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近年来,压电陶瓷和薄膜作为重要的功能材料发展极为迅速,已广泛应用于信号处理、军事通信、无损检测、超声和微波声学等诸多领域。随着科技的进步和电子元器件的发展,各领域对功能材料的形态、性能和易于集成化程度都提出了更高的要求。虽然,传统的铅基材料具有优异的性能,但铅是易挥发的有毒元素,为了人类的健康和可持续发展,开发性能优良、环境友好的无铅材料已经成为当今压电功能材料研究领域的主旋律。目前,以(Li, Na, K)(Ta, Nb)O3为代表的碱金属钽铌酸盐材料,以其优异的压电、铁电、热释电及光学性能,被认为是最有希望取代铅基材料走向实用化的无铅材料体系。因此,针对实用化进程中亟待解决的问题,系统研究碱金属钽铌酸盐陶瓷的掺杂助烧、改进多形相变附近温度稳定性、探讨性能变化的物理化学机制、摸索利于集成化的薄膜材料的制备及性能,有着一定的科学意义和实用价值。 本论文,首先以传统固相反应法制备了Fe2O3掺杂的K0.5Na0.5 Ta0.05Nb0.95O3(KNTN)无铅压电陶瓷。利用X射线衍射研究了陶瓷的结构,计算了陶瓷的晶格参数,分析了 KNTN陶瓷的晶格参数随掺杂浓度变化的规律,探讨了 Fe3+在KNTN晶格中的占位机制。采用扫描电子显微镜考察了陶瓷的微观结构,研究了Fe2O3掺杂对KNTN陶瓷晶粒大小、晶粒间结合力、微孔、致密度等烧结性能的影响。研究了陶瓷的介电和压电性能,分析了其变化规律,并探讨了适量掺杂浓度下性能提高的物理化学机制。 研究了(Na0.52K0.48-x) LixTa0.2Nb0.8O3(KNLTN)陶瓷在室温附近的多型相变(PPT)行为及性能。利用XRD测试、计算了陶瓷的晶格参数,并结合介温谱分析了KNLTN陶瓷的居里温度和正交-四方转变温度的变化规律。调节Li元素的比例,把KNLTN陶瓷的正交-四方相转变调节到了室温附近,通过晶格参数的变化规律,确定了陶瓷PPT区间落在室温的化学组分。研究了PPT附近的烧结、介电、压电性能及其变化规律,分析了四方-正交相共存对陶瓷性能的影响。 利用La掺杂对KNLTN陶瓷的PPT相变进行调控,对陶瓷性能的温度稳定性进行了改善。研究了 KNLTN陶瓷的结构、微观形貌和性能的变化规律,利用施主掺杂理论解释了适量La掺杂改进陶瓷压电性能的原因。采用介温谱、机电耦合系数以及陶瓷谐振频率的温度变化率,研究了陶瓷-50～80℃实用范围内的温度稳定性。结合 PPT相变区间展宽,变化梯度减缓等行为,讨论了Lax-KNLTN陶瓷温度稳定性改善的弥散相变机制,通过计算拟合,定量地给出了不同掺杂浓度时弥散相变程度的参数。 通过改善工艺制备了具有一定透明度的KNLTN-La0.01陶瓷,测试了陶瓷532 nm和632.8 nm的可见光透过率,利用椭偏仪研究陶瓷的色散性能,并通过XRD和SEM分析了陶瓷的性能特点。以KTN富钾陶瓷为靶材,采用脉冲激光沉积法(PLD)分别在Si(001)和Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上成功制备了纯钙钛矿相、无裂纹的KTa0.5Nb0.5O3(KTN50)陶瓷膜。利用XRD、SEM、SPM研究了薄膜的结构和微观形貌,探讨了生长气氛对KTN50/Si(001)质量的影响,计算得到 KTN50/Pt(111)/Ti/SiO2/Si膜的晶格参数和(100)晶向的择优取向因子。采用椭偏仪测试陶瓷膜380～900 nm波长范围内的色散曲线,拟合得到KTN50/Si(001)和KTN50/Pt(111)/Ti/SiO2/Si薄膜的折射率Cauchy方程,计算了陶瓷膜的色散参数。