高居里点钙钛矿型压电薄膜材料的制备、结构与性能研究

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高居里点压电薄膜材料的研究是信息功能陶瓷材料研究的前沿领域。本论文研究高居里点Bi(Me)O3-PbTiO3材料体系,其中主要是BiScO3-PbTiO3(BSPT)体系压电薄膜材料的制备以及结构和性能的影响因素进行分析研究。首先,简要介绍溶胶-凝胶法在Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上制备多晶BSPT薄膜的工艺以及薄膜结构性能的表征方法,讨论了成分对其结构性能的影响。对介电、铁电、压电随薄膜厚度的变化及相关物理机制进行较为详细的讨论,表明界面层的性质对薄膜的各项电学性能有重要影响,薄膜厚度的增大能有效提高压电、介电性能。其次,主要讨论了高度(100)择优取向的BSPT薄膜的制备和及其性能。详细研究利用PbO晶种层进行高度(100)择优取向的多晶BSPT薄膜的制备工艺并探讨了其生长机制;结果表明同时在界面和薄膜体内引入PbO晶种层,对提高薄膜的(100)择优取向度最为有效,且择优取向程度不随薄膜厚度增大而减小,950nm薄膜的Lotgering因子f时仍高达0.92。高度(100)取向的BSPT薄膜具有优异的性能,压电系数高达150pm/V。另外采用LaNiO3缓冲层也制备了(100)择优取向BSPT薄膜的制备,压电系数高达120pm/V,同时还有效改善了薄膜的疲劳性能。然后,采用溶胶-凝胶法制备了Bi(Me)O3-PbTiO3其它材料体系的多晶和外延压电薄膜。在Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上制备了BiSc1/2Fe1/2O3-PbTiO3,Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-PbTiO3(BZT-PT)以及BZT-BS-PT体系多晶薄膜并对其性能进行研究,其中BZT-PT薄膜具有很高的居里温度,PT含量为0.7时超过600℃,压电系数约为40pm/V。采用溶胶-凝胶法又在(001)SrTiO3(STO)单晶衬底上制备出外延生长的(001)BZT-PT薄膜,并具有优异的铁电和压电性能,剩余极化强度是相应多晶薄膜的将近三倍;而压电系数达到了75pm/V以上,比取向多晶BZT-PT薄膜的提高了将近一倍。最后,通过改变单晶基底在水热釜中的放置位置,采用水热法在STO单晶基底上制备出了致密平整厚度超过3微米并且是外延生长的BSPT厚膜,并对水热法制备的外延厚膜的独特性能进行研究。利用电泳沉积法对在模板上沉积BSPT纳米管阵列的制备工艺进行研究,分析了不同沉积条件(沉积电压、沉积电流、溶胶浓度等)对沉积样品的形貌和结构的影响,并初步表征了制备的BSPT纳米管阵列的铁电压电性能。
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