Li掺杂KNbO3陶瓷与薄膜的制备及其介电性能研究

论文摘要

KN晶体具有优异的非线性光学性能、电光性能、压电性能和高的居里温度，其在光折变、激光倍频研究领域早已为人们所知。但大尺寸的KN晶体制备成本很高，严重限制了KN的应用，相对而言，KN陶瓷则更具有实际的应用价值。目前，KN作为一种无铅无铋的环境友好材料引起了材料工作者的广泛关注。由于在烧结的过程中，K极易挥发，使得样品组分偏离化学计量比而易潮解，难于得到致密的KN陶瓷。铌酸锂也是一种重要的环境友好介电陶瓷材料，因其自发极化，居里点高倍受关注。Li的掺入可以有效地改善KN陶瓷的烧结性能，但是关于Li掺杂KN陶瓷的烧结及其性能的研究目前还鲜见系统报道。因此，本论文就以Nb2O5，K2CO3，Li2CO3为原料，采用常压烧结工艺，制备出相对致密的Li掺杂KN陶瓷体，并通过XRD、Raman光谱、SEM等手段，对KN陶瓷的烧结及介电性能进行较为系统的研究。重点讨论Li的掺杂量、烧结温度对KN陶瓷粉体的合成、烧结及其介电性能的影响，并对Li掺杂KN陶瓷的介电性能随温度的变化进行研究。随着集成化的高速发展，KN薄膜的研究引起了人们的关注。由于半导体技术的飞速发展以及基于光电集成的设想，在半导体技术的基础材料—Si上生长KN薄膜具有尤其重大的意义。基于硅基底的KN薄膜在光波导、光调制、声表面波等领域将有广阔的潜在应用价值。然而，就我们了解的情况，目前关于KN薄膜的制备研究还较少，尤其是在国内还未见该方面的报道。本论文利用Li掺杂的KN陶瓷作为靶材，在Si基底上利用脉冲激光沉积技术制备KN薄膜，通过XRD、Raman光谱、EPMA及FESEM等手段，重点研究脉冲激光沉积实验控制参数（基底类型、基底温度、氧压、靶材基底间距、激光能量密度等）对KN薄膜的成分结构的影响，确定最佳的制备工艺条件，同时对KN薄膜制备过程中出现的缺K现象进行深入研究，并提出有效地改善措施。实验结果表明，Li的掺入有效地降低了KN陶瓷的合成温度，800℃／2h即可合成KN粉体；采用在与陶瓷块体成分相同的粉体中埋烧的方式可以有效地抑制烧结过程中K的挥发，有利于得到化学计量比的KN陶瓷；Li的掺入提高了其烧结活性，降低了其烧结温度。当Li的掺杂量在1～7mol％的时候，可以得到单一物相的KN陶瓷体，Li的最佳掺杂量为5mol％，最佳的烧结工艺为950℃／3h，比纯KN的烧结温度降低了近80℃，有效地抑制了烧结过程中K的挥发。该条件下得到的样品晶粒发育完好，晶粒之间连接紧密，KN的密度达到4.34g／cm3。随掺Li量的增加和烧结温度的降低，KN陶瓷的介电常数降低，介电损耗升高。100KHz时，掺Li5mol％，950℃／3h烧结样品的介电常数为259，介电损耗0.21。随掺Li量的增加以及烧结温度的增高，Li掺杂KN陶瓷的居里温度升高，有效地拓宽了其铁电相的温度使用范围，有利于在超声换能器方面的应用。PLD沉积KN薄膜时，Si（100）基底比石英玻璃SiO2基底更有利于得到结晶完好，与基底附着好的KN薄膜。随着基底温度的升高，KN薄膜的K／Nb比例先增大后减小，在650℃时达到最高值；随着靶材基底间距的增大，薄膜的结晶度下降，K／Nb比例线性地降低；随着激光能量的降低，薄膜的K／Nb比例线性地增加，7.5mJ／pulse时可得到单一物相的KN薄膜，增大激光能量会引入杂质相，降低激光能量则得不到结晶的KN薄膜；随氧压的增大，薄膜的K／Nb比例先增大后减小，在20Pa时达到最高值。在我们的实验条件下，最佳的参数为基底温度650℃，靶材基底间距40mm，激光能量为7.5mJ／pulse，氧压20Pa。在此条件下利用K／Nb比例0.96的靶材，制备的KN薄膜K／Nb比例为0.98。PLD沉积KN薄膜时，由于K、Nb粒子重量的悬殊，使得两者在羽辉中传播时出现了明显的分离现象，K粒子在羽辉中，以偏离羽辉轴线更大的角度传播，而Nb则沿羽辉轴线相对集中的角度传播。并且在羽辉中有大量的K粒子背散射到靶材的表面，使得靶材表面未被烧蚀的部分出现明显的富K现象，而薄膜的K／Nb比例则远低于靶材的成分。采用基底偏离羽辉轴线的方式可以有效地提高薄膜的K／Nb比例。利用K／Nb比例0.96的KN陶瓷靶材，在基底温度650℃，激光能量7.5mJ／pulse，氧压10Pa，偏移角度3～12°时，在Si（100）基底上，可以制备出K／Nb比例为0.98的近化学计量比的KN薄膜。提高氧压至20Pa，增大偏移角度至14°时，可以制备出完全符合化学计量比的KN薄膜。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 3晶体物理性质、应用及存在问题'>§1.1 KNbO₃晶体物理性质、应用及存在问题
• 3晶体基本物理性质'>1.1.1 KNbO₃晶体基本物理性质
• 3晶体的应用与存在问题'>1.1.2 KNbO₃晶体的应用与存在问题
• 3陶瓷的研究现状'>§1.2 KNbO₃陶瓷的研究现状
• 3薄膜制备概述'>§1.3 KNbO₃薄膜制备概述
• 1.3.1 铁电薄膜的制备方法
• 1.3.2 KN薄膜的制备现状
• §1.4 本论文的提出、研究内容及主要创新点
• 第二章 脉冲激光沉积技术简介
• §2.1 PLD薄膜实验系统概述
• §2.2 PLD物理过程
• §2.3 PLD技术的应用
• 2.3.1 PLD控制参数
• 2.3.2 PLD技术特点与应用领域
• 第三章 Li掺杂KN陶瓷的制备及其介电性能研究
• §3.1 引言
• §3.2 实验与测试
• 3.2.1 实验原料与工艺
• 3.2.2 测试方法与原理
• §3.3 Li掺杂KN陶瓷的制备
• 3.3.1 Li掺杂KN陶瓷粉体的合成
• 3.3.2 Li掺杂KN陶瓷的烧结
• §3.4 Li掺杂KN陶瓷的介电性能
• 3.4.1 Li掺杂KN陶瓷的室温介电性能
• 3.4.2 Li掺杂KN陶瓷的介电性能随温度的变化
• §3.5 本章小结
• 第四章 Li掺杂KN薄膜的脉冲激光沉积及成分控制
• §4.1 引言
• §4.2 实验与测试
• 4.2.1 实验过程
• 4.2.2 测试
• §4.3 Li掺杂KN薄膜的脉冲激光沉积
• 4.3.1 基底类型对生长KN薄膜的影响
• 4.3.2 基底温度对生长KN薄膜的影响
• 4.3.3 靶材基底间距对生长KN薄膜的影响
• 4.3.4 激光能量对生长KN薄膜的影响
• 4.3.5 氧压对生长KN薄膜的影响
• §4.4 KN薄膜的成分控制
• 4.4.1 KN薄膜成分缺K的机理
• 4.4.2 KN薄膜的成分控制
• §4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• §5.1 结论
• §5.2 展望
• 致谢
• 参考文献