KN與KLN陶瓷及其薄膜的制備、結(jié)構(gòu)調(diào)控與性能研究.pdf

1、作為一類無鉛無鉍的環(huán)境友好材料，鈮酸鉀(簡稱KN)和鈮酸鉀鋰(簡稱KLN)表現(xiàn)出優(yōu)異的非線性光學性能、電光性能、壓電性能和介電性能，具有重要的研究意義和應用價值。論文以KN、KLN陶瓷及其薄膜的制備、結(jié)構(gòu)調(diào)控與性能研究為目標，重點研究Li的摻入量對KN、KLN陶瓷的合成、燒結(jié)與介電性能的影響，并建立材料性能與其結(jié)構(gòu)間的相互關(guān)系。在此基礎上，以KN陶瓷和KLN陶瓷作為靶材，利用脈沖激光沉積技術(shù)制備KN和KLN薄膜，研究沉積工藝對薄膜的組分

2、、表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)的影響，并確定合理的沉積工藝和結(jié)構(gòu)控制方法。 論文首先以K2CO3和Nb2O5為原料，采用固相反應法，合成出單一物相的KN粉體，確定了適宜的合成條件為溫度800℃，保溫時間2h。研究了燒結(jié)方式對KN陶瓷燒結(jié)性能的影響，結(jié)果表明通過埋燒可以抑制K的揮發(fā)，在900-1025℃燒結(jié)溫度下得到了物相單一、致密度較高的KN陶瓷。適量Li(<7mol％)的摻入有效降低了KN粉體的合成溫度，提高了其燒結(jié)活性。而且，隨Li摻

3、入量的增加，KN陶瓷的介電常數(shù)降低，居里溫度升高，拓寬了其鐵電相的溫度使用范圍。 以K2CO3、Li2CO3和Nb2O5為原料，采用固相反應法在900℃合成出Li摻入量為30-40mol％、物相單一的KLN陶瓷粉體。進而，利用常壓燒結(jié)方法，在950-975℃的燒結(jié)溫度范圍內(nèi)，制備出單一物相、致密度在85-93％之間的KLN陶瓷。采用放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)，可有效提高KLN陶瓷的致密度，800℃燒結(jié)時致密度大于99％。而且與

4、常壓燒結(jié)方式相比，SPS燒結(jié)的KLN陶瓷的晶粒尺寸細小、均勻，其介電常數(shù)提高1倍左右，介電損耗有所降低，居里溫度更高(575℃)。 在此基礎上，以KN陶瓷為靶材，采用脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)在Si(100)襯底上進行KN薄膜的實驗沉積，重點研究了PLD工藝參數(shù)(襯底溫度、激光能量、襯底靶材間距、氧分壓)對KN薄膜的物相、成分和結(jié)晶度的影響。結(jié)果表明：隨襯底溫度的升高，KN薄膜的K/Nb比先增大后減小，在650℃時達到最高值且結(jié)

5、晶良好；隨激光能量的增加，KN薄膜的結(jié)晶度增加，但K/Nb比呈線性降低；隨襯底靶材間距的增大，KN薄膜的K/Nb比降低，結(jié)晶度下降；在20-50Pa的較高氧分壓下可以得到結(jié)晶良好、物相單一的KN薄膜，隨氧分壓的增加，薄膜中的K/Nb比先增大后減小，在20Pa時達到最高值0.98。適宜的KN薄膜制備工藝為：襯底溫度650℃，襯底靶材間距40mm，激光能量7.5mJ/pulse，氧分壓20Pa。 針對KN薄膜中的K缺失現(xiàn)象，對PLD

6、過程的“羽輝”傳播過程進行研究，解明了K的缺失機制，提出了KN薄膜成分的控制方法。由于K、Nb粒子質(zhì)量懸殊，二者在羽輝中傳播時出現(xiàn)了明顯的分離現(xiàn)象，即K粒子主要分布在羽輝的邊緣并以偏離羽輝軸線方向更大的角度傳播，同時大量K粒子發(fā)生背散射重新回到靶材表面，造成正對羽輝軸線的襯底上沉積的KN薄膜明顯缺K。采用襯底偏離羽輝軸線的方式可以有效提高薄膜的K/Nb比：當偏離角度3-12°時，制備出K/Nb比為0.98的KN薄膜；偏離角度14°時，制

7、備出了滿足化學計量比的KN薄膜。 最后，以KLN陶瓷為靶材，以石英玻璃為襯底，采用PLD技術(shù)在溫度650-800℃、氧分壓1-20Pa條件下得到了結(jié)晶良好、物相單一、(310)取向生長的KLN薄膜，并研究了襯底溫度、氧分壓和激光能量對薄膜物相、結(jié)晶程度、取向性和表面形貌的影響，確定了適宜的沉積條件為：襯底溫度700℃，氧分壓為10Pa。制備的KLN薄膜在可見光范圍內(nèi)具有較高的透過率(>90％@400-800nm)，且隨薄膜厚度的