Bi4Ti3O12及其Nb掺杂铁电陶瓷和薄膜的制备与性能研究

论文摘要

采用固相反应法制备了Bi4Ti3O12（BIT）及其Nb掺杂Bi4Ti3-xNbxO12+x/2（BTN,x=0、0.015、0.03、0.045、0.06、0.09）铁电陶瓷，在此基础上采用射频溅射法制备了BIT及其Nb掺杂BTN铁电薄膜。研究了制备工艺和Nb掺杂对BIT及其Nb掺杂BTN铁电陶瓷和薄膜结构与性能的影响。通过XRD、SEM等微观分析手段和铁电参数测试仪、低频阻抗分析仪等铁电、介电测试仪器，研究了成型压力、烧结工艺（包括烧结温度、烧结时间、升温速率）、Nb掺杂对BIT及其BTN陶瓷以及退火温度、Nb掺杂对BIT及其BTN薄膜相结构、表面形貌、相对密度、剩余极化、矫顽场、介电常数、介电损耗、压电常数、C-V特性等的影响。成功制备出表面平整无裂纹，晶粒均匀，无其它杂相随机生长的BIT及其Nb掺杂BTN铁电陶瓷和薄膜，在保持良好介电性能的前提下提高了BTN的铁电性能。结果表明：烧结工艺和Nb掺杂含量是BIT及其Nb掺杂BTN铁电陶瓷结构与性能的关键影响因素。当升温速率为2℃/min、成型压力100MPa、烧结温度为1100℃、烧结时间为4h时，BIT陶瓷样品为单一的钙钛矿结构的钛酸铋，无第二相生成，晶体发育完全，尺寸较均匀，晶界清晰。微量Nb的掺入并未改变BIT陶瓷的晶体结构，但可减小陶瓷的晶粒尺寸并降低材料的居里温度。同时，Nb的掺入大大降低了BIT陶瓷的介电常数并使BIT陶瓷的介电损耗峰被削平了，适当的Nb掺杂可明显降低BIT陶瓷的介电损耗，显著提高材料的剩余极化（2Pr）和压电常数(d33)，一定程度上降低矫顽场（2EC）。当x=0.045时,陶瓷的综合性能较好，即：有较高的2Pr（27μC/cm2）和较小的2EC（74.3kV/cm），其剩余极化与未掺杂BIT陶瓷相比，提高了近3.8倍。薄膜的热处理是影响薄膜性能的一个重要因素。450℃退火时，BIT薄膜开始晶化；当退火温度上升到650℃时，BIT薄膜己经结晶完全；退火温度的升高有利于薄膜的晶化和c-轴取向的形成；随退火温度的增加，BIT薄膜更致密，晶粒尺寸更均匀。BTN薄膜的剩余极化和矫顽场与Nb掺杂量的变化关系与BTN陶瓷的类似。当x=0.045时，BTN薄膜的综合性能较好，即：有较高的2Pr（25.5μC/cm2）和较小的2EC（194kV/cm）。Ag/BIT/p-Si、Ag/BTN （x=0.045）/p-Si结构铁电薄膜电容C-V特性曲线均呈现顺时针方向的回滞，两种结构铁电薄膜电容可实现极化存储，其记忆窗口分别约为0.7V、1.4V，而且Nb掺杂BTN铁电薄膜电容的记忆窗口明显增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铁电薄膜
• 1.2.1 常用铁电薄膜材料
• 1.2.2 铁电薄膜的制备技术
• 1.2.3 铁电薄膜的应用
• 1.3 铋层状结构铁电薄膜掺杂改性研究进展
• 1.4 本文研究的意义及其内容
• 第二章 BIT及其Nb掺杂BTN陶瓷靶材和薄膜的性能测试
• 2.1 X射线衍射分析及晶粒尺寸计算
• 2.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3 烧结体相对密度（致密度）测试
• 2.4 介电性能测试
• 2.5 铁电性能测试
• 2.6 压电性能研究
• 2.7 C-V特性测试
• 第三章 BIT铁电陶瓷的制备及性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 BIT陶瓷的制备工艺与方法
• 3.2.1 BIT实验用主要原料及工艺流程
• 3.2.2 实验用主要设备
• 3.3 BIT粉体的合成
• 3.3.1 XRD分析
• 3.3.2 SEM分析
• 3.4 烧结工艺对BIT陶瓷结构和性能的影响
• 3.4.1 烧结温度对BIT陶瓷的影响
• 3.4.2 烧结时间对BIT陶瓷的影响
• 3.4.3 升温速率对BIT陶瓷的影响
• 3.5 成型压力对BIT陶瓷的影响
• 3.6 结论
• 第四章 BTN铁电陶瓷的制备及性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 BTN陶瓷的制备
• 4.3 BTN陶瓷的性能研究
• 4.3.1 BTN陶瓷的烧结行为
• 4.3.2 BTN陶瓷的物相形为
• 4.3.3 BTN陶瓷的显微结构
• 4.3.4 BTN陶瓷的介电性能
• 4.3.5 BTN陶瓷的铁电性能
• 4.3.6 BTN陶瓷的压电性能
• 4.4 结论
• 第五章 BTN薄膜制备工艺流程
• 5.1 射频磁控溅射镀膜装置及原理
• 5.1.1 辉光放电
• 5.1.2 磁控溅射
• 5.1.3 射频溅射
• 5.1.4 反应性溅射
• 5.2 实验用陶瓷材料
• 5.3 Si基板清洗
• 5.4 实验过程
• 5.5 溅射工艺条件
• 5.6 退火处理条件
• 第六章 BIT及其Nb掺杂BTN铁电薄膜的结构与性能研究
• 6.1 退火温度对BIT薄膜结构和性能的影响
• 6.1.1 退火温度对BIT薄膜晶相结构的影响
• 6.1.2 退火温度对BIT薄膜晶粒尺寸和表面形貌的影响
• 6.1.3 退火温度对BIT薄膜介电性能的影响
• 6.1.4 退火温度对BIT薄膜铁电性能的影响
• 6.2 Nb掺杂对BTN薄膜微观结构和性能的影响
• 6.2.1 Nb掺杂对BTN薄膜晶相结构的影响
• 6.2.2 Nb掺杂对BTN薄膜微观结构和表面形貌的影响
• 6.2.3 Nb掺杂对BTN薄膜介电性能的影响
• 6.2.4 Nb掺杂对BTN薄膜铁电性能的影响
• 6.2.5 Nb掺杂对BTN薄膜C-V特性的影响
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士期间主要研究成果