陶瓷(ci)的晶(jing)體和晶(jing)粒結(jie)構(gou)、介(jie)電(dian)和壓電性(xing)能(neng) 研(yan)究背(bei)景(jing)

(1-x-y)BiFeO3-xPbFe0.5Nb0.5O3-yPbTiO3陶瓷(ci)的晶(jing)體和晶(jing)粒結(jie)構(gou)、介(jie)電(dian)和壓電性(xing)能(neng)

研(yan)究背(bei)景(jing)

具有共(gong)存(cun)電、磁或(huo)彈性(xing)有序(xu)性(xing)的多鐵(tie)性材(cai)料因(yin)其(qi)廣(guang)泛(fan)的可能(neng)應(ying)用(yong)，包括交變和磁場(chang)傳(chuan)感器(qi)、存(cun)儲元(yuan)件(jian)和自旋(xuan)電子(zi)器(qi)件(jian)的生產(chan)，目(mu)前是材料(liao)科(ke)學中研(yan)究最(zui)深入的對(dui)象(xiang)之(zhi)壹。鈮(ni)鐵(tie)酸鉛(qian)是壹種(zhong)的多鐵(tie)體，具有鈣鈦礦型(xing)結(jie)構(gou)，具有壹(yi)般(ban)的化學式(shi)，在(zai)T_C~370 K時(shi)從(cong)順電（PE）到鐵(tie)電（FE）相(xiang)的擴散(san)相(xiang)變(bian)。FE和反鐵(tie)磁（AFM）有序(xu)僅在(zai)TN~120-150 K以(yi)下共(gong)存(cun)，其(qi)中TN是Neel溫度。鉍鐵(tie)氧體BiFeO₃（BF）也(ye)是多鐵(tie)性的，具有T_C~1103 K、TN~643 K和在(zai)[110]方向具有非(fei)公(gong)度擺線磁(ci)序的G型(xing)反(fan)鐵(tie)磁性(xing)。這兩(liang)種(zhong)材(cai)料目(mu)前被認(ren)為是許(xu)多磁電結(jie)構(gou)的基礎(chu)。然而(er)，它(ta)們(men)廣(guang)泛(fan)使(shi)用受到幾(ji)個因(yin)素的限(xian)制。對(dui)於(yu)鉍鐵(tie)氧體而(er)言(yan)，在(zai)單(dan)相(xiang)狀態下獲得BF和鐵(tie)電疇(chou)重新(xin)定(ding)向所(suo)需的*矯頑電場（EC）是很困難(nan)的。此(ci)外(wai)，PFN和BF的特(te)點是，由於(yu)其(qi)結(jie)構(gou)中(zhong)存(cun)在(zai)變(bian)價離子(zi)（Fe²⁺/Fe³⁺）和氧空位(wei)，電(dian)導(dao)率增(zeng)加(jia)。然(ran)而(er)，基於(yu)BF或PFN的改(gai)性或(huo)固溶體的產生(sheng)使(shi)得穩定(ding)結(jie)構(gou)和改(gai)善所(suo)獲得陶瓷(ci)的特(te)性成為可能(neng)。長期以(yi)來(lai)，二(er)進(jin)制系(xi)統基於(yu)多鐵(tie)性壹(yi)直(zhi)是人(ren)們(men)積極(ji)研(yan)究的課題(ti)，（1-x）BiFeO₃-xPbTiO₃體(ti)系(xi)受到了廣(guang)泛(fan)關(guan)註(zhu)。鈦酸(suan)鉛(qian)PbTiO₃（PT）的引入(ru)穩定(ding)了鈣鈦礦相(xiang)，並(bing)在(zai)x~0附(fu)近(jin)形(xing)成了壹(yi)個晶(jing)型(xing)相(xiang)界(jie)（MPB）。在(zai)該區域，（1-x）BFxPT系(xi)統顯示出(chu)相(xiang)當高的壓電特(te)性，但(dan)同時(shi)保(bao)持(chi)較高的導(dao)電(dian)性。在(zai)這(zhe)方面(mian)，近(jin)年(nian)來(lai)，通(tong)過(guo)創(chuang)建基於(yu)BF和PT的三元(yuan)系(xi)固溶體來(lai)獲得新(xin)的多鐵(tie)性材(cai)料受到了相(xiang)當大的關註(zhu)。最有希(xi)望(wang)的體系(xi)之(zhi)壹是（1-x-y）BF-xPFNyPT三元(yuan)體(ti)系(xi)，根據文獻(xian)數據和我們(men)的初(chu)步(bu)研(yan)究，其(qi)中存(cun)在(zai)具有共(gong)存(cun)的菱形（Rh）和四方（T）相(xiang)的MPB。，具有MPB的材料(liao)可以(yi)表現(xian)出(chu)的性能(neng)，並改(gai)善所(suo)研(yan)究陶瓷(ci)的電生(sheng)理特(te)性。之(zhi)前發(fa)現(xian)在(zai)具有高PFN濃度（成分0.25BF-0.63PFN-0.12PT）的相(xiang)圖(tu)區域，該系(xi)統的樣品(pin)表現(xian)出(chu)相(xiang)對(dui)較高的壓電活(huo)性（高達350 pC/N），並在(zai)相(xiang)對(dui)較低(di)的矯頑場下表現(xian)出(chu)較高的剩余極(ji)化值。在(zai)這(zhe)方面(mian)，重要的是建立三元(yuan)系(xi)（1-x-y）BF-xPFN-yPT樣品(pin)在(zai)高PFN含(han)量相(xiang)圖(tu)區域的結(jie)構(gou)、微(wei)觀結(jie)構(gou)、介(jie)電(dian)和壓電特(te)性的形成規律(lv)。

摘(zhai)要亮點

準二(er)元(yuan)濃度段陶瓷(ci)(x=0.50, 0.1≤y≤0.2, Δy=0.025) 三元(yuan)固(gu)溶體體系(xi)(1-x-y)BiFeO₃-xPbFe_0.5Nb_0.5O₃-yPbTiO₃是采用常(chang)規(gui)固(gu)相(xiang)反(fan)應(ying)法(fa)制備(bei)的。利用(yong)x射線(xian)衍(yan)射技術，構建了該體系(xi)的相(xiang)圖(tu)，其(qi)中包(bao)括立方對(dui)稱區和四方對(dui)稱區，以(yi)及它(ta)們(men)之(zhi)間的晶(jing)型(xing)相(xiang)界(jie)。研(yan)究了(le)所選固(gu)溶體的晶(jing)粒形(xing)貌、介電和壓電性(xing)能(neng)。獲得了(le)最(zui)高壓電系(xi)數d₃₃=260pc/N。陶瓷(ci)的介電(dian)特(te)性揭(jie)示了(le)鐵(tie)電弛(chi)豫行(xing)為(wei)，即(ji)在(zai)350‑500K的溫度範(fan)圍(wei)內，從(cong)順電相(xiang)到(dao)鐵(tie)電相(xiang)的擴散(san)相(xiang)變(bian)區域。