金紅石型TiO2是一種典型的二元氧化物結構電介質材料,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。通過摻雜構造多種晶型的TiO2的鐵電性,通過改變其晶體結構,從而獲得良好的電學性能。有研究表明通過應力、摻雜等方式能調控TiO2的微觀組織結構進而調控其電性能。本文通過第一性原理計算施主-受主摻雜TiO2的結構與電性能,指導后期實驗。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,從而調控薄膜的電性能。通過對金紅石型TiO2進行第一性原理計算,研究了不同摻雜離子對TiO2結構與電性能的影響。結果表明,通過V5+-Al3+、Nb5+-Al3+和Ta5+-Al3+摻雜后,超晶胞中產生晶格畸變,V5+-Al3+離子摻雜時,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,超晶胞能量最低,Ta5+-In3+摻雜時,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,摻雜引入的電偶極矩最大,此時摻雜離子與... 

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

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【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

TiO2的三種晶體結構圖

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-3-回線，且當Bi摻雜量超過一定值時，電滯回線變窄。圖1-2Sr1-1.5xBixTiO3在50Hz、11K時的電滯回線[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等通過調控單胞個數(shù)獲得了具有鐵電性的SrTiO3薄膜，當單胞數(shù)量為24個時，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度，在Bi摻雜濃度為5%時，樣品的擊穿強度高達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，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之間的粘附，導致金電極大面積脫落，并在較低的電場下發(fā)生擊穿[26]。結果表明，水分對擊穿強度有負面影響，存在水分使得擊穿強度變弱。在真空中，由于不存在水分子，不會對試樣造成額外的損傷，擊穿強度有著明顯的提高。從圖1-3(a)可以看出，在空氣中進行測試時，隨著Bi濃度的增加，擊穿點的直徑從40μm減小到10μm。從圖1-3(b)可以看出，在真空中進行測試時，低摻雜濃度樣品的擊穿點數(shù)量大于高摻雜濃度樣品的擊穿點數(shù)量。高濃度摻雜樣品的擊穿強度較弱的原因是雙離子摻雜有效地抑制了氧空位的形成，使得擊穿強度較弱，提高了材料的擊穿性能。

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-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，當摻雜濃度為8%時，材料的儲能性能有著明顯的提高，儲能密度提高了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)能量密度和擊穿強度與Bi摻雜含量的關系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，晶胞具有非中心對稱結構使得鐵電性得以產生[31]。在Al摻雜濃度達到一定值時，如圖1-5所示，HfO2由反鐵電相轉變?yōu)殍F電相。


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