钛酸铅基铁电陶瓷的高温介电弛豫与储能特性

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钛酸铅(PbTiO3)属于钙钛矿型铁电体,其居里温度为490℃,高于居里温度的顺电相空间点群为Pm3m,而低于居里温度的铁电相空间点群为P4mm。室温时,钛酸铅的晶胞参数为:α= 3.902 A、c= 4.156 A, α=β=γ=90°四方畸变度c/a约1.06,自发极化可达57μC/cm2。一般而言,通过掺杂或与其他结构的物质形成固溶体,可得到性能比纯的钛酸铅更加优异的材料。本文首先对钛酸锶铅陶瓷SPT)的高温介电弛豫、介电调谐和铁电性进行了详细的研究。随铅含量增加SPT陶瓷逐渐转变为四方相结构,且居里温度逐渐增加。SPT陶瓷在高温有介电弛豫现象,且其活化能约为1 eV,这是一个跟氧空位有关的介电弛豫现象。SPT的介电调谐特性表明,SPT是可被用于介电调谐器件的候选材料之一。SPT的电滞回线显示出铁电钉扎效应,这是一个与氧空位有关的效应,该效应可通过增加电场强度、降低测试频率、提高温度或氧气中退火处理来减弱。根据点缺陷的对称一致性原理提出了一个模型用于解释SPT的钉扎效应,而去钉扎效应可用畴壁的移动速度表达式来解释。其次,研究了不同镧含量的钛酸铅基陶瓷[(pb1-xLaxTi1-xO3, PLT]的高温介电弛豫特性及铁电储能特性。结果表明,PLT陶瓷的高温介电弛豫特性跟氧空位有关。随着镧含量的增加,陶瓷的居里温度降低,室温铁电性也减弱,但储能特性越来越好,其中镧掺杂量为0.32的样品储能密度可达0.182 J/cm2,能量效率可达90%。由此说明,PLT陶瓷可用于铁电储能。此外,PLT20的热释电系数可达300μC/m2K以上对于镧和镉同时掺杂的钛酸铅基陶瓷(Pb0.85Cd0.05La0.10)Ti0.975O3 (PCdLT),首先通过溶胶凝胶法合成其粉体,然后通过高温固相法合成陶瓷。PCdLT在高温表现出弥散介电异常和负温度系数电阻行为。其弥散介电异常是介电极化与电导竞争所致,这也是一个跟氧空位有关的现象。负温度系数电阻行为跟La3+替代pb2+有关。通过Arrhenius公式拟合可知,PCdLT在高温存在两个不同个极化机制。PCdLT优异的热电性能,表明其可用于热电器件。最后,详细研究了LaNiO3 (LNO)和LaNi0.5Mn0.5O3 (LNM)缓冲层对双钙钛矿薄膜BiNi0.5Mn0.5O3 (BNM)的结构与电性能影响。XR.D结果表明BNM/LNM和BNM/LNO薄膜为P63cm空间群,在室温都显示铁电性。对于 Au/BNM/LNM/Pt来说,其漏电流密度与电场的曲线是不对称的。在正电场下,薄膜的导电机理为欧姆电导机制,而负电场下,低电场时薄膜的导电机理为欧姆机制,中等电场时为TFL机制,高电场时为晶界限制电导机制。Au/BNM/LNO/Pt在正电场和负电场下的漏电流曲线是对称的,其电导机制跟Au/BNM/LNM/Pt在负电场下的电导机制类似。
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