發(fā)布時(shí)間：2021-04-19 05:57

　　金紅石型TiO2是一種典型的二元氧化物結(jié)構(gòu)電介質(zhì)材料,溫度降低至0K仍不發(fā)生鐵電相變。銳鈦礦型TiO2是一種晶格畸變較大的材料,且在較低溫度下容易制得。通過摻雜構(gòu)造多種晶型的TiO2的鐵電性,通過改變其晶體結(jié)構(gòu),從而獲得良好的電學(xué)性能。有研究表明通過應(yīng)力、摻雜等方式能調(diào)控TiO2的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)而調(diào)控其電性能。本文通過第一性原理計(jì)算施主-受主摻雜TiO2的結(jié)構(gòu)與電性能,指導(dǎo)后期實(shí)驗(yàn)。通過探究薄膜制備工藝得到合適摻雜的薄膜基體,改變薄膜中摻雜元素的用量,從而調(diào)控薄膜的電性能。通過對(duì)金紅石型TiO2進(jìn)行第一性原理計(jì)算,研究了不同摻雜離子對(duì)TiO2結(jié)構(gòu)與電性能的影響。結(jié)果表明,通過V5+-Al3+、Nb5+-Al3+和Ta5+-Al3+摻雜后,超晶胞中產(chǎn)生晶格畸變,V5+-Al3+離子摻雜時(shí),引入的電偶極矩最大,為1.4386×10-15D。通過Ta5+-Al3+、Ta5+-Ga3+和Ta5+-In3+摻雜后,Ta5+-Al3+共摻雜時(shí),超晶胞能量最低,Ta5+-In3+摻雜時(shí),摻雜引入的電偶極矩最大,為1.3511×10-15D。在摻雜離子半徑相似時(shí),摻雜引入的電偶極矩最大,此時(shí)摻雜離子與... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：78 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

TiO2的三種晶體結(jié)構(gòu)圖

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-3-回線，且當(dāng)Bi摻雜量超過一定值時(shí)，電滯回線變窄。圖1-2Sr1-1.5xBixTiO3在50Hz、11K時(shí)的電滯回線[22](a)x=0.0033；(b)x=0.0067；(c)x=0.0133；(d)x=0.0533T.Mitsui等人通過Ca摻雜在SrTiO3中得到了低溫鐵電性[18]。Lee等通過調(diào)控單胞個(gè)數(shù)獲得了具有鐵電性的SrTiO3薄膜，當(dāng)單胞數(shù)量為24個(gè)時(shí)，薄膜的電滯回線具有典型的鐵電線形[23,24]。ManwenYao等制備了Bi摻雜非晶SrTiO3薄膜，并研究了其漏電流和擊穿行為[25]。Bi摻雜能有效地影響漏電流和擊穿強(qiáng)度，在Bi摻雜濃度為5%時(shí)，樣品的擊穿強(qiáng)度高達(dá)412MV/m，約是SrTiO3樣品(215MV/m)的2倍。如圖1-3所示，在真空條件下，試樣表面僅觀察到少量的擊穿點(diǎn)，而在空氣條件下試樣的表面形貌損傷明顯且范圍更廣，電極表面的擊穿點(diǎn)較密集。這些現(xiàn)象表明，在空氣環(huán)境下，空氣中存在的水分子降解了電極與電介質(zhì)之間的粘附，導(dǎo)致金電極大面積脫落，并在較低的電場下發(fā)生擊穿[26]。結(jié)果表明，水分對(duì)擊穿強(qiáng)度有負(fù)面影響，存在水分使得擊穿強(qiáng)度變?nèi)�。在真空中，由于不存在水分子，不�?huì)對(duì)試樣造成額外的損傷，擊穿強(qiáng)度有著明顯的提高。從圖1-3(a)可以看出，在空氣中進(jìn)行測試時(shí)，隨著Bi濃度的增加，擊穿點(diǎn)的直徑從40μm減小到10μm。從圖1-3(b)可以看出，在真空中進(jìn)行測試時(shí)，低摻雜濃度樣品的擊穿點(diǎn)數(shù)量大于高摻雜濃度樣品的擊穿點(diǎn)數(shù)量。高濃度摻雜樣品的擊穿強(qiáng)度較弱的原因是雙離子摻雜有效地抑制了氧空位的形成，使得擊穿強(qiáng)度較弱，提高了材料的擊穿性能。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-4-圖1-3金電極擊穿后表面的金相圖像[25](a)在空氣中測試(b)在真空中測試MahmoudS等通過Bi、Li共摻雜制備得到了SrTiO3陶瓷材料[27]。經(jīng)測試得到材料的電滯回線如圖1-4(a)所示，在室溫下測試得到的SrTiO3陶瓷的電滯回線均為線性，不存在明顯的鐵電線型，摻雜陶瓷材料不具有鐵電性。但隨著摻雜濃度的不斷提高，晶粒尺寸逐漸減校如圖1-4(b)所示，當(dāng)摻雜濃度為8%時(shí)，材料的儲(chǔ)能性能有著明顯的提高，儲(chǔ)能密度提高了10倍。圖1-4Sr1-x(Bi,Li)xTiO3陶瓷材料[27](a)在室溫下的電滯回線回線；(b)能量密度和擊穿強(qiáng)度與Bi摻雜含量的關(guān)系1.2.2二元氧化物先兆性鐵電體與ABO3型先兆性鐵電體相似，通過施加應(yīng)力及摻雜等方式，在HfO2和TiO2中能獲得鐵電性。HfO2是一種先兆性鐵電體，其鐵電性在2011年被發(fā)現(xiàn)[28-30]。在HfO2中摻雜少量的Al使其得到穩(wěn)定，晶胞具有非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)使得鐵電性得以產(chǎn)生[31]。在Al摻雜濃度達(dá)到一定值時(shí)，如圖1-5所示，HfO2由反鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相。


本文編號(hào)：3146974