KNN基铁电陶瓷透明性和电性能协同调控机理研究
发布时间：2021-07-11 13:31
透明压铁电陶瓷具有良好的压、铁电性能,还表现出高的透明性和优异的电光效应,在光存储、光调制器、电控光阀、图像处理等光电领域具有潜在的应用价值,是未来计算机技术、光通讯技术和国防军事应用开发中的关键材料。无铅KNN基压电陶瓷具有超高的压电性能,是最有希望的候选材料之一,而提高其透过率是目前需解决的主要问题。研究表明,当陶瓷晶粒尺寸减小到亚微米、纳米级时,陶瓷的透过率明显提高,但其压电性能显著降低,甚至丧失。因此,KNN基透明铁电陶瓷透过率与压电性能这一矛盾是制约其发展的关键瓶颈。针对上述问题,本论文主要通过化学组分设计制备了 KNN基透明陶瓷,研究了气孔散射和晶界处双折射等对透过率的影响,揭示了其透明机理。在此基础上,通过微观结构（如晶粒尺寸、气孔）和相结构的设计,协同调控透过率和压电性能,为实现KNN基透明铁电陶瓷的多功能化提供新思路。全文主要结论如下:（1）基于实验和第一性原理计算相结合,系统研究了纯KNN陶瓷相结构特性及Bi离子掺杂对其透过率的调控作用。实验表明,室温下纯KNN陶瓷为正交相,与计算结果一致。理论计算结果表明,三方（四方）相的总能量与正交相的非常接近,意味着其正交相容...
【文章来源】：陕西师范大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－３?ＡＢ０３型钙钛矿结构的结构基元??
接而成，Ａ离子填充在［Ｂ０６］八面体的空隙内。Ａ、Ｂ离子的配位数分别为１２和６。??钙钛矿铁电体的自发极化主要来源于Ｂ离子偏离八面体中心的运动。??钙钛矿结构在高温时为立方晶系，温度降到某个特定值，晶体结构发生畸变??导致对称性下降。若在一个轴向发生畸变时，由立方晶系变为四方晶系；若在两??个轴向发生畸变，变为正交晶系；若在知对角线方向发生畸变，则变为三方晶系。??由于这些畸变，许多钙钛矿结构的晶体会产生自发极化而成为铁电体［１（）］。??Ｍｉｃｒｏ?Ｍｅｓｏ?Ｍａｃｒｏ??图１－４铁电陶瓷中的晶粒和电畴ｍ］??Ｆｉｇ．?１－４?Ｔｈｅ?ｍｕｌｔｉｓｃａｌｅ?ｂｅｈａｖｉｏｒ?ｏｆ?ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｃｅｒａｍｉｃ［１１］??陶瓷是由许多随机取向的晶粒组成，而每个小晶粒又包含多个电畴，如图１－４??所示［１１］。铁电陶瓷虽然存在自发极化，但各晶粒间自发极化方向混乱，因而不显??示极性。就是说，铁电陶瓷只有预先经强直流电场处理，使陶瓷中的电畴沿电场??方向取向排列（极化），才能具有压电性，这类陶瓷统称为压电陶瓷。??１．２．２钙钛矿型无铅压电陶瓷的简介??目前，无铅压电陶瓷材料主要包括興钛矿结构、鹤青铜结构和秘层状结构的??压电陶瓷。ＢａＴｉ０３（ＢＴ）基压电陶瓷，ＢｉＱ．５Ｎａ〇．５Ｔｉ０３（ＢＮＴ）基压电陶瓷和（Ｋ，Ｎａ）Ｎｂ〇３??（ＫＮＮ）基压电陶瓷均为钙钛矿结构。这主要介绍钙钛矿型无铅压电陶瓷。??８＆丁丨０３是最早于１９４６年发现并商用化的压电陶瓷。降温过程中，在１２０?°Ｃ??处发生立方（ｍ３ｍ）顺电到四方（４ｍｍ）铁电相变，继续降温，在５?°Ｃ和－９０?°Ｃ??处分别发生四方（４ｍｍ）—正
?〇?；?ｉ?？？?ｉｆ＇ｉ、?？??ｕ?Ｊ５Ｏ０．?Ｒｈｏｍｂ?ｊ?Ｏｒｔｈ?ｊ?Ｔｅｔｒ?，?ＣｕｂＫ：?？????，一＂■一－＂??ｆ?；?＾?？．?／?＞？?－?ｆｏ，?＾Ｏ－；?，３＊＊?？?Ｗ＞??°?？？－?．?ｉ?．．＿＿＿＿＿?＞Ｔ???－？〇〇?－Ｗ?Ｏ?０＞?ｔＭ?Ｘ？?（ＣＯ?ＴＯＯ?０，０？？？０?於?＊０？＊ＯＷ？＊４Ｗ９＊ｉ００??Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?（＾）?ｎ＾ｃ〇，ｃｍ〇ｓ＊％＞?Ｎａ，＊＞０？??图１－５?（ａ）?ＫＮｂ０３的介温谱图；和（ｂ）?ＫＮｂ０３－ＮａＮｂ０３二元固溶体的相图［３Ｇ，３１］??Ｆｉｇ．?１－５?（ａ）?Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ?ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｃｏｎｓｔａｎｔ?ｏｆ?ＫＮｂ〇３；?ａｎｄ?（ｂ）?Ｐｈａｓｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ??ＫＮｂ〇３－ＮａＮｂ〇３?ｐｓｅｕｄｏｂｉｎａｒｙ?ｓｏｌｉｄ?ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ＾３０．３１］??（Ｋ，Ｎａ）Ｎｂ〇３是由铁电体ＫＮｂ０３和反铁电体ＮａＮｂ〇３形成的二元无限固溶体。??降温过程中，与ＢａＴｉＣｂ相变过程类似：立方（ｍ３ｍ）?—？四方（４ｍｍ）?—？正交（ｍｍ２）??—三方（３ｍ），如图１－５所示［３Ｇ’３１］。在上世纪５０年代，Ｅｇｅｒｔｏｎ和Ｄｉｌｌｏｎ首次报??道了（Ｋ，Ｎａ）Ｎｂ〇３陶瓷的介电、压电性能；并发现当Ｋ／Ｎａ比例在１：１附近时具有最??优的压电性能：必３约为８０ｐＣ／Ｎ和机电耦合系数知约为０．３４［３２，３３］。随后，Ｅｇｅｒｔｏｎ??等人又采用热压的方法制备了?ＫＧ．５Ｎａ〇．５Ｎｂ０３陶瓷，压电性能（＊３?＝?１６０?ｐＣ／
【参考文献】：
期刊论文
[1]透明陶瓷——无机材料研究与发展重要方向之一[J]. 江东亮. 无机材料学报. 2009(05)
[2]激光陶瓷中的缺陷(一)[J]. 冯锡淇. 激光与光电子学进展. 2006(11)
[3]透明陶瓷材料现状与发展[J]. 吉亚明,蒋丹宇,冯涛,施剑林. 无机材料学报. 2004(02)
博士论文
[1]钛酸铋钠基压电陶瓷的电致应变及电致伸缩特性研究[D]. 吴磊.南京大学 2018
[2]铌酸钾钠基无铅陶瓷的压电及其稳定性研究[D]. 姚方周.清华大学 2016
[3]Nd:YAG透明陶瓷的制备、显微结构及激光性能研究[D]. 刘文斌.上海交通大学 2012
[4]透明陶瓷的光传输机理及散射模型研究[D]. 李卿.华中师范大学 2011
[5]关于光电陶瓷PLZT稀土掺杂的发光特性研究及其电光特性的应用[D]. 厉宝增.中国科学技术大学 2007
[6]基于透明电光陶瓷偏振控制器及其算法的设计与研究[D]. 李伟文.浙江大学 2005
硕士论文
[1]PLZT电控光散射陶瓷微结构调控及性能研究[D]. 宋飞飞.上海师范大学 2018
本文编号：3278188
【文章来源】：陕西师范大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－３?ＡＢ０３型钙钛矿结构的结构基元??
接而成，Ａ离子填充在［Ｂ０６］八面体的空隙内。Ａ、Ｂ离子的配位数分别为１２和６。??钙钛矿铁电体的自发极化主要来源于Ｂ离子偏离八面体中心的运动。??钙钛矿结构在高温时为立方晶系，温度降到某个特定值，晶体结构发生畸变??导致对称性下降。若在一个轴向发生畸变时，由立方晶系变为四方晶系；若在两??个轴向发生畸变，变为正交晶系；若在知对角线方向发生畸变，则变为三方晶系。??由于这些畸变，许多钙钛矿结构的晶体会产生自发极化而成为铁电体［１（）］。??Ｍｉｃｒｏ?Ｍｅｓｏ?Ｍａｃｒｏ??图１－４铁电陶瓷中的晶粒和电畴ｍ］??Ｆｉｇ．?１－４?Ｔｈｅ?ｍｕｌｔｉｓｃａｌｅ?ｂｅｈａｖｉｏｒ?ｏｆ?ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｃｅｒａｍｉｃ［１１］??陶瓷是由许多随机取向的晶粒组成，而每个小晶粒又包含多个电畴，如图１－４??所示［１１］。铁电陶瓷虽然存在自发极化，但各晶粒间自发极化方向混乱，因而不显??示极性。就是说，铁电陶瓷只有预先经强直流电场处理，使陶瓷中的电畴沿电场??方向取向排列（极化），才能具有压电性，这类陶瓷统称为压电陶瓷。??１．２．２钙钛矿型无铅压电陶瓷的简介??目前，无铅压电陶瓷材料主要包括興钛矿结构、鹤青铜结构和秘层状结构的??压电陶瓷。ＢａＴｉ０３（ＢＴ）基压电陶瓷，ＢｉＱ．５Ｎａ〇．５Ｔｉ０３（ＢＮＴ）基压电陶瓷和（Ｋ，Ｎａ）Ｎｂ〇３??（ＫＮＮ）基压电陶瓷均为钙钛矿结构。这主要介绍钙钛矿型无铅压电陶瓷。??８＆丁丨０３是最早于１９４６年发现并商用化的压电陶瓷。降温过程中，在１２０?°Ｃ??处发生立方（ｍ３ｍ）顺电到四方（４ｍｍ）铁电相变，继续降温，在５?°Ｃ和－９０?°Ｃ??处分别发生四方（４ｍｍ）—正
?〇?；?ｉ?？？?ｉｆ＇ｉ、?？??ｕ?Ｊ５Ｏ０．?Ｒｈｏｍｂ?ｊ?Ｏｒｔｈ?ｊ?Ｔｅｔｒ?，?ＣｕｂＫ：?？????，一＂■一－＂??ｆ?；?＾?？．?／?＞？?－?ｆｏ，?＾Ｏ－；?，３＊＊?？?Ｗ＞??°?？？－?．?ｉ?．．＿＿＿＿＿?＞Ｔ???－？〇〇?－Ｗ?Ｏ?０＞?ｔＭ?Ｘ？?（ＣＯ?ＴＯＯ?０，０？？？０?於?＊０？＊ＯＷ？＊４Ｗ９＊ｉ００??Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?（＾）?ｎ＾ｃ〇，ｃｍ〇ｓ＊％＞?Ｎａ，＊＞０？??图１－５?（ａ）?ＫＮｂ０３的介温谱图；和（ｂ）?ＫＮｂ０３－ＮａＮｂ０３二元固溶体的相图［３Ｇ，３１］??Ｆｉｇ．?１－５?（ａ）?Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ?ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｃｏｎｓｔａｎｔ?ｏｆ?ＫＮｂ〇３；?ａｎｄ?（ｂ）?Ｐｈａｓｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ??ＫＮｂ〇３－ＮａＮｂ〇３?ｐｓｅｕｄｏｂｉｎａｒｙ?ｓｏｌｉｄ?ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ＾３０．３１］??（Ｋ，Ｎａ）Ｎｂ〇３是由铁电体ＫＮｂ０３和反铁电体ＮａＮｂ〇３形成的二元无限固溶体。??降温过程中，与ＢａＴｉＣｂ相变过程类似：立方（ｍ３ｍ）?—？四方（４ｍｍ）?—？正交（ｍｍ２）??—三方（３ｍ），如图１－５所示［３Ｇ’３１］。在上世纪５０年代，Ｅｇｅｒｔｏｎ和Ｄｉｌｌｏｎ首次报??道了（Ｋ，Ｎａ）Ｎｂ〇３陶瓷的介电、压电性能；并发现当Ｋ／Ｎａ比例在１：１附近时具有最??优的压电性能：必３约为８０ｐＣ／Ｎ和机电耦合系数知约为０．３４［３２，３３］。随后，Ｅｇｅｒｔｏｎ??等人又采用热压的方法制备了?ＫＧ．５Ｎａ〇．５Ｎｂ０３陶瓷，压电性能（＊３?＝?１６０?ｐＣ／
【参考文献】：
期刊论文
[1]透明陶瓷——无机材料研究与发展重要方向之一[J]. 江东亮. 无机材料学报. 2009(05)
[2]激光陶瓷中的缺陷(一)[J]. 冯锡淇. 激光与光电子学进展. 2006(11)
[3]透明陶瓷材料现状与发展[J]. 吉亚明,蒋丹宇,冯涛,施剑林. 无机材料学报. 2004(02)
博士论文
[1]钛酸铋钠基压电陶瓷的电致应变及电致伸缩特性研究[D]. 吴磊.南京大学 2018
[2]铌酸钾钠基无铅陶瓷的压电及其稳定性研究[D]. 姚方周.清华大学 2016
[3]Nd:YAG透明陶瓷的制备、显微结构及激光性能研究[D]. 刘文斌.上海交通大学 2012
[4]透明陶瓷的光传输机理及散射模型研究[D]. 李卿.华中师范大学 2011
[5]关于光电陶瓷PLZT稀土掺杂的发光特性研究及其电光特性的应用[D]. 厉宝增.中国科学技术大学 2007
[6]基于透明电光陶瓷偏振控制器及其算法的设计与研究[D]. 李伟文.浙江大学 2005
硕士论文
[1]PLZT电控光散射陶瓷微结构调控及性能研究[D]. 宋飞飞.上海师范大学 2018
本文编号：3278188
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