鐵電材料在當(dāng)今社會(huì)有很多應(yīng)用,比如壓電傳感器,驅(qū)動(dòng)器,換能器,光伏,光催化等等。尤其是高性能的鐵電材料非常重要并且得到廣泛使用,也是先進(jìn)材料研究的熱點(diǎn)之一。為了保持社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,不少?lài)?guó)家對(duì)研究新型的無(wú)鉛壓電陶瓷投入了不少的努力。缺陷對(duì)壓電材料的性能非常重要,有好的一面,也有差的一面。本論文主要通過(guò)鐵電體缺陷來(lái)研究材料的壓電性能,介電性能,光電性能和光催化性能的影響。(1)Li_2CO_3摻雜BaTiO_3的占位及其性能的研究;(2)LiF摻雜BaTiO_3的占位及其性能的研究;(3)NiO和Nb_2O_5摻雜BaTiO_3的光吸收的研究;(4)La_2O_3摻雜SrBi_2Nb_2O_9鐵電材料的光催化的研究。我們用固相法制備了三種形式的Li_2CO_3摻雜BaTiO_3的陶瓷,(1)(Ba_(1-x)Li_x)TiO_(3-x/2)(2)Ba(Ti_(1-x)Li_x)O_(3-3x/2)(3)x/2 Li_2CO_3+BaTiO_3,對(duì)于這三種我們都研究了Li~+離子的穩(wěn)定占位,所有陶瓷的密度都大于95%。結(jié)果顯示Li_2CO_3摻雜BaTiO_3陶瓷的晶胞參數(shù),晶粒大小和電性能都隨著Li~+離子的不同占位而變化。隨著Li~+含量的增加,Ba_(1-x)Li_xTiO_(3-x/2)陶瓷的晶胞體積減小,BaTi_(1-x)Li_xO_(3-3x/2)陶瓷的晶胞體積增大。x/2Li_2CO_3+BaTiO_3陶瓷在Li~+離子少量摻雜的情況下,晶胞體積減小,而增大Li~+離子的摻雜濃度時(shí),晶胞體積增大。所有Li_2CO_3摻雜的BaTiO_3都顯示出類(lèi)似反鐵電相的雙電滯回線(xiàn)。通過(guò)比較三種陶瓷,我們得出在x/2Li_2CO_3+BaTiO_3陶瓷中,Li~+離子濃度低的時(shí)候首先占據(jù)A位,而在摻雜濃度高的時(shí)候則占據(jù)B位。通過(guò)改變Ba/Ti,系統(tǒng)地研究了LiF摻雜BaTiO_3陶瓷,即A位LiF摻雜Ba_(1-x)Li_xTiO_(3-x)F_x(A:BLiFT-x),B位LiF摻雜BaTi_(1-x)Li_xO_(3-2x)F_x(B:BTLiF-x)和LiF外摻x/2LiF+BaTiO_3(C:LiFBT-x)的三組陶瓷(x=0%,1%,3%,5%,7%)。通過(guò)XRD和顯微結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的比較,得出LiF在A:BLiFT-x和C:LiFBT-x陶瓷中,Li~+離子占據(jù)A位,F~-離子占據(jù)O位,但是LiF的溶解度較小,大部分Li~+離子和F~-離子占據(jù)間隙位。隨著LiF含量的增加,出現(xiàn)第二相,因此在居里溫度附近出現(xiàn)兩個(gè)峰。隨著LiF的增加,平面機(jī)電耦合系數(shù)(k_p)和壓電常數(shù)(d_(33))的值先增加后減小。在B:BTLiF-x陶瓷中,Li~+離子占據(jù)B位,F~-離子占據(jù)O位,形成[Li_(Ti)-F_O]~(2-)缺陷偶極子,出現(xiàn)瘦腰的電滯回線(xiàn)。隨著LiF含量的增加,陶瓷的d_(33)和k_p的值是下降的。但是這三組陶瓷,隨著LiF的增加,介電常數(shù)上升,居里溫度下降。采用固相法制備的BaTi_(1-x)[Ni_(1/2)Nb_(1/2)]_xO_(3-)δ(x=0%,1%,2%,3%,4%,5%)(BTNN-x)陶瓷。隨著NiO和Nb_2O_5摻雜含量的增加,可見(jiàn)光的吸收逐漸增強(qiáng)。令人驚訝的是,如果把陶瓷研磨成粉末基本上沒(méi)有可見(jiàn)光的吸收。這表明可見(jiàn)光的吸收不是BaTi_(1-x)[Ni_(1/2)Nb_(1/2)]_xO_(3-δ)陶瓷的本征性能。因此,我們認(rèn)為陶瓷晶界對(duì)可見(jiàn)光的吸收作用是非常重要的。在晶界處非常復(fù)雜的缺陷結(jié)構(gòu)和扭曲的晶體結(jié)構(gòu)或許可以得到工程上的應(yīng)用。運(yùn)用第一性原理計(jì)算也表明深的缺陷能級(jí)是可見(jiàn)光吸收的主要原因,這個(gè)結(jié)論也是第一次發(fā)現(xiàn)和報(bào)道的。使用固相法制備了La_2O_3摻雜的SrBi_(2-x)La_xNb_2O_9鐵電粉末和陶瓷,研究了光催化效應(yīng)和自發(fā)極化強(qiáng)度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)光催化的性能與自發(fā)極化并不總是有關(guān)聯(lián)的。拉曼光譜揭示了SrBi_(2-x)La_xNb_2O_9的微觀結(jié)構(gòu)與La~(3+)離子的濃度相關(guān)。在摻雜含量La~(3+)≤0.02時(shí),La~(3+)離子占據(jù)Bi_2O_2層的Bi~(3+)位,當(dāng)摻雜含量La~(3+)0.02時(shí),La~(3+)離子占據(jù)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)SrNb_2O_7的Sr位,并且自發(fā)極化隨著La~(3+)含量的增加而增加。當(dāng)摻雜含量La~(3+)≤0.02時(shí),主要是由于氧空位的減少,漏電流隨著La~(3+)離子的增加而減少,光電流和光催化的效率隨著La~(3+)含量的增加而增加。當(dāng)摻雜含量La~(3+)0.02時(shí),隨著La~(3+)含量的增加,由于形成La~+_(Sr)缺陷,盡管自發(fā)極化是逐漸增大的,但是漏電流增大,而光電流和光催化效率減小,表明缺陷La~+_(Sr)對(duì)載流子的運(yùn)輸比自發(fā)極化的作用更重要。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TB34
【部分圖文】：

圖 1.1 BaTiO3陶瓷的晶胞參數(shù)，介電溫譜和自發(fā)極化方向[95]ure 1.1 Crystal cell parameters, dielectric temperature spectrum and spontaneous polarizatdirection of BaTiO3ceramics[95]很多科學(xué)家對(duì) BaTiO3的壓電性能進(jìn)行了研究。Arlt[96]等報(bào)道晶粒尺寸與寸的關(guān)系如圖1.2(a)所示。Wada[97]等報(bào)道電疇尺寸與電性能的關(guān)系如圖1，總體說(shuō)來(lái)，晶粒越大，電疇就越大，電疇越大，電性能就越小。Ghosh 等報(bào)道當(dāng)晶粒尺寸在 1-2.3μm 會(huì)得到很好的性能[98,99]。然而當(dāng)晶粒尺寸在nm 之間時(shí)，室溫下就是順電相[100-101]。Karaki[102]等報(bào)道使用水熱法合成iO3，再經(jīng)過(guò)兩步法燒結(jié)的陶瓷能夠獲得 500pC/N 的壓電常數(shù)。

[96]等報(bào)道晶粒尺寸與電疇尺寸的關(guān)系如圖1.2(a)所示。Wada[97]等報(bào)道電疇尺寸與電性能的關(guān)系如圖1.2(b)所示，總體說(shuō)來(lái)，晶粒越大，電疇就越大，電疇越大，電性能就越小。Ghosh 和Tan 等報(bào)道當(dāng)晶粒尺寸在 1-2.3μm 會(huì)得到很好的性能[98,99]。然而當(dāng)晶粒尺寸在 10-100nm 之間時(shí)，室溫下就是順電相[100-101]。Karaki[102]等報(bào)道使用水熱法合成的BaTiO3，再經(jīng)過(guò)兩步法燒結(jié)的陶瓷能夠獲得 500pC/N 的壓電常數(shù)。8 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所博士學(xué)位論文

圖 1.3 BaTiO3-基二元相圖(a)BT-ST[105](b)BT-BZ[106](c)BT-CT[109]和(d)BZT-BCT[110]Figure 1.3 The binary phase diagrams of BaTiO3based solid solutions: (a) BT-ST[105](b) BT-BZ[106](c) BT-CT[109]and (d) BZT-BCT[110]

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 曾濤;漏琦偉;白楊;姚偉峰;王保鋒;;鐵電材料光催化的研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2014年S1期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 凌盛龍;基于電子順磁共振方法的膜蛋白結(jié)構(gòu)解析以及功能研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

2 李津蓉;拉曼光譜的數(shù)學(xué)解析及其在定量分析中的應(yīng)用[D];浙江大學(xué);2013年

3 阮華;在線(xiàn)拉曼分析系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與工業(yè)應(yīng)用[D];浙江大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2831621