bi0.5na0.5tio_3基无铅压电材料的结构及物性研究

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1、博士学位论文Bi0.5Na0.5TiO3基无铅压电材料的结构及物性研究STRUCTUREANDPROPERTIESOFBi0.5Na0.5TiO3-BASEDLEADFREEPIEZOELECTRICMATERIALS郭菲菲哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：O487学校代码：10213国际图书分类号：537.226密级：公开理学博士学位论文Bi0.5Na0.5TiO3基无铅压电材料的结构及物性研究博士研究生：郭菲菲导师：杨彬教授申请学位：理学博士学科：物理学所在单位：物理系答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedInde

2、x:O487U.D.C:537.226DissertationfortheDoctoralDegreeinScienceSTRUCTUREANDPROPERTIESOFBi0.5Na0.5TiO3-BASEDLEADFREEPIEZOELECTRICMATERIALSCandidate：FeifeiGuoSupervisor：Prof.BinYangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofScienceSpeciality：PhysicsAffiliation：DepartmentofPhysicsDateofDefence：June,

3、2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)无铅压电材料具有非常优异的铁电压电性能，是目前最可能替代PZT的候选材料之一。与PZT类似，BNT可以与其它一些具有钙钛矿结构的材料固溶形成具有准同型相界(MPB)的固溶体。在MPB组分附近，BNT基固溶体属于三方四方共存的混合相，自发极化可能的取向增多，在外部机械力或电场的作用下，自发极化容易转向，压电性能会在很大程度上得到提高。本论文主要研究BNT基陶瓷的改性、相变以及BNT基薄膜的结构和电学

4、性能。首先采用传统的固相反应法合成了(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBiCoO3(BNT-BC)(x=0,0.015,0.025,0.03,0.035,0.04,0.06)陶瓷，对它们的结构和电学性能进行了系统的研究。研究发现，该陶瓷体系的三方四方MPB在x=0.025-0.035，并且在相界处陶瓷的电学性能达到了最佳。x=0.025组分陶瓷的饱和极化强度Ps、剩余极化强度Pr、矫顽场Ec、双边总应变SB、单边应变SU、压电常数d33、厚22度机电耦合系数kt、机械品质因数Qm分别为40.6μC/cm、35.4μC/cm、5.25kV/mm、0.181

5、%、0.094%、107pC/N、0.45和257。最大介电常数对应的温度Tm随着BC含量的增加变化不大，退极化温度Td随着BC含量的增加先减小后增大。然后采用固相反应法合成了(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBaZr0.055Ti0.945O3(BNT-BZT)(x=0,0.01,0.03,0.05,0.06,0.07,0.08,0.09,0.10,0.12)陶瓷，对它们的结构和电学性能进行了研究，并对0.94BNT-0.06BZT陶瓷的相变行为进行了研究。结果表明，(1-x)BNT-xBZT陶瓷的MPB在x=0.06-0.09，在此区域陶瓷的电学性能

6、达到了最好。在室温下，x=0.07的压电常d33、平面机电耦合系kp以及热释-2-1电系数p分别为173pC/N,0.27和57nC·cm°C，退极化温度Td为82°C，并且在Td之前性能非常稳定。陶瓷的退极化温度Td在三方相的一端随着x的增大而增大，到了MPB组分达到了最小值，到了四方相时，又开始随x的增大而增大。陶瓷在退极化温度Td处会发生铁电-反铁电相变，在最大介电常数对应的温度Tm处会发生三方-四方混合相到四方相的相变，在Td和Tm之间的介电反常不涉及结构相变。最后采用脉冲激光沉积(PLD)的方法在(111)Pt/Ti/SiO2/Si(001)基片上成功

7、生长出了0.975BNT-0.025BC薄膜，并系统地研究了薄膜的介电、铁电、局部压电、疲劳以及温度依赖的漏电特性。XRD的结果表明薄膜具有纯相钙钛矿结构且具有<001>择优取向。该薄膜与同类型的薄膜相比具有优异的铁电性能和抗疲劳特-I-哈尔滨工业大学理学博士学位论文29性，剩余极化强度2Pr达到了27μC/cm，在反转5×10之后，极化的减小只有10%左右。薄膜在1kHz下的介电常数约500介电损耗约为0.22，介电可协调性在20kV/mm时为12%。薄膜的漏电流导电机制在低电场时为欧姆导电，在高电场时为肖特基发射。该薄膜中存在一些大小不等的长条形极性纳米区域

8、，长度大约分布在100-