Sr<,2>Bi<,4>Ti<,5>O<,18>铁电体A位掺杂结构和性能研究

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本论文着重于层状钙钛矿结构铁电材料Sr2Bi4Ti5O18(SBTi)的A位掺杂研究。通过研究其陶瓷样品的晶体结构、铁电和介电性能,探讨了A位掺杂对层状钙钛矿结构铁电材料性能的影响机理。 SBTi类钙钛矿层的A位含有两种阳离子:三价的Bi3+和二价的Sr2+。很多文献报道了用其他离子取代A位Bi离子的的实验,而对Sr离子的研究却不多。基于此,本论文采用传统的固相烧结工艺,制备了不同掺杂量的碱土金属元素Ba掺杂A位Sf离子的铁电陶瓷样品。同时,研究了Mn分别掺杂A位和B位的SBTi性能,对其结构进行了分析,发现掺杂基本未改变材料原来的晶体结构。Mn掺杂量很小时,能取代A位Sr离子。本论文还用MnO2掺杂Sr15Ba0.5Bi4Ti5O18,研究了陶瓷材料的弛豫性能,讨论了弛豫产生的机制。 利用同价位的Ba2+对Sr2Bi4TisOl8陶瓷材料进行A位掺杂,使得晶格常数逐渐增大。当外加电场为125 kV.cm-1时,SBTi的剩余极化2P,约为17.3μC.cm-2,Ec约为54 kV/cm。当掺杂量为2.0时,2P,和Ec分别为0.3μC/cm2和1.8 kV/cm。随着掺杂量的增加,铁电性能呈单调下降趋势,且在掺杂量小于0.75时,2Pr和Ec减小的速率大于掺杂量大于0.75。未掺杂的SBTi的居里温度为285℃,随着掺杂量逐渐增加样品居里温度逐渐降低,掺杂量为0.75的时最低是150℃。进一步掺杂,居里温度逐渐升高。当x=2时Tc为300℃。对于BLSFs,Tc与晶格畸变有关,晶格畸变越大,Tc越高。离子半径较大的Ba2+占据离子半径较小的A位Sr2+引起畸变变小,导致了低的相变温度。因此2Pr随掺杂量增加而减小是由于晶格畸变变小引起的。同时,Ba掺杂介电峰显著宽化,表明铁电一顺电相交发生弥散。同时,相对介电常数ε产生频率色散现象,表现出弛豫铁电体特性。随着掺杂量的增加,弛豫程度先增大后减小。当掺杂量为0.5时,弛豫性能最明显,△T为52℃,弛豫指数为1.79。弛豫的原因可能是,随着掺杂量逐渐增大,Sr2+和Ba2+的无序度增大,从而导致铁电宏畴变小,铁电性能降低,弛豫性能增加。但是当x>0.75时,弛豫性能诼渐降低,可能是当Ba含量超过一定量时,Sr2+和Ba2+的无序度降低,可以看作少量的Sr离子掺杂BazBi4TisO18A位Ba离子。通过计算发现,计算得到的弛豫激活能与典型的弛豫体激活能数量级相同,因此VF关系能够很好地描述陶瓷样品的弛豫性能。由此可见,弛豫铁电体表现出类似自旋玻璃态的特征。用Mn元素掺杂SrzBi4Ti5O18的A位和B位,小量掺杂未改变材料原来的晶体结构。掺杂量小于一定量时,Mn元素能取代A位Sr离子。小量掺杂,样品的居里温度基本不变。当外加磁场为2500Oe时,A-SBTi-0.02的剩余磁化强度为5.39×10-6emu/g,而B-SBTi-0.02的剩余磁化强度为3.74×10-7 emu/g。A位和B位掺杂都引起了陶瓷材料的弱磁性能,但两者值相差较大,表明Mn离子取代了不同离子,同时也表明A位离子对陶瓷材料的磁电性能影响较大。 用MnO2掺杂Sr1.5Ba0.5Bi4Ti5O18陶瓷材料,实验结果表明,随着掺杂量的增加,Sr15Ba0.5Bi4Ti5O18的弛豫性能逐渐减弱。这可能是因为MnO2进入晶界,加强了各弛豫铁电体微畴之间的联系,微畴逐渐变成宏畴导致的。
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