【摘要】：稀土摻雜的無鉛壓電鐵電體是一類新興的光機電一體多功能材料,由于稀土離子及鐵電材料獨特的性質,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,微量的稀土元素摻雜會對BT基陶瓷的結構及各項性能進行調控。以此,調節(jié)各項參數(shù),能夠獲得優(yōu)秀光電性能的材料。本文研究了燒結溫度、稀土摻雜濃度對上述壓鐵電材料電學性能的影響,研究了溫度及電場對材料結構與發(fā)光特性的影響,并進一步探索了內部的物理機制。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。通過調節(jié)燒結溫度及摻雜濃度,研究了陶瓷表面形貌、晶體結構及電學性能的變化規(guī)律并分析了成因。結果表明,BCT30陶瓷的最佳燒結溫度在1340℃,Eu~(3+)在A位的代入雖然使BCT30陶瓷的相變點降低,但也提高了壓電系數(shù)d_(33),BCZT陶瓷的最佳燒結溫度在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現(xiàn)象,這是極化強度的主要來源。Eu~(3+)摻雜降低極化難度,對極化強度及壓電系數(shù)有所影響,并驅使相變點偏向低溫區(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絕對強度隨溫度的變化以及電偶極與磁偶極躍遷強度比~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構的混亂。該工作在研究領域尚屬首次報道。在BCZT:Eu陶瓷的強度比隨溫度變化曲線中同樣能夠觀察到結構混亂造成的相變峰,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,最大光強提升14.5%。排除電場誘導相變及離子位移極化造成的對稱性降低的影響,電疇翻轉是光強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性能并拓展其應用范圍有一定的指導意義。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ174.1
【圖文】：

A 位為+1 或+2 價金屬離子，B 位則對應為+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。但該晶體結構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，晶體內部的金屬陽離子 Ti4+相對 O2-運動并偏離氧八面體對稱中心，使等效正負電荷中心不重合，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 典型鈣鈦礦結構的鈦酸鋇的微觀結構示意1.1.2 電學特性鐵電陶瓷的自發(fā)極化特性是指在某一溫區(qū)內不受外界影響

隨電場翻轉并且呈滯后狀態(tài)，如圖 1-2 所示[2]。電滯回線是重要標準之一，發(fā)生這一反常介電現(xiàn)象的根本來源于內部電場極化處理后，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。當所有能被翻轉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)，極化強性關系（C 點）。從 C 點處降低電場強度至某一值（B 點對偶極矩隨場強降低，而電疇未發(fā)生偏轉，整體仍舊處于飽和極電場強度，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。當場強減小至零時，電疇受到疇壁的阻礙無狀態(tài)，整體極化強度仍然存在，稱為剩余極化。當反向施加進一步減小路經(jīng) DF 并在 Ec時降至零，Ec被稱為矯頑場。強沿 FG，反向極化將逐漸趨向飽和。這就是電滯回線變化過程，電疇的翻轉是改變極化強度的原因之一，也是出現(xiàn)介。

BaTiO3-CaTiO3:Pr3+陶瓷的彈性應力發(fā)光現(xiàn)象[10]

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

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相關博士學位論文 前1條

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本文編號：2798999