(K_(0.5)Na_(0.5))Nb_(1-x)Ta_(x)O_(3)铁电性的第一性原理研究

随着铅基陶瓷的大量使用,造成了严重的环境和健康问题,为了能够找寻替代铅基陶瓷的材料,人们开始了对无铅陶瓷材料的探索.(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_(3)材料由于其优异的铁电压电性能,成为了无铅陶瓷材料的代表,但是碱性组分在高温下的高挥发性使其应用范围受到了极大的限制.基于这样的考虑,本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,探究了(K_(0.5)Na_(0.5))Nb_(1-x)TaxO_(3)(x=0.125,0.25,0.375,0.5,0.625,0.75,0.875,1)九种体系的铁电性能,结果表明:随着Ta浓度的增加,晶格常数发生了突变,由此猜测KNN材料随着Ta浓度的增加,发生了正交-单斜的相变;Ta的掺入能够降低KNN材料的烧结难度,且随着Ta浓度的增加,形成难度逐渐降低;掺杂体系中,Ta-4f轨道与Na-3p,K-4p以及O-2s轨道电子发生了杂化,使导带底Nb-4d与Na-3p电子的态密度峰向高能区移动,禁带宽度呈现增加的趋势;在分析KNN材料铁电性作用机理时发现KNN的铁电极化类型是离子位移型极化,且在[001]方向上不具有极化能力.分析掺杂后各个体系的极化强度,发现随着Ta浓度的增加,极化强度逐渐降低,但是在低浓度掺杂时极化有向上增加的趋势,这可能是体系在低浓存在着正交与单斜的准同型相界(Morphotropic phase boundary,MPB)导致的,由此可以判断,低浓度掺杂有利于提高KNN材料的铁电性能.

自支撑BaTiO_(3)薄膜的制备与铁电性研究

BaTiO_(3)(BTO)铁电氧化物薄膜因其在非易失信息存储、智能传感、生物医疗、纳米发电机等领域潜在的应用而受到了人们的广泛关注。目前,为了保证BTO薄膜能高质量外延生长,通常选择晶格匹配的氧化物做衬底,所生长的薄膜与衬底之间存在较强的化学键,很难将其从衬底上大面积地剥离下来,所以也无法实现下一步转移到可用于高密度器件集成的的Si基衬底上。文章使用水溶Sr_(3)Al_(2)O_(6)(SAO)为牺牲层的方法,将生长在Nb-SrTiO_(3)(Nb-STO)衬底上的BTO外延薄膜可以大面积、无褶皱地转移到Si基衬底上。并且,转移后的自支撑薄膜仍然保持了完美的结晶度和室温铁电性。此结论对自支撑氧化物薄膜在高密度铁电器件的集成方面奠定了一定的基础。

掺杂氧化铪基薄膜铁电性能的研究进展

铁电薄膜的研究多集中于钙钛矿结构材料,然而,这些传统的铁电材料存在与硅Si兼容性差、含铅而污染环境、物理厚度大、电阻低、带隙小等问题。不同的掺杂剂,如Si、Zr、Al、Y、Gd、Sr和La可以在HfO_(2)薄膜中诱导铁电或反铁电性,使其剩余极化率达到45µC·cm-2,矫顽力(1~2 MV·cm^(-1))比传统铁电薄膜大约1个数量级。同时,HfO_(2)薄膜厚度可以非常薄(低于10 nm),并具有很大的带隙(约5 eV)。这些优于传统铁电材料的特质可以克服包括铁电场效应晶体管和三维电容传统铁电材料等在薄膜存储器应用中的障碍。除此之外,反铁电薄膜的热电耦合性将有望用于能量收集、存储、固态冷却和红外传感器等多种应用中。HfO_(2)掺杂薄膜可以通过不同的沉积技术如ALD、溅射和CSD来制备,其中ALD技术沉积的薄膜优势更加明显。本文综述了近年来掺杂HfO_(2)薄膜材料铁电性和反铁电性的研究进展,详细介绍了不同掺杂元素、薄膜厚度、晶粒尺寸、电极、退火及应力等对薄膜铁电性的影响。

Ge掺杂增强Ruddlesden-Popper结构准二维Sr_(3)Sn_(2)O_(7)陶瓷杂化非本征铁电性的物理机制

准二维的杂化非本征铁电体在实现强磁电耦合的单相室温多铁性方面具有很大的潜力,然而此类陶瓷样品通常有着较高的矫顽场和较低的剩余极化强度,严重阻碍了对其的研究和应用.本文成功制备了质量高且单相性较好的具有准二维结构的双层R-P(Ruddlesden-Popper)型氧化物Sr_(3)Sn_(2–x)Ge_(x)O_(7)陶瓷样品,观察到了较高的剩余极化和与Sr_(3)Sn_(2)O_(7)单晶接近的矫顽场.微量Ge元素对B位Sn掺杂后极化强度显著增强,同时进一步降低了Sr_(3)Sn_(2)O_(7)样品的矫顽场.结合晶格动力学研究,对样品的拉曼和红外光谱进行标定,得出掺杂样品铁电性能的增强可能源于氧八面体倾侧幅度的增大和旋转幅度减小.Berry相位法和玻恩有效电荷模型进一步证实了铁电性能的增强.通过紫外可见光光度计测试得到Sr_(3)Sn_(2)O_(7)样品的光学带隙为3.91 eV,采用Becke-Johnson势结合局部密度近似(MBJ-LDA)所计算的结果与实验基本一致.总之,这项研究为此类杂化非本征铁电体的制备及铁电性能的调控提供了参考,有望促进铁电陶瓷在各种电容器和非易失性存储器件中的广泛应用.

退火对PI/TiO_(2)/Pt/P(VDF-TrFE)/Pt柔性复合膜的铁电性的影响

本文采用溶胶凝胶法制备了PI/TiO_(2)/Pt/P(VDF-TrFE)/Pt柔性复合膜,研究了退火温度对复合膜中β相含量的影响。SEM电镜扫描结果显示,复合膜为截面清晰、结构致密性好、透光性强的二维结构。XRD衍射结果显示,在一定范围内,提高退火温度有助于α晶群转变为β晶群,130℃下β相含量达到最高,超过阈值温度后,结晶过程受到破坏,β相晶群含量明显下降。铁电测试结果显示130℃下,剩余极化强度最高为8.76μC·cm-2;温度继续升高会使铁电极化强度有明显下降,这可能与温度过高导致缺陷增多有关。

铁电性液晶高分子的研究进展

铁电性液晶高分子的性能和合成方法 ,一直是国内外广泛关注与研究的热点。本文概述了铁电性液晶高分子的铁电性、光电效应、非线性光学性质、相转变及其合成的研究进展 。

PbTiO_3纳米晶电子结构及铁电性理论研究

采用密度泛函方法 ,以镶嵌势能的团簇模型对 Pb Ti O3纳米晶电子结构进行了量子化学计算研究 ,得到簇模型中键长、键级及净电荷之间的变化规律 .布居分析和态密度计算结果表明 ,O原子的 2 p轨道、Ti原子的 3d轨道、Pb原子的 6s轨道和 6p轨道之间的相互作用是四方相 Pb Ti O3纳米晶体出现铁电性的重要原因 ,并计算得到不同晶粒 Pb Ti

高压烧结纳米钛酸钡陶瓷的结构和铁电性

在压力为6GPa和温度为1000℃的条件下烧结得到了钛酸钡(BaTiO3)陶瓷,其晶体的平均尺寸约为30nm,相对密度大于96%。在–190～200℃,用Raman光谱确定晶体的结构,用介电转变峰表征晶体的铁电性。结果表明:随温度升高,在30nm BaTiO3陶瓷中,发生从三方相→正交相→四方相→三方相的连续相变;在室温,晶体的正交相和四方相共存。当频率为1kHz时,在120℃附近有1个宽的介电转变峰,介电常数为1920。铁电性分析表明:高压烧结得到的BaTiO3陶瓷的铁电性消失的临界尺寸小于30nm。

Bi1-xLaxFeO3±δ薄膜的快速制备及铁电性

样品的制备是对影响样品质量的各个工艺参数进行优化的过程.传统的试错法是对各个参数逐个进行尝试,需要的周期较长.与传统的单参数尝试法相比,高通量样品制备方法可以对参数实现并行筛选,因而极大地缩短了优化工艺所需的时间.本工作借助高通量制备方法成功实现系列镧掺杂BiFeO_3薄膜的快速优化,包括对烧结温度、镧元素含量和高温固态反应气氛等关键工艺参数的快速筛选,同时分析了不同生长条件下样品的结构并测试了其铁电性.实验结果表明:1)560℃烧结可得到单相薄膜;2)测量不同La含量样品的铁电性,发现当E=75 kV/cm时,La=15%的样品剩余极化值(2Pr)最大,约为26.7μC/cm^2;3)在纯氧气氛下烧结有助于得到结晶性更好的单相Bi_(0.75)La_(0.25)FeO_(3±δ)薄膜,并且能够提高薄膜的铁电性.

不同电极对外延BiFeO_3薄膜铁电性能的影响

采用磁控溅射的方法在SrRuO3/SrTiO3(001)衬底上外延生长BiFeO3薄膜,研究以不同金属或氧化物做顶电极时的铁电、铁磁性质和漏电流及其导电机制。X射线衍射图谱和Φ扫描图结果显示BiFeO3薄膜沿c轴外延生长,以Pt、Al做顶电极的薄膜剩余极化强度2Pr为68μC/cm2,生长Pt/SRO、FePt顶电极的薄膜剩余极化强度较小,2Pr为44μC/cm2,矫顽场2Ec约为370±20 kV/cm。薄膜的漏电流密度较小而且趋于饱和,在U=12 V时最大为1.94×10-3A/cm2,体传导普尔弗兰克导电为BiFeO3薄膜主要的导电机制。BFO薄膜展现出弱磁性,饱和磁化强度为9.3 emu/cm3,矫顽场为338 Oe。

温度和电场对纳米晶钛酸钡陶瓷铁电性的影响

100nm是介于微米晶和纳米晶之间的重要临界尺寸,研究了平均晶粒尺寸为100nm的钛酸钡(BTO)陶瓷的微结构和铁电性能,分析了测试温度和外加电场对纳米晶钛酸钡陶瓷铁电性的影响。与超细纳米晶BTO陶瓷不同的是,100nm BTO陶瓷主要以四方相形式存在的;介电温谱显示,正交到四方相的相变具有典型的弥散特征,低温时介电损耗<0.02。此外,铁电性能测试表明,100nm BTO陶瓷具有良好的铁电滞后特征,随着电场的增加,能量损耗密度、剩余极化强度和矫顽场均增加;随着温度的升高,陶瓷的铁电性在逐渐减弱,高于居里温度时由铁电相转为顺电相,铁电性消失。实验结果表明,100nm BTO陶瓷的铁电性与测试温度和外加电场有着密切的关系。

反铁电性液晶化合物研究现状

综述了反铁电性液晶近年来的研究现状 ,讨论了反铁电性液晶结构中各部分对液晶相变行为和电光性能的影响 。

Ba_(0.6)Sr_(0.4)TiO_3薄膜的微结构及铁电性能研究

采用射频磁控溅射法制备了Ba_(0.6)Sr_(0.4)TiO_3(简称BST)薄膜材料,研究了BST薄膜的组成、晶体结构、表面形貌及介电性能。介电偏压特性曲线和电滞回线都表明其具有铁电性,厚度为500nm、晶粒尺寸为30nm的BST薄膜,介电系数电压变化率(介电调谐率)为29.4%,矫顽场强(EC)约为12.1kV/cm,并讨论了介电偏压特性曲线和电滞回线之间的联系,解释了电滞回线不对称的原因。

PbTiO_3价电子结构和铁电性的经验电子理论计算

应用固体与分子经验电子理论(EET)计算了铁电材料PbTiO3的价电子结构,根据得到的价电子结构,提出计算原子有效价电子数的近似公式和计算自发极化强度的方法,并计算了PbTiO3在铁电相的自发极化,计算结果与实验数据进行了对比分析,指出该经验理论用于研究铁电现象的可行性和有效性.

半花菁染料LB膜的铁电性与厚度关系

报道了半花菁染料LB膜铁电性与膜厚度的依赖性.根据所测得的电滞回线发现,矫顽电场(Ec)随薄膜厚度(以薄膜的层数N表示)的增加而减少,在薄膜厚度为30～200nm的范围内,它们之间的关系可用幂指数公式表示为Ec∝N-4/3,这种关系与其它传统的无机铁电材料完全相同.通过样品介电和铁电性能的测量,以存贮元件的物理参量-优值(Ps/εrEC)作为参比标准,可得铁电半花菁染料LB膜的最佳厚度为60nm,且其优值的数值与偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VdF-TrFE)(n:n=70:30)的优值数值处在同一数量级上.

聚偏氟乙烯电极化的动力学相变和铁电性

对聚偏氟乙烯进行高温电极化处理以改善半晶聚合物的铁电性,研究了其铁电极化值随着极化电场的连续非线性变化,实现了结晶相中非铁电相向铁电相的转变.用动力学平衡方法模拟了聚偏氟乙烯样品的电场极化相变过程,结果表明:聚偏氟乙烯中结晶区域的有效极化电场约为50 MV/m,与铁电聚合物的矫顽电场吻合;非晶无定型区域的等效电场与实验的相变开启电场接近,并得到了理论与实验符合较好的结果,从而证明动力学平衡方法模拟聚偏氟乙烯铁电相变的可行性.

铁电性SBT和铁磁性NiCuZn铁氧体复合材料的制备

采用固相法成功制备了铁电性SBT和铁磁性NiCuZn铁氧体的复合材料。借助于TMA,XRD和SEM技术,对复合材料的共烧特性、物相组成以及显微结构进行了研究。共烧特性研究表明,SBT和NiCuZn铁氧体的烧成收缩和烧成收缩率存在差异。物相分析表明,复合体系均由NiCuZn铁氧体和SBT两相所组成。显微结构表明,复合材料具有较高的密度和良好的显微结构。NiCuZn铁氧体的平均晶粒尺寸比SBT要大。

电场对(Ba0.90Ca0.10)TiO3陶瓷铁电性的影响

采用溶胶-凝胶方法制备了(Ba0.90Ca0.10)TiO3陶瓷,在电场1.5～20kV/cm下,在频率为0.01～10Hz范围内,对其电滞回线进行了分析。实验结果表明(Ba0.90Ca0.10)TiO3陶瓷的电滞回线随电场值和频率的变化明显,在低电场下,随着频率的增加矫顽场(Ec)单调减小,在低频下剩余极化(Pr)增加;而在高电场下,随着频率的增加Ec单调增大,电滞回线达到饱和时,电滞回线随不同测试频率无明显变化。

晶体中负离子配位多面体结晶方位、形变与晶体压电、铁电性

本文研究了压电、铁电晶体中负离子配位多面体的结晶方位与形变,提出了压电晶体中同一种负离子配位多面体的结晶方位是一致的。在铁电晶体中,负离子配位多面体发生形变,伴随着晶体发生顺电-铁电相变,并从这一基本过程出发,对铁电体相变的形成机理进行了讨论。

聚偏氟乙烯共聚物薄膜铁电性能和电容特性研究

制备了以聚苯乙烯磺酸(PSSH)为上下界面层的聚(偏氟乙烯)(PVDF)二元共聚物聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)[P(VDF-TrFE)]及聚(偏氟乙烯-氯氟乙烯)[P(VDF-CTFE)]的三明治结构电容器,研究了P(VDF-TrFE)和P(VDF-CTFE)2两种共聚物薄膜的铁电性能和电容特性。结果表明,厚度为60nm的Ti/PSSH/P(VDF-TrFE)/PSSH/Ti超薄薄膜表现出优异的铁电性能;而厚度为100nm的Ti/PSSH/P(VDF-CTFE)/PSSH/Ti薄膜表现出较好的电容特性,存储能量密度高达60J/cm3。研究结果为其在电子器件上的应用提供理论指导。