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铌酸锶钡陶瓷中氧空位对离子电导率和弛豫现象的影响

汤卉;唐新桂;蒋艳平;刘秋香;李文华

【期刊名称】《《物理学报》》

【年(卷),期】2019(068)022

【总页数】8页(P372-379)

【关键词】铌酸锶钡;弥散相变;弛豫型铁电体;氧空位

【作者】汤卉;唐新桂;蒋艳平;刘秋香;李文华

【作者单位】广东工业大学物理与光电工程学院广州510006

【正文语种】中文

1引言

传统的铁电陶瓷有着优异的铁电性、介电性、压电性、光电效应和热电性能,从而

被广泛用于日用家电、航天航空、通讯等领域.传统铁电陶瓷中研究热门的钙钛矿

型材料以钛酸铅基和钛酸钡基陶瓷为代表,而钨青铜型结构的铁电材料以铌酸盐基

陶瓷为典型代表[1-8].考虑到铅及其铅的化合物会带来一些不利影响,而多数无铅铁

电体又存在居里温度高、电极化易疲劳等缺陷,目前迫切需要开发出具有优异性能

又属于环境友好型的材料来应用于各种电子器件.另外,弛豫铁电体因“弥散相变”

而具有较低的容温变化率,另外弛豫铁电体还具有大的电致伸缩系数,被认为是陶瓷

电容器在技术和经济上重要的候选材料.铌酸锶钡是钨青铜结构的弛豫型铁电体,其

微观晶体结构比钙钛矿复杂,并且,铌酸锶钡属于非填满型钨青铜结构材料,其居里温

度可以通过改变其组分比例来调节,因此这一材料也受到了各界的广泛关注[9-11].

据报道,陶瓷中锶(Sr)浓度的增加可以引起弛豫行为,并提高介电常数和铁电性能

[12,13].但目前尚不清楚铌酸锶钡中的Sr离子对其弛豫行为和性质的影响.在这项

工作中,我们采用了修正的居里-外斯定律对介电常数进行拟合来分析铌酸锶钡的弛

豫行为.此前,对铌酸钡基弛豫铁电体的研究大多关注在低温介电常数,而实际上,相应

的电子器件在汽车,航空航天,能量存储应用等相关的工业应用时的工作温度都是高

温环境,高温介电常数的研究具有重要意义.本研究的重点是在高温范围内也对介电

常数和介电损耗tanδ进行了系统分析.最后,通过阿伦尼乌斯(Arrhenius)定律计算

了电导率的活化能,进一步分析了氧空位(OVs)与高温介电弛豫行为之间的关系.

2实验

2.1样品的制备

SrxBa1—xNb2O6陶瓷(缩写为SBN,x=0.4,0.5和0.6分别缩写为

SBN40,SBN50和SBN60)是通过固相反应法制备而成.采用SrCO3,BaCO3和

Nb2O5的分析纯级粉末作为原料,将上述粉末配比称量后放置到高密度聚乙烯瓶中,

再加入适量氧化锆球作为研磨球,适量乙醇作为其研磨介质,封瓶后用行星式球磨机

球磨24h.球磨好后,将混合湿料放置马弗炉中干燥,再将干燥的混合物在1473K环

境中预烧5h.然后再次球磨和干燥,再将二次干燥好的原料研磨过筛,加入5

wt%PVA作为粘合剂造粒.最后,把粉体干压成直径为10mm厚度为1—2mm的

圆柱体,成型的小圆片在1623K温度下烧结2h制成初步的陶瓷样品.

2.2性能测试

为了测量陶瓷的各项电学性能,将初步得到的陶瓷样品打磨成了厚度为0.60mm的

且外表面光滑小圆片,再在圆片的上下底面用旋涂法镀银电极并退火处理.1—500

kHz频率范围的介电常数εr、介电损耗tanδ和阻抗均使用AgilentE4980A仪

器进行变温测量,测量时的升温速度为2K/min,测量的温度范围为293—923K.

3结果与讨论

3.1介温特性

图1显示了在不同频率(1—500kHz)下,SBN陶瓷样品的介电常数εr和介电损耗

tanδ对温度的依赖性.可以看出,SBN陶瓷的εr先是随着温度的升高而逐渐增大,当

温度达到铁电-顺电相变温度(即介电常数最大时的温度Tm)后,εr随着温度升高而

降低[14].此外,随着频率的增加,Tm向温度稍高的方向移动.另一方面,随着Sr/Ba比

例增加,最大介电常数εm(即相变温度时的介电常数值)明显增加,与此同时,Tm明显

减小.介电常数在变温下的宽峰与铁电四方相到顺电立方相转变相关.随着频率的增

加,介电宽峰的位置向更高的温度移动,这是弛豫行为的典型特征[15-17].值得一提

的是,钨青铜氧化物除铁电相变外,存在氧八面体倾转造成的调制结构的无公度/公度

转变,这两个温度的相互关系决定了其铁电相变特征.