Ca、Sr掺杂BaTiO3薄膜及陶瓷铁电材料性质研究

论文摘要

铁电材料由于其良好的介电、压电和光学性能而被广泛应用在各种电子以及光学器件上。BaTiO3及各种掺杂改性后的BaTiO3固溶体材料一直都是铁电材料研究的热门问题。其中,Ca掺杂的Ba1-xCaxTiO3（BCT）材料被认为是很有前景的无铅光电器件和存储器件材料。现代微型器件需要高质量的薄膜材料,然而关于BCT薄膜材料的报道却很少。在本文中,我们将报道各个不同Ca组分的BCT薄膜和陶瓷材料的性质对比研究。本文还将对Sr,Ca共同掺杂BaTiO3陶瓷材料的性质进行研究。在实验中我们发现特定组分的（BaxSr1-x）0.77Ca0.23TiO3陶瓷与未掺Ca的（BaxSr1-x）TiO3陶瓷相比表现出了剩余极化增强的现象。本文将主要针对以上两个问题做一些探讨。本论文中我们采用固相烧结工艺来制备BCT陶瓷,利用脉冲激光沉积技术在Pt/Ti/SiO2/Si基底上生长BCT薄膜,对它们的微观结构和介电性能进行比较和研究。我们发现BCT陶瓷和薄膜样品的显微结构和介电性质具有很大的差异。当0<x<0.25时BCT陶瓷属于四方相;当0.9<x<1时属于斜方相;而当0.3<x<0.85时则是两相共存的混合物。当0<x<0.5时BCT陶瓷的居里点变化不大。而沉积在Pt/Si/SiO2/Si衬底上的BCT薄膜在当0.2<x<0.85的范围内却没有两相共存的结构,居里点下降很快并且介电常数-温度曲线表现出了弛豫特性。我们分析BCT薄膜的晶格扭曲及居里点下降的原因都可以归结于部分Ca2+对Ti4+位置的取代。由于Ca2+离子的半径要比Ti4+半径大很多,所以Ca2+对钙钛矿结构氧八面体中Ti4+位置的取代会引起晶胞体积膨胀和晶格扭曲。这种晶格扭曲使得0.3<x<0.8时的BCT薄膜的XRD衍射峰变的难以分辨。Ca2+对Ti4+位置的取代也导致了晶胞内的晶格应力,从而导致了BCT薄膜居里点的明显下降。而BCT薄膜的介电常数-温度曲线所表现出的弛豫特征则可以用薄膜-衬底间“死层”作用来解释。我们还通过传统的固相反应法来制备BaxSr1-xTiO3,Ba0.77Ca0.23TiO3和（BaxSr1-x）0.77Ca0.23TiO3固溶体并对它们的介电和铁电性质进行比较研究。我们发现Sr掺杂Ba0.77Ca0.23TiO3陶瓷导致了居里点的明显降低,这与Sr掺杂BaTiO3的情况很相似,这种居里点的变化可以归因于晶胞体积变化效应。当x = 0.9和0.8时晶格常数c/a的值的扩大导致了（BaxSr1-x）0.77Ca0.23TiO3陶瓷具有明显的极化增强现象,这可以解释为Sr掺杂导致的晶格扭曲及应力效应。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 钛酸钡系列铁电材料
• 1.3 铁电陶瓷的制备技术
• 1.4 铁电薄膜的制备技术
• 1.5 研究现状和内容
• 参考文献
• 3, （Ba,Sr）TiO₃及（Ba,Sr,Ca）TiO₃ 陶瓷的制备、结构表征及电学性质的'>第二章 （Ba,Ca）TiO₃, （Ba,Sr）TiO₃及（Ba,Sr,Ca）TiO₃陶瓷的制备、结构表征及电学性质的
• 2.1陶 陶瓷样品的制备
• 2.2陶 陶瓷样品的结构表征
• 2.3 陶瓷样品电学性质的检测
• 参考文献
• 3 薄膜样品制备与表征方法'>第三章 （Ba,Ca）TiO₃薄膜样品制备与表征方法
• 3.1 激光脉冲沉积法
• 3.2 样品电极制备
• 3.3 薄膜样品测试方法
• 参考文献
• 1-xCa_xTiO₃ 陶瓷和薄膜微观结构与介电性质的比较和研究'>第四章 Ba_1-xCa_xTiO₃陶瓷和薄膜微观结构与介电性质的比较和研究
• 4.1 引言
• 4.2 结果与讨论
• 4.3 本章结论
• 参考文献
• 3陶瓷的极化增强研究'>第五章 Sr,Ca 共掺杂BaTiO₃陶瓷的极化增强研究
• 5.1 引言
• 5.2 结果与讨论
• 5.3 本章结论
• 参考文献
• 第六章 总结
• 攻读硕士学位期间公开发表的论文
• 致谢