納米SrBi2Ta2O9的制備與尺寸效應(yīng).pdf

1、鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)SrBi2Ta2O9(SBT)具有優(yōu)異的鐵電性能，尤其因可作為信息存儲(chǔ)介質(zhì)而受到了廣泛的重視與研究。但SBT本身還存在著一些缺點(diǎn)。結(jié)合鐵電器件研究的基本問(wèn)題，本文對(duì)SBT的合成、SBT尺寸效應(yīng)及鐵電-順電相變行為、SBT的電疇結(jié)構(gòu)與缺陷以及SBT鐵電物理性質(zhì)的理論描述四個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)深入的研究。
　　結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化制備工藝可以克服SBT合成溫度高、剩余極化小的缺點(diǎn)。采用乙二醇為溶劑、醋酸為催化劑、用無(wú)機(jī)鹽部分

2、替代醇鹽的溶膠凝膠工藝，使制備SBT納米顆粒和薄膜的晶化溫度降低到500～550℃。通過(guò)優(yōu)化基片的預(yù)熱處理工藝、薄膜的化學(xué)成分配比等參數(shù)，得到化學(xué)計(jì)量和非化學(xué)計(jì)量SBT薄膜表面致密，平均粗糙度分別為16.6nm，15.0nm；剩余極化2Pr值分別為16.6μC/cm2，19.8μC/cm2；矯頑場(chǎng)強(qiáng)Ec分別為68V/cm，73V/cm。
　　通過(guò)紅外、Raman、介電、熱分析以及變溫X射線等研究手段，發(fā)現(xiàn)SBT納米顆粒與薄膜中存在

3、著顯著的尺寸效應(yīng)。尺寸效應(yīng)導(dǎo)致SBT存在新的相變行為。納米SBT的基本相變過(guò)程為：A21am→A21am+FNR→I4/mmm；在非化學(xué)計(jì)量Sr0.85Bi2.1Ta2O9中可能的相變過(guò)程為：A21am→ A21am+FNR→ Amam→I4/mmm。從A21am→ A21am+FNR的轉(zhuǎn)變過(guò)程中存在著結(jié)構(gòu)馳豫；從A21am+FNR→I4/mmm的轉(zhuǎn)變過(guò)程存在著介電馳豫現(xiàn)象，晶粒直徑為27nm化學(xué)計(jì)量和32nm非化學(xué)計(jì)量SBT納米顆粒中

4、的Tm值分別為23℃和56℃。其中， FNR彌散分布在鐵電相基體中，只占總體積的一部分，接近室溫時(shí)體積分?jǐn)?shù)約為20％～30%。
　　TEM觀察表明，非化學(xué)計(jì)量Sr0.85Bi2.1Ta2O9和摻Nb的SBT中存在三種基本鐵電疇組態(tài)：180°疇界、90°疇界和反相疇界。在摻雜Nb無(wú)壓燒結(jié)SBT和化學(xué)計(jì)量的熱壓燒結(jié)SBT樣品中都出現(xiàn)了由應(yīng)力所引起的條紋狀襯度，計(jì)算表明形成α邊界條紋所需的應(yīng)力下限值約為2.4GPa。在塊體SBT還觀察到

5、了少量位錯(cuò)。通過(guò)TEM大量觀察，結(jié)果顯示在非化學(xué)計(jì)量和摻Nb的塊體SBT中容易形成缺Bi的雜質(zhì)相SrTa2O6。
　　通過(guò)加入應(yīng)力邊界條件在LGD理論框架下描述了納米SBT中的相變行為，對(duì)居里溫度、自發(fā)極化強(qiáng)度、介電常數(shù)、比熱隨晶粒尺寸的變化做出定量評(píng)價(jià)，得到與實(shí)驗(yàn)基本一致的結(jié)果，并通過(guò)外推得到SBT鐵電性存在的臨界尺寸為4.85nm。采用DFT理論研究了SBT中的能帶與態(tài)密度及有擇優(yōu)取向的多晶SBT的紅外光學(xué)性質(zhì)。在化學(xué)計(jì)量SB