_(33),BCZT陶瓷的最佳烧结温度在1325℃,Eu~(3+)的掺杂略微降低了三方四方相变及铁电顺电相变温度。通过P-E曲线与J-E曲线得知,低电压区间存在大量电畴翻转现象,这是极化强度的主要来源。Eu~(3+)掺杂降低极化难度,对极化强度及压电系数有所影响,并驱使相变点偏向低温区。以上述条件得到的陶瓷片为样品,我们着重研究了其发光特性。在BCT30:5Eu陶瓷电偶极跃迁峰~5D_0-~7F_2绝对强度随温度的变化以及电偶极与磁偶极跃迁强度比~5D_0-~7F_2/~5D_0-~7F_1随温度的变化过程中,可以明显发现材料的铁电顺电相变峰,居里温度T_c=70℃。根据对材料介电弥散与温度相变的辅助分析得,该峰来源于晶体局域结构的混乱。该工作在研究领域尚属首次报道。在BCZT:Eu陶瓷的强度比随温度变化曲线中同样能够观察到结构混乱造成的相变峰,T_c=60℃,但其三方四方相变峰被掩盖,需从~5D_0-~7F_2绝对强度温度变化曲线中获取信息T_(R-T)=-10℃。分析上述两类多功能陶瓷光强随电场的I-E曲线,发现其规律均为先增大后稳定,且增量持续减小至零,最大光强提升14.5%。排除电场诱导相变及离子位移极化造成的对称性降低的影响,电畴翻转是光强增大一个的重要因素。本工作为提高稀土掺杂压电体的各项性能并拓展其应用范围有一定的指导意义。
【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】：2018
【分类号】：TQ174.1
【图文】：

钛酸钡,钙钛矿结构,微观结构

A 位为+1 或+2 价金属离子，B 位则对应为+5 或+4 价过渡金属离子，O 表示氧离子。以立方相钛酸钡为例，如图1-1 所示，在以 6 个氧离子构成的正八面体框架中，钛离子处于八面体中心，钡离子对称地分布面外，以此可以判断出立方相 BaTiO3晶体中 Ba2+和 Ti4+的配位数分别为 12 和 6。但该晶体结构的钛酸钡晶胞没有极性，不具有自发极化能力，自然也不是铁电体。降低温度至 130℃，BaTiO3晶体发生顺电-铁电一阶相变，该温度被称为铁电居里温度 Tc。根据 Ginzburg-Landau 理论，为降低自由能，晶体内部的金属阳离子 Ti4+相对 O2-运动并偏离氧八面体对称中心，使等效正负电荷中心不重合，产生了沿位移方向的电偶极矩 P 并由此产生了自发极化。图 1-1 典型钙钛矿结构的钛酸钡的微观结构示意1.1.2 电学特性铁电陶瓷的自发极化特性是指在某一温区内不受外界影响

铁电材料,电滞回线,电畴

随电场翻转并且呈滞后状态，如图 1-2 所示[2]。电滞回线是重要标准之一，发生这一反常介电现象的根本来源于内部电场极化处理后，大量自发极化会沿着外电场方向排列，这些子区间被称为电畴。各电畴之间存在的界线被称为畴壁。当所有能被翻转的电畴基本与极化方向一致，并且自发极化的也被拉大，在这种情况下，自发极化已成饱和状态，极化强性关系（C 点）。从 C 点处降低电场强度至某一值（B 点对偶极矩随场强降低，而电畴未发生偏转，整体仍旧处于饱和极电场强度，由于电场约束力降低，部分电畴开始偏离电场方路径 BD 减小。当场强减小至零时，电畴受到畴壁的阻碍无状态，整体极化强度仍然存在，称为剩余极化。当反向施加进一步减小路经 DF 并在 Ec时降至零，Ec被称为矫顽场。强沿 FG，反向极化将逐渐趋向饱和。这就是电滞回线变化过程，电畴的翻转是改变极化强度的原因之一，也是出现介。

弹性应力,发光能力,铁电材料,稀土离子

BaTiO3-CaTiO3:Pr3+陶瓷的弹性应力发光现象[10]

【参考文献】