掺杂Bi4Ti3O12陶瓷的介电和内耗研究

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1、毕业论文题目 :凝采态专业 2 0 0 0级硕士生姓名: 姚阳阳 指导教师( 性名、职称) : 朱劲松教授近年来， 铁电材料由于铁电存储器的实现被广泛研究。 但现有用于铁电存储器的 两种铁电材料P Z T 和S B T 存在着或多或少的缺点， 所以 性能更优的 铁电 存储介 质仍被人们期待着。具有层状钙钦矿结构铁电 材料B i 4 T i 3 0 , 2 ( B T O )，由 于有 很 大的自 发 极化 ( P s = 4 0 一 5 0 LC /c m 2 ) ， 成为 倍受 关 注的 铁电 存 储器的 候 选 材料。 但是这 种材料的剩余极化小， 而且抗疲劳性能差， 因 此需要通过掺杂改

2、善性能。 众所周知， 材料内部的氧空位对于材料的 铁电性能特别是疲劳方面有很大的影响，因此研究氧空位在掺杂材料中的变化，对于研究 B T O掺杂铁电材料的性能有很大的帮助。 本论文 着重测量了B i 4 T i 3 0 i 2 及其掺杂的B i 4 -. L a T i 3 0 , 2 ( B L T ) 和B i4-.1 3 T i3 -, N b x 0 1 2( B T N ) 陶 瓷 的 介电 和内 耗， 以 此 来 研 究 氧空 位对 材 料 铁电 性 能 的影响。具体工作按时间先后次序可细分如下:1 用固 相反应的 方法制备了B T O以 及A位掺杂的B i 4 , L a x T

3、 i 3 0 1 2 ( x = 0 , 0 . 5 ,0 . 7 5 , 1 ) 和B位掺杂的B i 4 - x /3 T i 3 -. N b x 0 1 2 ( x = O , 0 . 0 1 5 , 0 . 0 3 , 0 . 0 6 ) 的致密陶瓷 和靶材。2 . 测量了 B T O及其掺杂材料的高温介电常数和损耗，在温度谱上从室温到3 5 0 C ，发现介电 常数随 温度变 化无反常，而 损耗曲线出现了 一个随频率变化的弛豫峰。 通过氧处 理、 单畴化以 及水处理后的结果， 我们认为该弛豫峰可能 和材料内 部的 氧空 位在晶格中的跳跃有关。同时根据A r r e h e n i u

4、 s关系， 我们计算了该弛豫峰的 激活能和弛豫时间， 符合氧空位的特征， 进一步证实了该弛豫峰是由 氧空 位引起的。3 . 为了 研究掺杂对 B T O铁电性能的影响，我们 研究掺 L a 和掺 N b的B T O陶瓷的介电 常数和介电 损耗。 A位掺 L a 后，弛豫峰随掺杂量增加逐步向高温端移动，拟合出 的氧空位激活能逐步变大， 动性下降， 畴钉轧减少， 疲劳性变好。 同时结合氧空位浓 度和激活能的 观点解释了 掺L a 在0 . 7 5 附 近出 现最优的铁电性质。 而随B位掺N b 量的增加， 峰温略 有升高并且峰高逐步被压制直至消失， 同 时借助于施主受主掺杂的概念， 解释了B 位掺

5、杂弛 豫峰被压制的原因， 较成功地将该峰和陶瓷 样品的疲劳性联系起来。考虑到内 耗和介电 测量在唯象描述上的相似性以 及实验上的互补性， 我们用音频内耗仪在相同温度范围内 测量了以 上陶瓷样品的内耗和模量， 同样观 察 到了 一 弛 豫 型内 耗 峰 ( ) ， 通 过 该内 耗峰 与 介电 损 耗 峰的 比 较 ， 进 一步确定了介电损耗峰是由 带电 的点缺陷即氧空位引 起的。用D S C的方法测量了B位掺杂的相变温度T c 和掺杂浓度的关系， 发现居里温度在 6 6 0 C附近和B T O的 居里温度基本一致。 利用 R a m a n , x - r a y和电 滞回线这些测量手段，初步

6、研究了B 位掺杂至0 . 1 后晶体结构的 变化。T H E S I S : T h e D i e l e c t r i c a n 焦 I n t e r n a l 耽和 t i o n S t u d y o n t h e D o p e dB i 4 Ti 3 01 2 c e r a mi c s S P E C I A L I Z A T I O N : C o n d e n s e d m a t t e r , p h y s ic s, P O S T G R A D U A T E : Y a n e v a n g 取 。 ME NT OR: P r o f .

7、J . S . Z h uR e c e n t l y , f e r r o e l e c t r i c m a t e r i a l s h a v e b e e n e x t e n s i v e l y s t u d i e d o w n i n g t o t h er e a l i z a t i o n o f f e r r o e l e c t r i c r a n d o m a c c e s s m e m o ry ( F e R A M ) . P Z T a n d S B T a r et h e l e a d i n g m a t

8、e r i a l s f o r F e R A M a p p l i c a t i o n . H o w e v e r t h o s e m a t e r i a l s s u ff e r fr o ms o m e d i s a d v a n t a g e s o r o t h e r s . B e c a u s e o f i t s l a r g e s p o n t a n e o u s p o l a r i z a t i o n ( P s = 4 0 - 5 0 g 0 c m ) ,th e f e r r o e l e c tr ic

9、 s B i4 T i3 0 12 ( B T O ), w h ic h b e lo n g s to th e f a m ily o fB i s m u t h l a y e r s t r u c t u r e d f e r r o e l e c t r i c s ( B L S F s ) , h a s e m e r g e d a s a p r o m i s i n gc a n d i d a t e f o r F e R A M. H o w e v e r , B i 4 T i 3 01 2 t h i n fi lm s h o w s a s e

10、 r i o u s d e g r a d a t i o n o ff e r r o e l e c t r i c p r o p e rt i e s a n d s ma l l r e m a n e n t p o l a r i z a t i o n . I n o r d e r t o s h e a r i t sf e r r o e l e c t r i c p r o p e rt i e s , d o p i n g a n d s u b s t i t u t i n g t e c h n i q u e w a s a d o p t e d .

11、A s i s g e n e r a l l y k n o w n , t h e f e r r o e l e c t r i c p r o p e rt y o f B T O w a s g r e a t l y i n fl u e n c e d b y t h eo x y g e n v a c a n c i e s i n b u l k , s o i t i s h e l p f u l t o s t u d y t h e f e r r o e l e c t r i c p r o p e rt i e s o fo x y g e n v a c a

12、 n c i e s b y t r a c i n g t h e v a r i a t i o n o f o x y g e n v a c a n c i e s i n d o p e d B T Os y s t e m. T h i s t h e s i s m a i n l y c o n c e n t r a t e o n t h e d i e l e c t r i c a n d i n t e rna l fr i c t i o n s t u d yo f t h e f e r r o e l e c t r i c s p r o p e rt y

13、o f B i 4 T i 3 0 1 2 ( B T O )s e r i e s d o p e d m a t e r i a l s t oi n v e s t i g a t e t h e i n fl u e n c e o f o x y g e n v a c a n c i e s o n t h e f e r r o e l e t r i c p r o p e rt y . S p e c i f i cw o r k i n t h e c h r o n o l o g i c a l o r d e r a r e l i s t e d a s f o l

14、 l o w s :1 . U s i n g t h e s o l i d p h a s e r e a c t i o n m e t h o d s , w e s u c c e s s f u l l y p r e p a r e d t h e d e n s e dt a r g e t s a n d c e r a m i c s o f t h e p u r e B T O a n d i t s d o p e d ma t e r i a l s : B i 4 _ , L a x T i 3 0 1 Z( x = 0 , 0 . 5 , 0 . 7 5 , 1

15、 )a n d B i 4 _ V 3 T i 3 _ . N b x 0 1 2 ( x = 0 , 0 . 0 1 5 , 0 . 0 3 , 0 .0 6 )2 . T h e e l e c t r i c a l p r o p e rt i e s o f t h e m a t e r i a l s w e r e m e a s u r e d u s i n g t h e H P 4 1 9 4 L o wi m p e d a n c e Me t e r . I t i s o b s e r v e d t h a t t h e d i e l e c t r i

16、 c c o n s t a n t s h o w n o a n o m a l y i nt h e t e m p e r a t u r e r a n g i n g fr o m t h e r o o m t e m p e r a t u r e t o 3 5 0 C , w h i l e i n t h e p l o to f d i e l e c t r i c l o s s v e r s u s t h e t e m p e r a t u re , a s e t o f r e l a x a t i o n p e a k s e m e r g e d w i t hv a r i o u s d r i v i n g fr e q u e n c i e s . Wi t h t h e a d d i t i o n a l a s s i s t a n c e o f e x p e r i me n t a lm e a n s s u c h a s o x y g e n t r