铁电陶瓷材料的研究现状

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1、铁电陶瓷材料的研究现状学号：1003031018姓名：杨亚军专业：10无机非摘要：本文论述了几种具有代表性的铁电陶瓷材料的研究现状，以及人们在研究过程中产生的新问题。这几种材料主要包括层状铁电陶瓷，弛豫型铁电陶瓷，含铅型铁电陶瓷，无铅型铁电陶瓷，以及反铁电陶瓷材料。铁电材料是一个比较庞大的家族，当前应用的最好的是陶瓷系列，其已广泛应用于军事和工业领域。但是由于铅的有毒性及此类铁电陶瓷材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。因此开发新一代铁电陶瓷材料己成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。关键词

2、：层状电陶瓷；弛豫型铁电陶瓷；反铁电陶瓷；研究1层状铁电陶瓷目前，研究较多、并且用于制备铁电陶瓷材料的是钙钛矿结构的锆钛酸铅（简称PZT）系列。此系列的突出优点是剩余极化较大Pr（10~35μC/cm2）、热处理温度较低（600℃左右）。但是随着研究的深入，人们发现，在经过累计的极化反转之后PZT系列性能退化，主要表现在出现高的漏电流和较严重的疲劳问题，另外，铅的挥发对人体也有害。因此研究和开发性能优良且无铅的铁电陶瓷具有重要的现实意义。研究发现：其剩余极化较大，单晶极化强度方向沿a或b轴时，（2Pr=58μC/cm2）[

3、1]，热稳定性能也比较好（居里温度为520℃）[2]，另外，SBTi陶瓷又是非铅系列材料，是一种比较有前途的铁电陶瓷材料。但是由于Bi容易挥发，在材料制备和使用过程中容易成铋空位，从而形成氧空位，影响材料的抗疲劳性能和铁电性能。为了满足实际应用的需要，需要提高和改进该系列材料的铁电性能，因此，国内外研究者在改变制备途径、制备方法以及调整材料的组分等方面作了不少研究。共生结构铁电材料是利用两种钙钛矿层数只相差一层的Bi系层状钙钛矿结构铁电材料组成。BLSFs的通式也是：（Bi2O2）2+（Am-1BmO3m+1）2-，其中A

4、为Bi、Ba、Sr、Nd等，B为Ti、V、Nb、W等。IBLSFs整个结构可以看作是半个层数为m和m+1的单元沿c轴方向交替排列而成。由于其相对复杂的晶体结构和介电特性受到广泛的关注。其Bi5TiNbWO15（BW-BTN，m=1+2）是由Bi2WO6（BW，m=1）和Bi3TiNbO9（BTN，m=2）组构而成，在c轴方向上，（Am-1BmO3m+1）2-与（Bi2O2）2+层交替排列顺序为：…（Bi2O2）2+—（WO4）2-—（Bi2O2）2+—（BiTiNbO7）2-—（Bi2O2）2+…..。在共生结构中，由于(

5、Bi2O2)2+层两侧的类钙钛矿层不一样，(Bi2O2)2+层受到的作用力也必然不同于层状钙钛矿结构，材料微观结构的复杂性大大提高。BW-BTN中，（Bi2O2）2+层两侧的类钙钛矿层分别是WO6氧八面体和(Ti,Nb)O6氧八面体，WO6氧八面体中不存在单独的A7位Bi3+离子，2个Bi3+离子都和(Bi2O2)2+层共用。(Ti,Nb)O6氧八面体中，1个Bi3+占据了A位，剩下2个Bi3+与(Bi2O2)2+层相连。所以，真正意义上的A位Bi3+离子实际上只存在于(Ti,Nb)O6氧八面体中，这是BW-BTN共生结构

6、不同于其他共生的一个显著特点。目前的研究表明该共生结构具有很高的电导率和明显的介电弛豫行为，但铁电和介电性能不够理想，这可能与材料内部复杂的缺陷机制有关[3]。2弛豫型铁电陶瓷弛豫型铁电体是指顺电—铁电转变属于弥散相变的一类铁电材料，它同时具有铁电现象和弛豫现象。与典型铁电体相比，弛豫型铁电体的一个典型特征是复介电常数的实部ε随温度变化呈现相对宽且变化平缓的峰，其值对应的温度Tm随ω的增加而向高温移动。该特征与结构玻璃化转变、自旋玻璃化转变的特征极为相似。所以，弛豫型铁电体又被称为极性，相应的弛豫铁电相变又被称为极性玻璃化

7、转变。迄今为止，虽然人们对弛豫铁电相变进行了大量的实验测量和理论探索，但是仍然没有被普遍接受的弛豫铁电相变模型，所以对弛豫铁电相变机制的研究一直是该领域研究的热点问题之一。另外，现有的一些弛豫铁电体具有优良的铁电、压电和热释电性能，因而具有广泛而重要的应用。因此，对现有弛豫铁电体性能的优化以及新型弛豫铁电体的合成，将具有重要的潜在应用价值，同时也是该领域的另一热点问题。SrTiO3是一种无污染的功能陶瓷材料，因此以SrTiO3为基础合成的新材料有产业的优势。研究发现在SrTiO3中引入Bi离子产生了典型的铁电弛豫行为，并对

8、其进行了介电谱测量，但是最低测量频率为100Hz，而一般认为，玻璃化转变的特征时间50～102s，所以在更低的频率范围内对极性玻璃体的介电谱测量，无疑对理解其玻璃化转变机制是有价值的。3反铁电陶瓷锆锡钛酸铅是一种反铁电陶瓷。上世纪60年代末，美国Clevite实验室在其开发的具有高压电性能的锆钛酸压电材