铌酸钾钠(KNN)无铅压电薄膜的制备及其改性研究

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铌酸钾钠(KNN)无铅压电薄膜凭借高居里温度,优良的压电性以及良好的生物相容性,可广泛地应用于驱动器、传感器及致动器等领域。本文采用溶胶凝胶法制备KNN薄膜,探究了热裂解温度和退火温度,离子(Li+,Mn2+)掺杂及引入缓冲层(Nb2O5,SiTiO3)对KNN薄膜结构和性能的影响。主要研究结果如下:热裂解温度过低,薄膜内有机物不完全分解,产生大量孔洞;热解温度过高导致碱金属离子挥发严重,薄膜氧空位增多。退火温度较低,晶粒不完全长大,薄膜结晶性差;退火温度过高,碱金属离子大量挥发。当热裂解温度为400℃,退火温度为600℃时,薄膜性能最优:在1k Hz下,εr为712,在200 kV/cm电场下,2Pr和2Ec分别为6.2μC/cm2、118.6 kV/cm。Li离子主要取代KNN薄膜的A位离子,可以细化晶粒,改善薄膜的结晶性,使薄膜更加致密均匀。当Li离子掺杂量为1.5 mol%时,薄膜结晶性好,电学性能最优:在1 k Hz,εr为449.7,在200 kV/cm电场下,2Pr和2Ec分别为10.3μC/cm2、107.2 kV/cm;Mn离子通过变价降低薄膜中载流子空穴浓度,从而提高薄膜的质量和性能。当Mn离子掺杂量为2 mol%时,KNLN薄膜具有最佳的性能:在1 kHz下,εr为875、tanδ为0.030;在200 kV/cm电场下,2Pr为22.5mC/cm2;2Ec为130 kV/cm。Nb2O5缓冲层起到良好的过渡作用,降低了薄膜和衬底的相互扩散,减少了晶格失配引起的界面缺陷。当Nb2O5缓冲层为2层时,KNN薄膜的性能最优:在1 k Hz下,εr为265,在108.5kV/cm电场下,2Pr为7.8mC/cm2;2Ec为75.8 kV/cm。SrTi O3缓冲层能降低薄膜和衬底间的晶格失配,抑制界面非铁电活性层的出现,改善薄膜的质量和性能。当SrTi O3缓冲层为2层时,KNN薄膜的性能最优:在1 k Hz下,εr为446,在200 kV/cm电场下,2Pr为10.8mC/cm2;2Ec为121 kV/cm。
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