ABi<,2>Nb<,2>O<,9>（A=Sr和Ca）铁电陶瓷的制备、结构与性能研究

• 作 者: 黄世明
• 机 构: 中国科学院上海硅酸盐研究所
• 出 处: 中国科学院上海硅酸盐研究所
• 发表日期: 2005年期
• 关键词: 铋层状结构材料 弛豫铁电体 电导率 介电常数 晶体结构

铋层状结构材料具有介电常数低、居里温度高、各向异性大以及抗疲劳性能好等特点，在高温压电以及非挥发性铁电存储器等领域具有广阔的应用前景。本论文旨在通过对铋层状材料进行掺杂改性研究，探求其结构和性能的内在关系，以便为制备良好性能的材料提供一些科学依据。
选取ABi2Nb2O9(A=Sr和Ca)为研究对象，借助X射线衍射、红外光谱以及拉曼光谱等测试技术，系统研究了类钙钛矿层中A、B位，尤其是Bi2O2层中Bi位掺杂取代改性对其结构和性能的影响，并对其机理进行了初步探讨。
首先，研究了不含孤对电子的离子在Bi2O2层中Bi位取代对SrBi2Nb2O9结构和性能的影响。结果表明，不含孤对电子的pr3+(或La3+)可以进入Bi2O2层中的Bi位，并诱导SrBi2Nb2O9从一个普通铁电体转变为一个弛豫型铁电体。这种弛豫行为可能是由于Bi2O2层中的Bi3+和pr3+(或La3+)的无序引起的。研究还发现，SrBi165La0.35Nb2O9是一种典型弛豫铁电体材料。利用Vogel-Fulcher公式拟合所得的实验结果，得到了物理上合理的激活能Ea以及指数前项值fo，这表明SrBi165La0.35Nb2O9的介电弛豫行为与自旋玻璃态类似。
其次，通过对类钙钛矿层中A位取代改性研究，发现对ABi2Nb2O9(A=Sr或Ca)来说，在较低的预合成温度下，合成的材料可能呈有序状态；在相对高的预合成温度下，由于部分A离子进入Bi2O2层中的Bi位，部分Bi3+进入类钙钛矿层中，从而导致合成的材料呈无序状态。
此外，本文还研究了掺杂取代对CaBi2Nb2O9陶瓷材料电导率的影响。结果显示，纯的CaBi2Nb2O9的电阻率在400℃大约为109Ω·cm，而且居里温度高达948℃(1MHz)，在高温压电领域具有潜在的应用价值。研究还表明，铋层状材料的电导率可能与氧离子空位在其晶体结构中所处的位置有着密切关系。