《陶瓷掺杂的论文 (3)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《陶瓷掺杂的论文 (3)（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、伊犁师范学院物理科学与技术学院2012届本科毕业论文（设计）论文题目：钛酸锶钡Ba1-xSrxTiO3（x=0.2，x=0.3）铁电陶瓷材料的制备作者姓名：胡 艳班 级：物理08-2B班专 业：物理学学 号：08070201010指导教师：尹 红 梅 讲师 完成时间：2012年5月 18 日物理科学与技术学院二一二年五月钛酸锶钡Ba1-xSrxTiO3（x=0.2，x=0.3）铁电陶瓷的制备内容摘要本文采用传统的固相反应方法合成了Ba1-xSrxTiO3（x=0.2,x=0.3）铁电陶瓷材料。分别用X射线衍射和介电谱测量，对它们的结构和复介电常数进行了测量分析.结果表明：所制备的样品为钙钛矿相
2、连续固溶体；在频率f=1103HZ下，Ba1-xSrxTiO3陶瓷的介电常数随温度的增加而增大，介电损耗则随温度的增加而减小。另外，在此频率变化范围内，随着频率的增大，Ba1-xSrxTiO3陶瓷的介电常数与介电损耗均减小。关键词： 铁电陶瓷 固相反应 X射线衍射 介电谱The fabrication of barium strontium titanate Ba1-xSrxTiO3 (x=0.2,x=0.3) ferroelectric ceramicsIn this paper,Ba1-xSrxTiO3(x=0.2,x=0.3) ferroelectric ceramics were fa
3、bricated by traditional solid-state reaction technique.Their structure and complex dielectric constant were measured and analysised by X-ray diffraction and dielectric spectrum measurement,separately. The results show that: (1) The sample of fabrication is perovskite phase,continuous interstitial st
4、ructure. (2) Under the frequency of 1103HZ, the dielectric constant of Ba1-xSrxTiO3 ceramic is increasing with the increase of the tempreture and the dielectric loss value is decreaseing with the increase of the tempreture. In addation to, within the change range of the frequency,the dielectric cons
5、tant and dielectric loss value of Ba1-xSrxTiO3 ceramic are decreaseing with the increase of the frequency.Key words: ferroelectric ceramics solid-state reaction X-ray diffraction Dielectric spectrum目 录1 引言11.1 铁电材料简介11.2 钛酸锶钡（Ba1-xSrxTiO3）简介21.3 钛酸锶钡铁电材料的应用41.4钛酸锶钡铁电材料的研究现状及制备方法选择52 实验过程62.1 实验仪器简介及
6、使用注意事项62.2 实验材料简介112.3 钛酸锶钡铁电陶瓷制备过程112.3.1 制备工艺流程图112.3.2 制备过程123 实验结果143.1 样品密度及径向收缩率143.2 X射线衍射检测结果153.3 介电谱检测结果164 结论17参 考 文 献19致 谢211 引言1.1 铁电材料简介如果晶体在某个温度范围内具有自发极化强度(不施加外加电场时)，并且当外电场作用于晶体时，自发极化强度的方向能随着重新进行取向，晶体的这种性质称为铁电性1(ferroelectricity)，具有这种性质的晶体就称为铁电体。其中极化强度与外加电场之间的滞后关系曲线即为人们所熟知的“电滞回线”，如图1.
7、1所示。图 1.1 铁电体电滞回线与铁磁体的磁滞回线相类似，铁电体一定具有电滞回线，这是判断某种材料是否为铁电体的重要依据。“铁电体”之名即由此而来，显然，它的性质实际上与“铁”是毫无关系的。铁电晶体存在一个结构相变温度Tc，称为居里温度，只有顺电一铁电的相变温度才称其为居里温度或者称为居里点，这也是晶体铁电性的另一个重要特征。临界特征是晶体铁电性的第三个重要的特征，铁电体的临界特征是指在居里点附近铁电体的物理性质要发生反常现象，其中最具有代表性的是“介电反常”现象。铁电体的种类很多，目前已经发现了广泛分布于从立方晶系到单斜晶系的10个点群中的一千多种铁电体。迄今为止铁电体有很多种分类方法，其
8、中常用的有以下几种2-3。 根据铁电体中存在极化轴的多少分成两类。只能沿着一个晶轴方向极化的铁电体称为单轴铁电体；能够沿着几个晶轴方向极化(在其非铁电相时这些晶轴是等效的)的铁电体称为多轴铁电体，这种分类方法的优点是便于研究铁电畴。 根据非铁电相时铁电体有无对称中心可分成两类。一类铁电体的晶体结构在处于顺电相时不存在对称中心，具有压电效应。另一类铁电体，其晶体结构在处于顺电相时存在对称中心，不具有压电效应。这种分类方法的优点是便于在铁电相变时进行热力学处理。 根据铁电晶体的结构特征和晶体成分，可以分成两类。一类是含有氢键的晶体。常称为有序无序型铁电体。另一类晶体，常称之为位移型铁电体。 按照居
9、里一外斯常数的大小进行分类，这种分类法有利于铁电体相变机制的研究。此外还有量子顺电体(先兆性铁电体)，铁电驰豫体以及有机铁电体等。一般认为，铁电体的研究开始于1922年，当年法国人瓦拉塞克(Valasek)在罗息盐(酒石酸钾钠NaKC4H4O64H2O)中发现了铁电现象。但近年来，G.BuSCh4提出铁电性的历史应该以罗息盐的问世为开端，这比瓦拉塞克(Valasek)的发现要早200多年。迄今为止，大体可以将铁电体的研究历史分为以下四个阶段：第一阶段:1920年到1939年发现了两种铁电结构，即罗息盐和KH2PO4系列；第二阶段:1940年到1958年铁电唯象理论开始建立，并趋于成熟；第三阶段
10、:1959年到70年代铁电软模理论出现和基本完善时期，称为软模阶段；第四阶段:80年代至今，主要研究各种非均匀系统。1.2 钛酸锶钡（Ba1-xSrxTiO3）简介钛酸锶钡材料体系是典型的钙钛矿结构(ABO3)，如图1.2所示，占据顶角A位置的是较大的Ba2+（或Sr2+）离子，体心处的B位由较小的Ti4+占据，O2-则占据六个面心位置，这些O2-构成氧八面体，氧八面体中心是Ti4+，整个晶体可被看成是由共顶点联接的氧八面体构成，A位的Ba2+（或Sr2+）占据各氧八面体之间的空隙，所以A位的Ba2+（或Sr2+）和B位的Ti4+的配位数分别为12和6，钛酸锶钡铁电体的自发极化主要来源于B位T
11、i4+偏离氧八面体中心的运动，具体钙钛矿结构单元如图1.2所示，由于该体系对于Ti4+相对而言比较宽松，故Ti4+能够被取代产生较大的极化效应5-7。钛酸锶钡材料众多优异的物理化学性质都与其晶体结构相关。对于ABO3型的钙钛矿结构，可看作由氧八面体顶角(A晶位)相连接而形成的空间网状结构，其中O2-位于八面体的顶角，Ti4+处于氧八面体的中心(B晶位)，在相邻的八个氧八面体包围图 1.2钙钛矿结构示意图形成的空隙中包覆着A离子。A晶位为低电价、大半径的Ba2+（或Sr2+）。A晶位(Ba2+或Sr2+）的配位数是12，B晶位(Ti4+)的配位数是6。正氧八面体有3个四重转轴，4个三重轴和6个二
12、重轴，相对于相邻氧八面体形成空隙，由于Ti4+的半径较小，这些空隙使得Ti4+可以移动。也就是说在特定的条件下，Ti4+可以来回位移。当温度较高时，Ti4+的热振动较为剧烈，其振动轨迹的重心仍在氧八面体的正中央，对外不显示电性；当温度较低时，Ti4+的热振动减弱，其运动轨迹重心与氧八面体中心不再重合，而是发生了偏移，从而对外显示自发极化。通常Ti4+沿着3个高对称性方向之一偏离中心位置，这个方向也是自发极化方向。这种特殊的晶体结构给钛酸锶钡材料带来了许多优异的电学性能8-9。22 铁电性由于晶体结构具有高度对称性，晶体在产生自发极化时，Ti4+存在多个平衡位置。在外加电场的作用下，Ti4+能够
13、随着外加电场方向的改变而改变。因此，晶体的极化强度P和外加电场强度E之间的关系会存在一般铁电体的电滞回线10。 高介电常数钛酸锶钡材料的介电常数很大，且与其Ba/Sr比有关，随着X值的不同，钛酸锶钡铁电陶瓷的介电常数可以从几百变化到几千,相对于常规的介电材料要大得多。现阶段随着动态随机存贮器(DRAM)的发展，迫切要求高介电常数的材料，因此，钛酸锶钡成为极有潜力的强介电陶瓷材料。 介电的非线性介电的非线性是指电介质材料的极化强度随着外加电场强度的变化呈现非线性变化，钛酸锶钡材料的介电常数是随外加电场的变化而改变的。非线性电介质材料的非线性强弱通过介电协调率来衡量：对于某些铁电体，在温度高于其居
14、里温度几度以上时，非线性便会消失，然而钛酸锶钡材料的居里温度随其组分可调，所以该材料在较宽的温度范围内都具有非线性。 低的介电损耗当作用于介质的外加电场变化频率比较高时，在钛酸锶钡材料中，有些类型的极化就来不及随着电场的变化而变化，产生滞后现象，这样就导致了介质的极化强度P滞后于电场强度E，这时将会消耗一部分能量，形成介电损耗，但是这个损耗值是很低的，最低可达0.0025。 热释电特性材料的热释电性能由材料的热释电系数来衡量，钛酸锶钡材料的热释电系数可达2010-8C/cm2K。钛酸锶钡材料因其不含有铅，性能稳定且居里温度可调，一直以来受到科研界的广泛关注。钛酸锶钡是无限固溶体材料，随着Ba/
15、Sr的成分比不同，晶格常数也不相同，居里温度点的位置决定了铁电材料介电系数较大的敏感区域，通过改变材料的成分可以调整探测的温度敏感区域，从而能够提高探测器的灵明度11。综上所述，钛酸锶钡是一种性能优良的热敏材料、电容器材料和铁电压电材料。因其具有高介电常数、低介电损耗、居里温度随组分可变以及介电常数随电场的非线性变化等特点，在超大规模动态存储器、微波调谐器等方面具有广阔的应用前景，成为电子集成器件领域最广泛研究的材料之一。1.3 钛酸锶钡铁电材料的应用钛酸锶钡是一种优良的热敏材料、电容材料和铁电压电材料，可用于发光领域，利用共沉淀的方法可以制备出发光材料基质。这些材料通过加入添加剂如Al203、ZrO2、MgO等进行改性 ，可得到不同居里温度的光电材料。同时钛酸锶钡的高介电常数、低介电损耗等优点，因材料组成成分的不同，介电常数可以在很宽的范围内调节，使其还可以用于功能陶瓷电容器、高性能敏感微波元件(如振荡器、移相器、延迟线、天线和可调性滤波器)、铁电记忆材料和PTC陶瓷等器件中。此外由于钛酸锶钡薄膜兼有钛酸钡和钛酸锶的特点，其室温顺电相和无老化疲劳性等其他优势可在很多领域作为介质材料。值得一提的是钛酸锶钡铁电薄膜厚度在百纳米级左
