Eu離子摻雜BT基陶瓷的光學(xué)電學(xué)特性及其熒光調(diào)控研究

發(fā)布時間：2020-08-21 05:40

【摘要】：稀土摻雜的無鉛壓電鐵電體是一類新興的光機(jī)電一體多功能材料,由于稀土離子及鐵電材料獨(dú)特的性質(zhì),該類新材料在傳感、探測、信息傳遞等方面有著極大的潛力。BaTi O_3(BT)基鐵電陶瓷是最有潛力的無鉛體系之一,微量的稀土元素?fù)诫s會對BT基陶瓷的結(jié)構(gòu)及各項(xiàng)性能進(jìn)行調(diào)控。以此,調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù),能夠獲得優(yōu)秀光電性能的材料。本文研究了燒結(jié)溫度、稀土摻雜濃度對上述壓鐵電材料電學(xué)性能的影響,研究了溫度及電場對材料結(jié)構(gòu)與發(fā)光特性的影響,并進(jìn)一步探索了內(nèi)部的物理機(jī)制。本文中采用傳統(tǒng)的高溫固相法制備了Eu~(3+)摻雜的Ba_(0.7)Ca_(0.3)Ti O_3(BCT30)及Ba_(0.85)Ca_(0.15)Zr_(0.1)Ti_(0.9)O_3(BCZT)陶瓷。通過調(diào)節(jié)燒結(jié)溫度及摻雜濃度,研究了陶瓷表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能的變化規(guī)律并分析了成因。結(jié)果表明,BCT30陶瓷的最佳燒結(jié)溫度在1340℃,Eu~(3+)在A位的代入雖然使BCT30陶瓷的相變點(diǎn)降低,但也提高了壓電系數(shù)d_(33),BCZT陶瓷的最佳燒結(jié)溫度在1325℃,Eu~(3+)的摻雜略微降低了三方四方相變及鐵電順電相變溫度。通過P-E曲線與J-E曲線得知,低電壓區(qū)間存在大量電疇翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,這是極化強(qiáng)度的主要來源。Eu~(3+)摻雜降低極化難度,對極化強(qiáng)度及壓電系數(shù)有所影響,并驅(qū)使相變點(diǎn)偏向低溫區(qū)。以上述條件得到的陶瓷片為樣品,我們著重研究了其發(fā)光特性。在BCT30:5Eu陶瓷電偶極躍遷峰~5D_0-~7F_2絕對強(qiáng)度隨溫度的變化以及電偶極與磁偶極躍遷強(qiáng)度比~5D_0-~7F_2/~5D_0-~7F_1隨溫度的變化過程中,可以明顯發(fā)現(xiàn)材料的鐵電順電相變峰,居里溫度T_c=70℃。根據(jù)對材料介電彌散與溫度相變的輔助分析得,該峰來源于晶體局域結(jié)構(gòu)的混亂。該工作在研究領(lǐng)域尚屬首次報(bào)道。在BCZT:Eu陶瓷的強(qiáng)度比隨溫度變化曲線中同樣能夠觀察到結(jié)構(gòu)混亂造成的相變峰,T_c=60℃,但其三方四方相變峰被掩蓋,需從~5D_0-~7F_2絕對強(qiáng)度溫度變化曲線中獲取信息T_(R-T)=-10℃。分析上述兩類多功能陶瓷光強(qiáng)隨電場的I-E曲線,發(fā)現(xiàn)其規(guī)律均為先增大后穩(wěn)定,且增量持續(xù)減小至零,最大光強(qiáng)提升14.5%。排除電場誘導(dǎo)相變及離子位移極化造成的對稱性降低的影響,電疇翻轉(zhuǎn)是光強(qiáng)增大一個的重要因素。本工作為提高稀土摻雜壓電體的各項(xiàng)性能并拓展其應(yīng)用范圍有一定的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ174.1
【圖文】：

鈦酸鋇,鈣鈦礦結(jié)構(gòu),微觀結(jié)構(gòu)

A 位為+1 或+2 價金屬離子，B 位則對應(yīng)為+5 或+4 價過渡金屬離子，O 表示氧離子。以立方相鈦酸鋇為例，如圖1-1 所示，在以 6 個氧離子構(gòu)成的正八面體框架中，鈦離子處于八面體中心，鋇離子對稱地分布面外，以此可以判斷出立方相 BaTiO3晶體中 Ba2+和 Ti4+的配位數(shù)分別為 12 和 6。但該晶體結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇晶胞沒有極性，不具有自發(fā)極化能力，自然也不是鐵電體。降低溫度至 130℃，BaTiO3晶體發(fā)生順電-鐵電一階相變，該溫度被稱為鐵電居里溫度 Tc。根據(jù) Ginzburg-Landau 理論，為降低自由能，晶體內(nèi)部的金屬陽離子 Ti4+相對 O2-運(yùn)動并偏離氧八面體對稱中心，使等效正負(fù)電荷中心不重合，產(chǎn)生了沿位移方向的電偶極矩 P 并由此產(chǎn)生了自發(fā)極化。圖 1-1 典型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇的微觀結(jié)構(gòu)示意1.1.2 電學(xué)特性鐵電陶瓷的自發(fā)極化特性是指在某一溫區(qū)內(nèi)不受外界影響

鐵電材料,電滯回線,電疇

隨電場翻轉(zhuǎn)并且呈滯后狀態(tài)，如圖 1-2 所示[2]。電滯回線是重要標(biāo)準(zhǔn)之一，發(fā)生這一反常介電現(xiàn)象的根本來源于內(nèi)部電場極化處理后，大量自發(fā)極化會沿著外電場方向排列，這些子區(qū)間被稱為電疇。各電疇之間存在的界線被稱為疇壁。當(dāng)所有能被翻轉(zhuǎn)的電疇基本與極化方向一致，并且自發(fā)極化的也被拉大，在這種情況下，自發(fā)極化已成飽和狀態(tài)，極化強(qiáng)性關(guān)系（C 點(diǎn)）。從 C 點(diǎn)處降低電場強(qiáng)度至某一值（B 點(diǎn)對偶極矩隨場強(qiáng)降低，而電疇未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，整體仍舊處于飽和極電場強(qiáng)度，由于電場約束力降低，部分電疇開始偏離電場方路徑 BD 減小。當(dāng)場強(qiáng)減小至零時，電疇受到疇壁的阻礙無狀態(tài)，整體極化強(qiáng)度仍然存在，稱為剩余極化。當(dāng)反向施加進(jìn)一步減小路經(jīng) DF 并在 Ec時降至零，Ec被稱為矯頑場。強(qiáng)沿 FG，反向極化將逐漸趨向飽和。這就是電滯回線變化過程，電疇的翻轉(zhuǎn)是改變極化強(qiáng)度的原因之一，也是出現(xiàn)介。

彈性應(yīng)力,發(fā)光能力,鐵電材料,稀土離子