Bi,4Ti,3O,12基铁电单晶的生长、结构和性能研究

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1、摘要自行设计单晶生长炉，用温度振荡自助熔法生长了厚O．2．0．6real的薄片状Bi4_。Nd。Ti3012(BNdT,z=0，0．5，O．85)铁电单晶。基于正交结构模型，用RIETAN2000软件对BNdT粉体XRD数据进行Rietveld结构精修，预言随Nd含量增加，BNdT会发生正交_四方结构转变。X射线光电子能谱(xPs)结果表明，氧空位对BNdT单晶中M—O键有较大影响，氧空位易处在伪钙钛矿层，Nd掺杂降低了BNdT单晶中的氧空位浓度。用透射电子显微镜(TEM)在Bi4Ti3012单晶中分别观察到900畴和1800

2、畴，并用汇聚束电子衍射直接确定了畴区的自发极化方向；在BNdT0=O．85)单晶中观察到高密度反相畴界，反相畴提高畴可动性，有利于改善晶体的耐疲劳性。分别沿a／b轴、c轴和<110>方向测量了BNdT单晶的电滞回线、漏电流特性，结果表明，单晶沿a／b轴的剩余极化值最大，比沿C轴的剩余极化值大得多，从而证实其极化矢量靠近a轴；由于Nd掺杂减小了A位离子相对位移，从而降低了晶体中离子位移极化，因此单晶沿各个方向的剩余极化值随Nd含量增加而减小。Nd含量增加降低了单晶中的氧空位浓度，导致晶体沿各个方向的漏电流降低。由于(Bi202)

3、2+层阻碍了氧空位沿c轴迁移，单晶沿C轴表现出比其他两个方向更好的绝缘性。沿C轴测量了BNdT伍=O．5，O．85)单晶的介电频谱和介电温谱，发现随Nd含量增加，单晶介电常数和介电损耗降低；BNdTO=O．5，O．85)单晶的居里温度分别为542oC和411oC。通过阻抗分析，估算BNdTO=O．5，0．85)单晶的电导激活能分别为0．91eV和0．93eV。常温拉曼光谱结果表明，Nd含量增加到一定值，BNdT单晶可能在常温下发生铁电-jll页电相转变；位于(Bi202)2+层的Bi．O振动模式随Nd掺杂量增加而减弱，表明Nd

4、含量较低时，Nd3+离子仅取代伪钙钛矿层中的Bi3+离子，当Nd含量较高时，部分Nd3+离子开始替换(Bi202)2+层中的Bi3+离子。单斜的BNdT在常温下可近似用正交结构描述。100K-800K变温拉曼光谱结果表明，200K以下Bi4Ti3012单晶单斜形变加强，Nd掺杂缓解了其在200K以下的这种单斜形变；BNdT单晶软模消失所对应的温度随Nd含量增加而降低，说明Nd掺杂导致BNdT单晶的居里温度降低。紫外一可见光谱结果表明，BNdT单晶具有间接带隙跃迁的特点，单晶的禁带宽度随Nd掺杂量增加而减小。关键词：铁电体；钛酸

5、铋；晶体生长；稀土掺杂；畴结构Abstracto■FerroelectricBh—xNdxTi3012(BNdT，工=0，0．5，O．85)singlecrystalsof0．2-0．6nuntllickplatesweregrownbythetemperature—oscillationself-fluxmethod．PowerX-raydiffraction(XRD)patternswereanalyzedbyRietveldmethod(theRIETAN2000program)onthebasisoforthorhom

6、bicsymmetryanditWaspredictedthatBNdTmightundergoaorthorhombic-tetragonalstructuretransition谢tllincreasingNdcontent∽．X-rayphotoelectronspectroscopy(xPs)resultsindicatethatoxygenvacancyiseasytoresideinthepseudo—perovskitelayers，stronglyinfluencingM-Obonds．Nddopinglead

7、stoadecreaseinoxygenvacancyconcentration．90oand180odomainswereobservedinBi4Ti30i2singlecrystalsbyusingtransmissionelectronmicroscopy(TEM)．Directionof只vectorinthedomainsWasdetermineddirectlybyusingconvergent-beamelectrondiffraction．Denseantiphaseboundaries(APBs)wereo

8、bservedinBNdT(x=O．851singlecrystalandAPBsCanimproveresisting-fatiguepropertyofBNdTsinglecrystal．Ferroelectrichysteresisloopsandleakagecurr