2014415164635开题报告模板.doc-天津师范大学-物理与材料科学学院.doc

分类编号： 单位代码： 10065 密 级： 学 号 研究生学位论文 开题报告 论文题目：钛酸钡基铁电陶瓷与薄膜的制备、微结构及性能的研究 学 生 姓 名： 杨仁波 申请学位级别： 硕 士 申请专业名称： 凝聚态物理 研 究 方 向： 纳米功能材料 指导教师姓名： 邓湘云 专业技术职称： 教 授 提交论文日期： 锆钛酸钡钙铁电陶瓷与薄膜的制备、微结构及其电学性能的研究 一、研究背景 人类社会的发展过程就是其所用材料和工具不断进步的过程。21世纪，人类进人信息社会，材料作为世界公认的新技术革命的三大支柱产业之一，在工业生产和人类生活中扮演着越来越重要的角色。由于材料学本身研究范围极广，近些年来被分成许多相互联系又差别很大的分支，独立而重要的分支[1] 。近半个世纪以来，随着科学技术的发展，技术取得了突飞猛进的发展，无论是理论研究还是实际应用都取得了丰硕的成果，的重要研究方向。 1．1.1 铁电材料的概念 铁电材料是一种特殊的电介质材料[2]。按照晶体的对称性，可以将电介质材料分为32点群，在这32点群中，不具有对称中心的有21种，其中有20种呈现出压电效应。压电效应是指不存在对称中心的异极晶体，受外力作用发生机械应变时在晶体中诱发出介电极化或电场的现象(称为正压电效应)，或者在这种晶体加上电场使晶体极化，而同时出现应变或应力的现象(称为逆压电效应) [3]。[5]。铁电体的自发极化在微观上分为各个小区域，每个小区域内电偶极子的方向相同，但不同小区域内电偶极子的方向有所差别，这样的小区域称为电畴。铁电体的微观结构在宏观上有各种体现，电滞回线是铁电体的重要特征之一，即电极化矢量随电场的变化而变化，当电场由弱变强时，极化强度随电场的增大而迅速变大，电畴的移动变为不可逆，以至于撤去电场后，晶体仍然保持着宏观的极化状态[6]。 图1 铁电材料的电滞回线 其中，Ps为自发极化强度、Pr为剩余极化强度，Ec为矫顽场，这些都是铁电材料重要的电学参数。 晶体的铁电性通常只存在一定的温度范围内，当温度高于某一确定温度时，就会发生铁电相到顺电相的转变，自发极化消失，铁电相到顺电相之间的转变温度称为称为居里温度或居里点（Tc），在居里点附近，介电常数极大的增大，出现异常现象。在顺电相，介电常数遵从居里外斯定律： T＞其中，ε[7, 8, 9]。 1＜γ＜2 (2) 其中，Tm为介电常数最大值对应的温度，εm为最大介电常数，γ为弥散指数，其值越大，表明弥散相变越明显。C*为类居里外斯常数。 1.2 钛酸钡系铁电陶瓷与薄膜的研究历史与现状 钛酸钡是继罗息盐和磷酸二氢钾之后发现的又一种优良的铁电体，也是最早发现的具有钙钛矿结构的铁电体。其结构为ABO3型，在室温时为四方铁电相，空间群Pm3m。当温度高于120℃时，发生铁电-顺电相变，转化为立方顺电相。空间群为P4mm，自发极化沿四重轴。在5℃发生铁电－铁电相变，空间群变为Amm2，自发极化沿二重轴。在-90℃发生另一铁电－铁电相变，空间群成为R3m，自发极化沿三重轴。在四方相、正交相和三角相中，自发极化的主要来源分别是Ti离子偏离中心沿四重轴、二重轴和三重轴的位移。在立方相中，Ti离子位于氧八面体中心，整个晶体无自发极化，是顺电相。各个铁电相都可认为是顺电相演变而来的，故常称顺电相为原型相。BaTiO3室温时晶胞参量为a=0.3992 nm，c=0.4036 nm。 钛酸钡系铁电材料如钛酸锶钡、锆钛酸钡等是目前世界范围内主流的铁电材料。它们具有优良的铁电、压电、热释电、电光以及非线性光学等特性。可广泛应用与微电子器件如薄膜电容、不挥发记忆原件、动态随机存储原件等。 研究发现，钛酸钡系铁电陶瓷与薄膜不仅具有优良的铁电性能，还具有优异的压电性能。是目前已知的钙钛矿型无铅压电陶瓷中性能较为突出的一种。但是其压电性能仍然不及传统的PZT型含铅压电陶瓷[10,11]。研究发现，通过替代与掺杂如掺入Ca2+，Fe3+，La2+，Al2O3，MgO等能够大大提高其压电性能