本文選題：鐵電　切入點：PLZST　出處：《華東師范大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：眾所周知,鉛基鈣鈦礦型的鐵電／反鐵電陶瓷材料因其復雜的晶體結構,具有一系列包括高介電性、壓電性、熱釋電性等重要的宏觀特性。這使得該材料在高密度電容、應變式傳感器、紅外傳感器、非易失性存儲器等應用中占有很重要的地位。研究表明,這些重要的宏觀特性都與材料微觀的相變有著緊密的聯(lián)系,良好的性能往往是材料組分在準同型相界或鐵電-反鐵電相界處所呈現(xiàn)出來的。因此,鐵電／反鐵電材料的相變機理一直是凝聚態(tài)物理學領域的一個前沿課題。在諸多鐵電／反鐵電材料中,(PbLa)(ZrSnTi)O3(簡稱PLZST)相比其他的鉛基鐵電材料具有相圖結構復雜、相變溫度區(qū)域可以隨組分調節(jié)等特點。對該組分的材料開展研究不僅能研究常規(guī)弛豫鐵電所具有的鐵電-順電相變,還能研究其反鐵電-鐵電以及準同型相界等二級相變。然而,之前開展的許多工作是利用微觀結構表征等手段或者以電學為主的宏觀特性的規(guī)律進行研究,對于其光譜學的研究一直被大家所忽略。光譜學不僅能表征材料的宏觀光學性質,得到光學常數(shù)或者介電常數(shù),而且通過深入的數(shù)據(jù)分析,可以揭示材料能帶躍遷的變化,而能帶躍遷與材料微觀結構又相互聯(lián)系。研究表明,PLZST材料有A位驅動的特性,本論文著眼于不同La組分的(Pb1-1.5xLax)(Zr0.42Sn0.40Ti0.18)O3材料的相變,特別是鐵電/反鐵電和準同型相界的二級相變,運用成熟的光譜學的技術手段對其進行研究。 利用X射線衍射(XRD)和拉曼光譜的表征,確定了PLZST陶瓷在室溫下隨著La組分的升高,樣品從菱形相轉變?yōu)檎幌�。相變處的La組分為2.6%和2.8%。當La組分為2%時,樣品在200K時為菱形相,隨著溫度的升高轉變?yōu)樗姆较�。相變處的溫度�?80K～420K。菱形相PLZST的樣品在XRD圖譜中450左右的衍射角為單峰,而四方相和正交相在該處有分峰的特征,四方相和正交相的具體分峰特征也彼此不同。因此,在對比不同組分的PLZST室溫XRD圖譜和同一組分的變溫XRD圖譜后初步判斷出不同組分的PLZST陶瓷相變的組分依賴關系和同一組分的PLZST陶瓷相變的溫度依賴關系。在變溫拉曼光譜的表征中,發(fā)現(xiàn)了A1(TO1)聲子模式的軟化和E(T02)聲子模式的相對強度均有規(guī)律性變化,這兩個聲子模式的規(guī)律性變化不但體現(xiàn)在室溫下的組分依賴關系中也體現(xiàn)在同一組分的溫度依賴關系中。根據(jù)兩個的規(guī)律變化更加確定了由XRD圖譜分析提出的PLZST陶瓷相變的組分依賴關系和溫度依賴關系。 利用紫外反射光譜進行的不同組分室溫表征,發(fā)現(xiàn)在La組分為2.6%和2.8%時,反射光譜出現(xiàn)異常。深入分析的結果表明,該異常是由于相變導致的能帶躍遷的改變造成。利用雙振子的Tauc-Lorentz模型對不同組分的紫外反射光譜進行擬合建模,模型中的振子中心能量在La組分為2.6%和2.8%時顯著增大。振子中心能量與計算的能帶躍遷相關聯(lián)。而能帶躍遷的改變有可能與相變引起的微觀結構改變有關。該相變在光譜上表現(xiàn)出的組分位置與室溫不同組分的XRD分析的結果相印證。 利用橢圓偏振光譜對同一組分,即La組分為2%的PLZST的能帶躍遷溫度依賴關系進行表征。深入分析的結果表明,能帶躍遷的溫度依賴關系可以印證PLZST的A位驅動相變機理。在分析橢偏數(shù)據(jù)時,我們提出了一種將表面粗糙層考量在內的三相模型的塊材橢偏數(shù)據(jù)處理方法。該方法較傳統(tǒng)的不考慮表面粗糙層的直接結算法更加準確。利用該處理方法,我們得到了能帶躍遷中心能量與溫度的依賴關系,該關系圖變現(xiàn)出來的變化趨勢不僅與變溫XRD分析的結果相印證,還與文獻中報道的對于同一組分的材料所進行鐵電-反鐵電相變、熱釋電性能的表征結果相印證。對比理論計算的具體能級的指認,橢圓偏振光譜分析中得到的能帶躍遷與計算中的X4'v→XIc和X5'v→X3c的躍遷對應,其中躍遷的規(guī)律符合文獻中理論報道的A位驅動機理。 隨著對于相變研究的深入,我們對于凝聚態(tài)物質中的各種元激發(fā)的測試需求越來越迫切。傅里葉變換紅外光譜是滿足這一需求的一個非常有利的技術手段,然而商用的儀器只能進行簡單的常溫測試。為了滿足日益深入的科研需求,我們自行在實驗室已有的布魯克公司的VERTEX80V真空型傅里葉變換紅外光譜儀基礎上進行擴展改造。 利用牛津公司的AC-V12W脈沖馬達液氮閉循環(huán)系統(tǒng)作為深低溫恒溫器搭建了深低溫紅外光譜系統(tǒng)。工作溫度區(qū)間為4.5K～300K。該深低溫系統(tǒng)可以用于中／遠紅外波段透射／反射四種實驗配置。深低溫系統(tǒng)的搭建過程中,我們自行設計的三維可調樣品架已申請發(fā)明專利。 利用Specac公司的高溫樣品池搭建了高溫系統(tǒng)。工作溫度區(qū)間為300K～1000K。根據(jù)實驗室實際科研實驗的需求,高溫紅外系統(tǒng)的設計主要針對遠紅外反射實驗,但是Specac公司提供的反射模式的窗片并不能滿足我們對于遠紅外波段的需求。我們創(chuàng)造性的使用金剛石透射模式的窗片并對窗片造成的誤差進行修正,使其得到的反射圖譜正確可靠。 利用牛津光學超導磁體SM4000搭建了深低溫遠紅外反射系統(tǒng)。工作溫度區(qū)間為1.5K～300K,工作磁場為0-±10T。根據(jù)實驗室實際情況,自行設計了系統(tǒng)的光路圖。該光路圖適配布魯克Vertex80V FTIR光譜儀和牛津光學超導磁體SM4000。突破性的提出了前后級腔體分離的設計,前級腔體使光譜儀出射的準平行光調整為嚴格的平行光,以便光束的長距離傳播。后級腔體使光束聚焦于磁體內部的樣品表面并將反射光收集至探測器。通過對光路圖中每個反射鏡的位置、角度等參量的調校,確定聚焦質量最佳的實際光路。隨后,根據(jù)每個鏡子的位置和大小進行了真空腔體的設計。
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【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM221

【共引文獻】

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本文編號：1562203