[01363246]铋基耐疲劳高温压电材料的制备与器件研究

铋层状结构化合物是一类重要的铁电、压电材料,由于特殊的结构,使得其具有高的居里温度、大的自发极化、低的介电损耗、高的温度稳定性以及好的抗疲劳特性等优点,因此该体系材料非常适合于制作铁电随机存储器和高温超高温压电传感器。然而,由于铁电极化反转受二维空间的限制以及大的矫顽场,铋层状结构材料的铁电性能和压电性能相对较差。本项目通过成分调控,如采用A位取代、B位取代、AB位共取代和A位空位修饰,来提高铋层状结构材料的铁电极化、压电性能、抗疲劳特性以及温度稳定性,主要内容及创新成果如下： （1） 首先制备了改性的K0.25Na0.25La0.5Bi2Nb2O9和Na0.5La0.5Bi2Nb2-xWxO9铁电陶瓷。通过A位镧完全取代铋有效地减小了钙钛矿层内氧空位的浓度,降低了漏电流,抑制了缺陷对畴壁的钉扎作用,因而K0.25Na0.25La0.5Bi2Nb2O9获得了较大的铁电极化和较好的抗疲劳特性,其Pr达到13.6 C/cm2。Na0.5La0.5Bi2Nb2-xWxO9因为A位镧完全取代铋和B位少量钨取代铌,其漏电流和介电损耗减小,缺陷对畴壁的钉扎作用弱化,击穿电场加大,结果它们具有优异的铁电压电性能和良好的抗疲劳特性。其中,x = 0.02 改良的Na0.5La0.5Bi2Nb1.98W0.02O9不仅Pr可达15.1 C/cm2,且其40 °C和120 °C下显示无疲劳特性。因此,K0.25Na0.25La0.5Bi2Nb2O9和Na0.5La0.5Bi2Nb1.98W0.02O9是两种潜在的铁电随机存储器材料。 （2） 为了获得具有应用前景的高温压电材料,分别采用A位LiLn（Ln3+ = Ce3+、Nd3+、La3+、Y3+）取代、A位Nd取代和AB位Bi/Sc共取代提高了Na0.5Bi2.5Nb2O9基高Tc压电陶瓷的压电性能和温度稳定性。通过这些等价取代对晶体结构、显微结构、电畴结构、缺陷浓度、电子电导和极化电场的调控作用,（Li, Nd）0.06（Na, Bi）0.44Bi2Nb2O9、Na0.5Nd0.2Bi2.3Nb2O9和Na0.45Bi2.55Nb1.95Sc0.05O9陶瓷获得了优异的压电性能和高的温度稳定性。它们的居里温度分别高达801、755、811 oC,而压电系数d33则分别为29、28、28 pC/N。 （3） 此外缺陷极化（PD）可以被引导,由于氧空位与缺陷离子（如ScNb 、ScTa ）结合的缺陷偶极子（ScTa VO ）稳定时跟随晶体对称性而定向排列,因此在AB位Li+/Ce3+/Sc3+受主取代的Na0.5-xBi0.5-xLixCexBi2Ta2-xScxO9-x陶瓷中存在缺陷极化。高频低电场（如30 Hz、75 kV/cm）下缺陷极化不反转,反而提供回复应力阻碍畴的反转,因而Na0.47Bi0.47Li0.03Ce0.03Bi2Ta1.97Sc0.03O8.97中观察到双电滞回线。相反,低频高压下（如0.1 Hz、150 kV/cm）PD随外电场发生重新取向,结果高Tc的Na0.47Bi0.47Li0.03Ce0.03Bi2Ta1.97Sc0.03O8.97获得了大的剩余极化和高的压电系数,其Tc、Pr和d33分别为784 oC、10.2 C/cm2和25.8 pC/N。同时由于PD对畴壁的冻结作用,它的温度稳定性也得到了很大的提高。相似地,A位Li+/Nd3+取代、B位Sc3+/W6+取代和A位空位共改良的Ca0.95Li0.02Nd0.02 0.01Bi2Nb1.98Sc0.01W0.01O8.985超高温压电陶瓷也因为缺陷极化重新取向对铁电极化的贡献,获得了良好的压电性能和高的温度稳定性,其Tc、Pr和d33分别为908 oC、6.1 C/cm2和20.6 pC/N。 （4） 最后研究了B位（Mg1/3Nb2/3）等价取代改良的Bi4Ti3-x（Mg1/3Nb2/3）xO12铁电压电陶瓷的晶体结构和电学性能。通过减小晶粒尺寸和抑制Ti4+ Ti3+的还原反应,B位（Mg1/3Nb2/3）取代大大降低了漏电流和电导损耗,结果Bi4Ti3-x（Mg1/3Nb2/3）xO12经大极化电场后获得了优异的铁电性能、压电性能和大的电致应变。另外,带电缺陷（MgTi 、NbTi）对畴壁的冻结作用使得它们的d33具有高的温度稳定性。居里温度为684 oC的Bi4Ti2.95（Mg1/3Nb2/3）0.05O12的Pr、d33和S33分别达到15.5 C/cm2、30 pC/N和0.068%。