壓電鐵電材料優(yōu)異的機電、鐵電等性質(zhì)使其在超聲換能器、電致伸縮制動器和鐵電存儲器等方面存在巨大應(yīng)用前景。為進一步提高壓鐵電材料的特定性能,各種調(diào)控機制被引入壓電材料中。其中,缺陷工程由于可以通過調(diào)控缺陷來間接調(diào)控鐵電疇結(jié)構(gòu)而引起了研究者的關(guān)注,而缺陷工程研究的一個熱門分支即是通過調(diào)控受主摻雜鐵電材料中的缺陷偶極子來實現(xiàn)對鐵電疇的控制。然而,目前對缺陷偶極子的機理研究并不全面,缺陷偶極子是如何影響鐵電材料的電疇結(jié)構(gòu)和宏觀物理性質(zhì)的研究也不夠深入,對極化老化后定向排列的缺陷偶極子在外場條件下的弛豫動力學(xué)研究主要集中在具有準(zhǔn)同型相界（MPB）組分的固溶體系中,其在單相非固溶體中的動力學(xué)行為沒有得到系統(tǒng)研究。因此本文制備Mn摻雜BaTiO₃陶瓷,系統(tǒng)研究了Mn摻雜對鐵電陶瓷介電、機電和鐵電等宏觀性能的影響,并且探究不同外場條件（溫度、頻率）下BaTiO₃陶瓷中缺陷偶極子的動力學(xué)行為機制。本文采用傳統(tǒng)的固相燒結(jié)法制備了Mn摻雜濃度分別為0 mol%、0.5 mol%、0.75 mol%和1mol%的BaTiO₃陶瓷,確定了不同Mn摻... 

【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

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【學(xué)位級別】：碩士

【圖文】：

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（ABO3）示意圖[13]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文-3-類似，也會導(dǎo)致晶胞內(nèi)部呈非電中性，為了補償電荷導(dǎo)致了氧空位的出現(xiàn)，而氧空位的出現(xiàn)使由氧八面體構(gòu)成的晶胞結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮和扭曲，進而導(dǎo)致了鐵電疇的運動變得更加困難，材料的極化與去極化也隨之變得困難。所以受主摻雜的材料一般會出現(xiàn)矯頑場和機械品質(zhì)因數(shù)增大、介電常數(shù)和損耗降低等特點，這些特點都是材料變“硬”的表現(xiàn)，所以也把受主摻雜稱之為“硬性”摻雜[19-20]。圖1-2給出了“硬性摻雜”和“軟性摻雜”PZT陶瓷的性能對比[21]。研究發(fā)現(xiàn)軟性壓電陶瓷，比如說軟性PZT陶瓷，國產(chǎn)與國外的性能差異已較��；而硬性壓電陶瓷，國產(chǎn)與國外在擊穿場強與介電損耗等多方面仍存在巨大差距，這就使得國內(nèi)自主生產(chǎn)高性能的硬性壓電陶瓷成為一個“卡脖子”問題。如前所述，硬性陶瓷的性質(zhì)與氧空位和缺陷偶極子有著密不可分的聯(lián)系，因此，本文將著重討論氧空位及缺陷偶極子在受主摻雜壓電材料中的作用機制。圖1-2“硬性摻雜”和“軟性摻雜”PZT陶瓷的性能對比[21]1.2.3鈦酸鋇陶瓷鈦酸鋇陶瓷作為一種典型的ABO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電陶瓷，優(yōu)異的壓電和介電特性使其成為鐵電存儲器、光電子器件、電致伸縮致動器和機電換能器等器件的理想材料[22]。BaTiO3體系中Ba2+和O2-的排列方式是一種典型的密排結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致BaTiO3體系中難以形成間隙點缺陷，而空位點缺陷的形成與之相比會相對容易，這就使得空位點缺陷成為鈦酸鋇體系中常常出現(xiàn)的點缺陷類型。當(dāng)對BaTiO3體系進行受主摻雜時，低價的受主摻雜離子進入樣品后使樣品不再呈現(xiàn)電中性，這就需要額外的缺陷來平衡電荷，所以樣品中一般會出

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文-5-能在短時間內(nèi)完成，所以氧空位通常需要經(jīng)過一段時間后才能擴散至目標(biāo)位置，而氧空位的擴散過程是晶胞內(nèi)缺陷偶極子取向偏轉(zhuǎn)的根本原因。因此，缺陷偶極子的轉(zhuǎn)向是一個典型的弛豫過程，即老化過程。圖1-3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中氧空位在順電相和鐵電相晶格中的分布[30]缺陷偶極子的取向極化可以表示為Pd,如圖1-4(a)所示,外層方框代表了該晶胞的對稱性，內(nèi)部小方框代表缺陷偶極子的對稱性。根據(jù)短程對稱一致性原則可知，經(jīng)過充分老化后的樣品中，缺陷偶極子Pd的極化取向與自發(fā)偶極子Ps極化的取向是一致的，即箭頭所指方向，從而使缺陷極化Pd與晶胞對稱性一致。以未極化的鈦酸鋇為例，當(dāng)對樣品施加外部電場E時，鐵電疇和自發(fā)偶極子Ps會發(fā)生90°旋轉(zhuǎn)，如圖1-4(b)所示。但是，由于氧空位較低的遷移速率，導(dǎo)致Pd的轉(zhuǎn)向不像Ps那樣可以迅速轉(zhuǎn)向電場方向，即圖1-4(b)，所以Pd依舊保持原本的極化取向。當(dāng)外部電場E逐漸撤去時，原方向的Pd會對Ps施加一個較強的本征回復(fù)力，使指向外電場方向的Ps回復(fù)到施加電場前的無序狀態(tài)，從而出現(xiàn)圖1-4(c)所示的束腰電滯回線。2010年，T.Dechakupt等人[35]研究了老化效應(yīng)對Fe摻雜的BaTiO3陶瓷介電性能和電滯回線的影響。研究表明，F(xiàn)e摻雜的BaTiO3陶瓷的電滯回線在老化后呈現(xiàn)出了明顯的束腰電滯回線形狀，而樣品的介電常數(shù)和介電損耗并沒有明顯的改變。除此之外，樣品的剩余極化與矯頑場隨老化時間呈下降趨勢，且Fe摻雜濃度越高，其下降的越快。2014年，Yue等人[36]研究了老化效應(yīng)對Ba0.77Ca0.23TiO3(BCT)、(Ba0.77Ca0.23)0.99Mn0.01TiO3(BCT-A)和Ba0.77Ca0.23Ti0.99Mn0.01O3(BCT-B)無鉛壓電陶瓷鐵電、介電和壓電性能的影響。研究表明，BCT陶瓷中取代位點對

【參考文獻】：
期刊論文
[1]高性能鈦酸鋇/聚合物復(fù)合材料的研究進展[J]. 張亮,肖定全.  功能材料. 2012(10)
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博士論文
[1]缺陷偶極子對受主摻雜鐵電材料電學(xué)性質(zhì)影響的理論研究[D]. 楊超.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2019
[2]鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛介電弛豫和機電特性研究[D]. 戚旭東.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2019
[3]Li+-Al3+共摻雜ABO3鐵電陶瓷的電性能與壓電機制[D]. 馮宇.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2017



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