点缺陷对钛酸钡基铁电体物理性能的影响及相关铁电畴结构的表征

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铁电体材料是一种电介质功能材料,因其具有介电、压电、铁电、热释电等多种物理性能,被广泛的应用于工业生产及生活的各个领域。铁电体的这些物理性能会受到材料中点缺陷(如掺杂、空位等)等因素的影响。例如,在铁电体材料中掺杂受主离子会引起材料的时效效应,即物理性能随时间演化;等价离子掺杂将改变铁电体材料的相变温度。另一方面,铁电体材料表现为自发极化局域一致的铁电畴结构,铁电体的性能可以通过铁电畴结构表征。本文从典型的铁电体钛酸钡体系出发,针对其铁电时效现象以及准同型相界的压电优化行为,研究了点缺陷对铁电体物理性质的影响。进一步通过铁电畴结构的表征,研究点缺陷影响物理性质的机理。  首先,本文研究了受主掺杂钛酸钡材料中由时效导致的两步铁电-顺电相变行为。正常的铁电-顺电相变是发生在居里温度点的单步相变。然而,本文发现对Mn3+离子(受主)掺杂的Ba(Zr0.01Ti0.98Mn0.01)O3陶瓷进行居里温度(DSC峰值温度)时效,并冷却到铁电相后,其相变的DSC差热分析峰出现分裂,表明其铁电-顺电相变呈现出奇异的两步相变的行为。进一步研究DSC峰温随着时效时间的变化,分裂的高温支DSC峰的峰温随着时效时间呈现先升高后稳定的变化趋势,表明在高温相变的部分符合铁电相稳定过程的变化规律。为了进一步研究两步相变的铁电畴结构演化,本文又对DSC峰温时效后Mn3+离子掺杂的钛酸钡单晶进行了光学显微镜的原位升温实验,观察样品的铁电-顺电相变过程。结果显示,在时效温度下,样品表现为铁电相和顺电相的两相共存。时效后冷却到铁电相并且重新加热的过程中,先前时效中顺电相的部分在较低的温度相变,对应于第一步相变(分裂DSC峰的低温支);先前时效中铁电相的部分在较高的温度相变,对应于第二步相变(分裂DSC峰的高温支)。最后,通过讨论受主掺杂铁电体的点缺陷对称性与晶体结构对称性的一致性趋势,本文对两步相变的微观机理进行了解释。  其次,本文研究了受主掺杂钛酸钡材料中时效诱发的相变温度循环下铁电畴记忆的现象。铁电材料现出能级简并且符合晶体对称性的多个铁电畴状态,组成铁电畴结构。在受到外界扰动,例如外加电场或者相变温度循环后,通常铁电畴结构不能回复到扰动前的状态。然而,本文通过对四方相下时效处理后的K+离子(受主)掺杂BaTiO3单晶进行原位变温的光学显微观察,发现样品在经历了四方-正交-四方循环之后,铁电畴恢复到先前的状态,即时效后的铁电畴结构在相变循环中表现出记忆效应。另外,相应的宏观性能电滞回线也表现出“记忆”效应,即在历经四方-正交-四方循环后恢复到初态(双电滞回线)。进一步通过与未掺杂铁电体、去时效钛酸钡单晶样品的原位变温光学显微实验对比,分析了点缺陷和时效在铁电畴记忆效应中的作用。最后,本文从点缺陷对称一致性理论出发讨论了铁电畴记忆效应的机理。  另外,通过等价掺杂(A位掺杂Ca2+,B位掺杂Zr4+)构造准同型相界MPB可以有效提高钛酸钡的压电性能,Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3(简称BZT-BCT)非铅压电陶瓷体系在MPB的压电系数d33可高达620pC/N。为了研究该非铅压电体系强压电性能的原因,本文从BZT-BCT材料的铁电畴结构出发,应用透射电子显微技术,对其性能-电畴结构关系进行研究。对“成分改变诱发”以及“温度改变诱发”的菱方-MPB-四方相变进行压电性能和电畴结构表征后,发现在压电性能最优的MPB区域,微观结构对应于“大畴套小畴的”等级型铁电畴结构。进一步的汇聚束电子衍射实验表明,在MPB成分菱方相与四方相在纳米尺度共存。等级型畴结构中的小型化畴与BZT-BCT材料优良压电性能是对应的。  最后,本文还从理论上推导了无铅Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3体系小型化畴与大压电性能关联性的理论依据。通过建立基于三临界点各项极化同性的Landau-Ginzburg模型,并且运用类一维解法,计算在准同型相界MPB上的菱方-四方铁电畴壁能量,得出在极化的各项异性较小的MPB处,畴壁能量很小,铁电畴尺寸变得很小。另一方面,通过对准同型相界附近压电系数的理论计算,可知极化旋转容易的MPB处压电性能最大。于是通过推算建立了小型化畴与大压电效应之间的联系的理论基础。  综上所述,为了理解点缺陷(本论文中包括受主掺杂和等价掺杂)对铁电体物理性能的影响,本文分别研究了存在于钛酸钡体系中受主点缺陷掺杂引起的铁电体时效以及等价点缺陷掺杂构造的准同型相界对于物理性能的影响,通过进一步表征铁电畴结构,研究点缺陷对铁电物理性能影响的机理。相关的主要结论如下:(1)受主掺杂点缺陷的引入,会在铁电体中诱发出氧空位,其在体系中随时间迁移造成时效效应,从而稳定铁电相。表现为居里温度点的升高和铁电畴的稳定,从而导致两步铁电-顺电相变和温度循环下铁电畴结构的记忆效应。(2)等价掺杂构造铁电-铁电准同型相界MPB可以有效提高钛酸钡的压电性能,高性能压电材料BZT-BCT在高性能MPB区域对应于等级式的小型化铁电畴结构。
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