【摘 要】
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钙钛矿铁电体具有自发极化,在电场作用下可高效调控离子位移,在计算机存储器、压电材料等方面应用前景广阔。钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3,NBT)作为一种自发极化值较高、可替代现
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钙钛矿铁电体具有自发极化,在电场作用下可高效调控离子位移,在计算机存储器、压电材料等方面应用前景广阔。钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3,NBT)作为一种自发极化值较高、可替代现有铅基铁电材料的ABO3型无铅钙钛矿铁电体,对其结构与性能的研究主要面临两种问题:（1）A位Na、Bi元素化合价不等价导致NBT的A位阳离子的分布尚存争议;（2）Bi元素在热处理过程中极易挥发,缺陷导致的漏电使NBT的电学性能恶化。本课题采用实验合成表征和第一性原理计算相结合方法,深入探究A位阳离子分布对NBT的本征结构和电学性能的作用机制。采用XRD、TEM、拉曼光谱和介电测量等手段对NBT陶瓷样品进行了测试,在室温下检测到了NBT中的局部结构（纳米微区）。通过TEM检测到了纳米微区的化学成分为Bi富集区域,Bi富集纳米微区的存在诱发了NBT在高频下的弛豫行为。为改善NBT在电学性能方面难以极化、低频弛豫性弱等缺点,采用多离子溶胶-凝胶法制备A位掺杂的(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06TiO3（NBT-6BT）陶瓷、A位与B位共同掺杂的(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06(Nb0.05Ti0.95)O3（Nb-NBBT6）陶瓷,并对比分析了NBT、NBT-6BT和Nb-NBBT6陶瓷的晶体结构及电学性能的演变。NBT的晶体对称性主要受A位离子的影响,B位离子影响对其较小。A位、B位掺杂能够增强NBT的弛豫性,并且在相对高的温度、较宽的温度范围内有稳定的高介电常数。掺杂后铁电陶瓷的极化更易于翻转,并在室温和高温下有储能应用的潜力。第一性原理计算结果验证了NBT存在A位阳离子成分起伏。Na+TiO3单胞的能量最高且未能收敛,表明Na+TiO3并非为一稳定晶体结构;Bi3+TiO3单胞的能量最低,故实验中NBT较容易观察到Bi富集的纳米微区。Bi富集会增大NBT晶胞的晶格常数,并且使Bi-O键的键合更强更稳定,同时Bi富集的强Bi-O键作用范围有局域性,验证了Bi富集微结构的纳米尺度。Bi-O键、Ti-O键的电子云极化更强。利用Born有效电荷对三方铁电相的NBT晶胞估算出的自发极化值为0.78 C/m2（77.54μC/cm2）,证明了NBT的优良铁电性以及改性应用的巨大潜力。
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