(1-x-y)BiFeO3-xPbFe0.5Nb0.5O3-yPbTiO3陶瓷的晶體和晶粒結構、介電和壓電性能

研究背景

具有共存電、磁或彈性有序性的多鐵性材料因其廣泛的可能應用，包括交變和磁場傳感器、存儲元件和自旋電子器件的生產，目前是材料科學中研究深入的對象之一。鈮鐵酸鉛是一種眾所周知的多鐵體，具有鈣鈦礦型結構，具有一般的化學式，在T_C~370 K時從順電（PE）到鐵電（FE）相的擴散相變。FE和反鐵磁（AFM）有序僅在TN~120-150 K以下共存，其中TN是Neel溫度。鉍鐵氧體BiFeO₃（BF）也是多鐵性的，具有T_C~1103 K、TN~643 K和在[110]方向具有非公度擺線磁序的G型反鐵磁性。這兩種材料目前被認為是許多磁電結構的基礎。然而，它們廣泛使用受到幾個因素的限制。對于鉍鐵氧體而言，在單相狀態(tài)下獲得BF和鐵電疇重新定向所需的極高矯頑電場（EC）是很困難的。此外，PFN和BF的特點是，由于其結構中存在變價離子（Fe²⁺/Fe³⁺）和氧空位，電導率增加。然而，基于BF或PFN的改性或固溶體的產生使得穩(wěn)定結構和改善所獲得陶瓷的特性成為可能。長期以來，二進制系統(tǒng)基于多鐵性一直是人們積極研究的課題，（1-x）BiFeO₃-xPbTiO₃體系受到了廣泛關注。鈦酸鉛PbTiO₃（PT）的引入穩(wěn)定了鈣鈦礦相，并在x~0附近形成了一個晶型相界（MPB）。在該區(qū)域，（1-x）BFxPT系統(tǒng)顯示出相當高的壓電特性，但同時保持較高的導電性。在這方面，近年來，通過創(chuàng)建基于BF和PT的三元系固溶體來獲得新的多鐵性材料受到了相當大的關注。有希望的體系之一是（1-x-y）BF-xPFNyPT三元體系，根據(jù)文獻數(shù)據(jù)和我們的初步研究，其中存在具有共存的菱形（Rh）和四方（T）相的MPB。眾所周知，具有MPB的材料可以表現(xiàn)出極端的性能，并改善所研究陶瓷的電生理特性。之前發(fā)現(xiàn)在具有高PFN濃度（成分0.25BF-0.63PFN-0.12PT）的相圖區(qū)域，該系統(tǒng)的樣品表現(xiàn)出相對較高的壓電活性（高達350 pC/N），并在相對較低的矯頑場下表現(xiàn)出較高的剩余極化值。在這方面，重要的是建立三元系（1-x-y）BF-xPFN-yPT樣品在高PFN含量相圖區(qū)域的結構、微觀結構、介電和壓電特性的形成規(guī)律。

摘要亮點

準二元濃度段陶瓷(x=0.50, 0.1≤y≤0.2, Δy=0.025) 三元固溶體體系(1-x-y)BiFeO₃-xPbFe_0.5Nb_0.5O₃-yPbTiO₃是采用常規(guī)固相反應法制備的。利用x射線衍射技術，構建了該體系的相圖，其中包括立方對稱區(qū)和四方對稱區(qū)，以及它們之間的晶型相界。研究了所選固溶體的晶粒形貌、介電和壓電性能。獲得了高壓電系數(shù)d₃₃=260pc/N。陶瓷的介電特性揭示了鐵電弛豫行為，即在350?500K的溫度范圍內，從順電相到鐵電相的擴散相變區(qū)域。