钙钛矿铁电材料的性能研究(2)

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1.2.3KBNNO氧化物体系4

1.2.4镍的掺杂机制5

1.3本论文研究的内容和主要意义6

1.3.1本论文研究的内容6

1.3.2本论文研究的主要意义6

2实验方法和内容7

2.1实验内容7

2.2陶瓷样品的制备7

2.2.1实验仪器和主要原料7

2.2.2陶瓷样品的制备工艺8

3陶瓷样品的性能测试与分析11

3.1XRD图谱具体分析11

3.2SEM图谱分析14

3.3介电常数图谱分析15

3.4电滞回线图谱分析16

3.5未来展望18

结论19

致谢20

参考文献21

1 引言铁电材料是一种具有铁电效应的材料，同时它还是具有压电性、热释电性、电光效应、声光效应和非线性光学效应的功能材料，在通信、电子、航天和传感等许多领域都有广泛的应用[1-3]。在铁电材料第一次被发现到如今大概一个多世纪的时间之内，它的发展速度越来愈快，在该领域内从刚开始的一片空白到今天各种理论的建立并且基本趋于完善，发现的材料种类也达到了上千种。到目前为止，对铁电材料和其应用的研究已经是凝聚态物理和固体电子学领域内醉热门的研究课题之一了[4]。而且，在最近的几年的时间里，人们针对铁电体陶瓷的性能做了许多实验和研究，取得了比较大的进展[5-10]。[KNbO3]1-x [BaNi1/2Nb1/2O3-δ]x (KBNNO)氧化物材料是具有铁电性质的钙钛矿铁电材料，而且在 1.1eV 至 3.8eV 区间的变化范围内展示出了直接带隙。它的性能在目前超过了一般的铁电材料一大截，能够吸收的太阳能比之多达 6 倍以上，使之能够很好地应用于太阳能方面。但是在目前的情况中，这种材料的能带隙位于紫外线范围内，能够通过调节铌酸钡镍含量让其能带隙进入可见光的范围之内并且使太阳能的转化率能接近理想值。本项目以 x=0.3 的[KNbO3]1-x [BaNi1/2Nb1/2O3-δ]x (KBNNO)氧化物材料作为研究的对象，探讨制备的陶瓷的不同温度下的各种性能，通过对实验数据的分析，希望能够找到合适的烧结温度从而制备出较好性能的陶瓷用于各种应用。
1.1 铁电材料的物理特性最初在一种钙钛矿的材料中发现了铁电现象，通过对其内部结构的观察，它晶格点阵上的离子在某一方向上被分成了正负离子，由此其内部产生了一个电耦极子，而电耦极子会随着外部的条件的变化发生变化，从而能表现出各种性能。在铁电材料与其他种类电介质材料的关系中，铁电材料是处在中心位置的，它可以说是集各种类型的电介质材料的性能于一身。因此无论是从科学层面还是从技术角度来说，对铁电体材料进行深度的研究都是具有非凡的意义。下面我们将对它的几种典型的物理性质进行介绍[11,12]。（1）压电性质铁电材料中压电效应的产生是由于晶体受到外界压力的作用，晶体内部正负电荷中心发生偏移而出现极化，使得晶体表面出现电荷。压电材料在铁电体方面的实用化推动了对压电效应的进一步研究。其应用在压电陶瓷这一块占据了大量的比例。铁电陶瓷在没有经过极化处理之前具有自发极化的随机取向性，通过极化处理之后，自发极化就会沿着择优取向[13]的最终方向进行。在撤去了外加的极化电场后，一些剩余极化仍然存在于陶瓷体的内部，从而形成了压电陶瓷。这种技术在压电传感器、换能器和马达等器件中应用的较多。（2）介电性质在本质上电场的作用和影响是通过电介质的极化来进行传递、存贮或者记录的，因此极化率（或者说电容率）是对电介质进行表征的做基本参量。作为一种特殊的电介质，铁电体的电容率具有数值很大，非线性效应较强，对温度和频率的依赖性较强。通过观察它的极化率在各种不同的条件下发生的变化，我们可以得到关于铁电体的结构、相变和缺陷的重要信息。基于它的这种性质，在大容量电容和 PTC 热敏元件中可以发挥很好的作用。（3）热释电性质对于普通的压电晶体，在没有外加电场干扰的自由状态下，晶体的极化强度是等于零的。然而铁电体由于本身结构的原因是处于自发极化的状态，因此在晶体上下两端的表面始终会吸附着异性电荷，这屏蔽了自发极化电锯的电场，使它在一般情况下不会显露出来。可是自发极化电锯的大小是与温度有关的，当温度发生变化时，被屏蔽的电荷就会被释放出来，这就是热电效应或者热释电效应。激光和红外等技术的发展大大促进了对热释电效应及其应用的研究，并且对热电理论的发展做出了重要贡献。铁电陶瓷是一种良好的热电材料，具有易于制作，并且成本低，机械性能和化学性能很稳定等优点。以热电晶体的热释电效应为基础，可以制作一种热释电探测器，它具有无选择性深测的特点。（4）非线性光学效应在外加电场的条件下，铁电体显示出了许多效应，在对铁电体的几种重要效应进行研究的过程中，人们加深了对它的极化机制及电子转移的过程的了解，并且在非线性光学等新的科技领域中应用了铁电体。而电光效应和非线性光学效应的起源都是介质材料的非线性极化频率转换和信息处理是其在光电技术中的重要应用。铁电体由于具有较大的线性极化率、较大的非线性光学系数和电光系数而占有很重要的地位。光学倍频器和参量振荡等就是利用这种效应制成。（5）铁电性对于铁电性这块的开发还比较少，但是这并不代表着它不重要，反而是说明了针对铁电性还需要进行很多的探索与研究，充分地挖掘出铁电材料的每一个特点。就目前来说，基于铁电性的应用比较多的是用在 NVRAM 非易失性随机访问存储器（Non-Volatile Random Access Memory）上。