稀土摻雜的鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)、鐵電、壓電及熒光性能研究.pdf

1、壓電陶瓷材料是一類非常重要的功能材料，在制動器、換能器、濾波器等方面都有廣泛應用。但是，目前使用最多的是鉛基壓電陶瓷，眾所周知，鉛基壓電陶瓷材料中含有強毒性的氧化鉛，在其制備生產(chǎn)、使用及廢棄處理過程中，都會對生態(tài)環(huán)境及人類健康產(chǎn)生嚴重的危害。因此，近年來，越來越多的科研工作者們致力于發(fā)展和研究高性能的無鉛壓電材料，以替代傳統(tǒng)鉛基陶瓷。鈦酸鉍鈉（Bi0.5Na0.5TiO3）陶瓷因具有良好的鐵電性和高的居里溫度被譽為最有希望替代鉛基陶瓷的

2、材料體系，但同時高的矯頑場使得其極化變得困難，因而壓電性能較差。另一方面，隨著科技發(fā)展的日新月異，器件朝著微型化和多功能化發(fā)展。近年來，稀土摻雜的鐵電-熒光多功能材料受到廣泛關注。本文將稀土離子引入Bi05Na05TiO3基材料中形成了0.94(Bi1-xDyx)0.5Na0.5TiO3-0.06BaTiO3、0.94(Bi1-xSmxNa)05TiO3-0.06BaTiO3、(Bi1-xTmx)0.5(Na0.85K0.15)0.5T

3、iO3陶瓷體系，重點研究了稀土摻雜對BNT基鈣鈦礦材料鐵電、壓電和熒光性能的影響。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)采用傳統(tǒng)固相法成功制備了0.94(Bi1-xDyx)0.5Na0.5TiO3-0.06BaTiO3(x=0，0.005，0.010，0.015，0.020，0.025和0.030)陶瓷樣品，系統(tǒng)研究了組分對陶瓷鐵電、壓電和熒光性能的影響。所有陶瓷樣品均為純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，且形成了三方相和四方相的準同型相界(MPB)。

4、部分Dy3+取代Bi3+顯著增強了材料的壓電性能。在x=0.025時，材料獲得最優(yōu)的壓電性能:d33=190pC/N，kP=37.2％。添加Dy3+之后誘導出了材料的熒光性能，在478 nm附近發(fā)藍光，575 nm附近發(fā)黃光，分別對應Dy3+的4F9/2→6H15/2和4F9/2→6H13/2的Dy3+躍遷。在x=0.025時，陶瓷的熒光性能最優(yōu)。研究結(jié)果顯示出，當Dy3+摻雜量為2.5 mol％時，能獲得了最佳的壓電性能，強的鐵電性能

5、和優(yōu)異的熒光性能。
　　(2)采用傳統(tǒng)固相法制備了0.94(Bi1-xSmxNa)05TiO3-0.06BaTiO3(x=0-0.05)無鉛壓電陶瓷，系統(tǒng)研究了材料的結(jié)構(gòu)、壓電、鐵電和熒光性能。所有的的陶瓷具有良好的致密性。陶瓷樣品均為純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，且為三方相和四方相共存。在少量摻雜Sm3+(x≤0.035)后，陶瓷壓電性能得到強化，d33由147 pC/N增加至172pC/N，然而，過量的Sm3+(x=0.035-0.05)則

6、會劣化其壓電性能，d33由172 pC/N逐步減少至18 pC/N。在406 nm激發(fā)波長下，陶瓷顯示出三個明顯的發(fā)射峰，分別位于563 nm(4G5/2→6H5/2)，597 nm(4G5/2→6H7/2)和645 nm(4G5/2→6H9/2)。在564 nm發(fā)射波長下，能得到Sm3+的5個激發(fā)峰位于407，420，464，440和479 nm處，分別對應Sm3+的6H5/2→4F7/2，6H5/2→(6P,4P)5/2，6H5/2

7、→4G9/2，6H5/2→4I11/2,13/2和6H5/2→4M15/2能級躍遷。其中，4G5/2→6H5/2和6H5/2→4F7/2對應的發(fā)射峰強度隨著x的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在x=0.035時，材料顯示出最優(yōu)的熒光性能。材料的平均衰減時間τav隨著x的增大由1.0869 ms減少至0.7850 ms。
　　(3)采用傳統(tǒng)固相法制備了(Bi1-xTmx)0.5(Na0.85K0.15)0.5TiO3無鉛壓電陶瓷，研究了

8、Tm3+摻雜量對其結(jié)構(gòu)、鐵電性、壓電性和上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能的影響。所有陶瓷均為純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，且Tm3+固溶進了Bi0.5(Na0.85K0.15)0.5TiO3的晶格中形成了均一均勻的固溶體，陶瓷存在三方-四方的準同型相界。Tm3+的摻雜使得陶瓷的粒徑發(fā)生明顯的變化，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當x逐漸增加至0.08時，陶瓷的矯頑場Ec從4.10 kV/mm逐漸減小至0.98 kV/mm，鐵電性能得到強化。在摻雜少量的Tm3+后，陶瓷的壓電性