钙钛矿型无铅铁电材料的制备、结构与性能研究.pdf

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1、论文题目：钙钛矿型无铅铁电材料的制备、结构与性能研究学科专业：理论物理学位申请人：金成超导师：石旺舟教授王飞飞副教授摘要以Pb(Zrlo、i，)03为代表的传统含铅压电材料因具有优异的压电和机电耦合性能，在压电材料领域一直占主导地位，获得了广泛的应用。但是，这些材料体系铅含量过高(达总质量的60％以上)，在制备和使用过程中极易对环境和人类健康构成危害，因此，研制新型环境友好的无铅压电材料，实现取代或部分替换传统含铅压电材料成为了压电领域重要的研究方向。前期研究表明，(1-x)Bio．5Nao5Ti03-xB

2、aTi03(BNT-BT,BNT-xBT)基的压电材料在准同型相界(MPB)附近具有优异的压电性能，引起了广泛地研究兴趣。本文围绕MPB组分的BNT-BT，进一步发展了具有高场致应变无铅压电陶瓷，系统地研究了其组分、结构与各种电性能间的关系，另外，为促进无铅压电材料在相关MEMS器件中的应用，开展了无铅铁电薄膜的制备研究，主要研究结果如下：1．设计和制各了B位单一离子Zr4+取代的(Bio．5Nao．5)o．93Bao07Til．。Zrx03(BNBTZx)体系，发现升高温度和增加Zr4+含量都能使体系结构

3、从长程铁电有序演变为短程有序的赝立方结构，当x=0．014时，退极化温度降至室温附近，并显示出高的场致应变，在4kV／mm电场下，等效压电常数dl为465pm／V。2．设汁和制备了B位复合离子(A10．5Nbo．5)4+取代的(Bio．sNao．5)o．93Bao．07Til。(Alo．sNbo．5)p3体系，其变化趋势和BNBTZx体系类似，当x=0．01时，体系的压电性达到最佳，压电常数以3达到210pC／N，当x=0．02时，体系的场致应变达到最大，5kV／mm电场下，等效压电常数Z，为575pm／V

4、，达到了国际先进水平。3．采用脉冲激光溅射法(PLD)，在Si基衬底上制备了BNT-BT及Mn掺杂BNT-BT薄膜(BNBMT)，通过工艺优化，薄膜具有良好的铁电性能及微区压电响摘要土漫墟范太堂亟±堂焦诠塞应，剩余极化强度竹为11．3I．tC／cm2，在12kV／mm的电场下，等效压电系数Z，可达到92pm／V，这一结果要明显的优于已报道的BNT基的无铅体系，也已接近铅基薄膜体系。4．通过引入具有钙钛矿结构的Lao．7Cao．3Mn03、Lao．7Bao．3Mn03和Lao，6Sro．4C003作为缓冲层，

5、有效地实现对BNBMT薄膜与底电极问的界面调控，铁电性能明显提高，饱和极化尸。与剩余极化强度B分别可达到50．3IxC／cm2和20IxC／cm2，接近其体材料水平。5．基于SrTi03单晶衬底，进一步制备了具有(100)高度取向的BNBMT薄膜，显示出良好的铁电与介电性能，剩余极化强度P，达到～21I-tC／cm2。关键词：钙钛矿：无铅薄膜；场致应变；BNT论文类型：应用基础ThesisTitle：Major：Degreeapplicant：Adviser：InvestigationsonFabricat

6、ion，StructureandPropertiesofPerovskiteLead．FreeFerroelectficMaterialsTheoreticalPhysicsChengchaoJinProf．WangzhouShiViceprof．FeifeiWangAbstractUptopresent，thedominantpiezoelectricmaterialsarelead-based，representedbyPb(Zr,Ti)03(PZT)systemsduetotheirexcellent

7、piezoelectricandelectromechanicalperformances．However,thesematerialsareharmfultotheenvironmentandourphysicalhealthduetothelargecontentofPb，therefore，itisquitenecessaryforUStodeveloptheenvironmental--friendlylead·-freepiezoceramiestoreplaceorpartiallyreplac

8、ethelead—basedpiezoceramics．(1-x)Bi0．5Na0．5Ti03-xBaTi03(BNT-BT,BNT-xBT)basedceramicshavebeenattractedbroadattentionduetothegoodpiezoelectricpropertywiththecompositionaroundmorphotropicphaseboundary(MPB)．Inpre