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《浙江大学》 2010年
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A(Fe_(0.5)B_(0.5))O_3(A=Ba,Sr;B=Nb,Ta)陶瓷的巨介电效应及其调控

王卓  
【摘要】:本论文系统研究了A(Fe0.5Nb0.5)O3 (A=Ba, Sr; B=Nb, Ta)复合钙钛矿陶瓷的微结构、介电和磁学性能,揭示了其介电弛豫与巨介电效应的本质与结构根源,并探索了该类材料的结构调控与改性。 Ba(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷在150~400 K和400~550 K存在两个具有强烈频率色散的介电弛豫,而在二者之间呈现一个巨介电常数台阶(ε'~30,000)。两个介电弛豫均为符合Arrhenius定律的热激活过程。低温介电弛豫是一个本征的类德拜弛豫,起源于Fe2+和Fe3+离子之间电荷的跃迁;而高温介电弛豫可被氧气氛处理明显抑制,因而属于氧空位等缺陷诱导的非本征介电弛豫。巨介电常数台阶则是低温和高温两个介电弛豫相互竞争平衡的结果。Ba(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷在奈尔温度以下呈反铁磁有序并带有较弱的铁磁性,同时在室温也存在弱铁磁性。 Ba(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷具有同Ba(Fe0.5Nb0.5)O3相似的介电性能:存在低温和高温两个类德拜介电弛豫,它们均为热激活过程,而在二者之间存在巨介电常数台阶(ε'~20,000)。低温介电弛豫起源于与Fe2+/Fe3+混价结构相关的本征因素,而高温介电弛豫则归因于氧空位等缺陷结构,低温电滞回线呈线性表明Ba(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷并非弛豫铁电体。Ba(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷在低温下表现为带有弱铁磁性的反铁磁有序,同时在室温也存在弱铁磁性,其室温弱铁磁性起源于缺陷等非本征因素。 通过用非变价的Al3+离子部分置换Fe3+离子得到了Ba[(Fe0.9Al0.1)0.5Ta0.5]O3固溶体陶瓷。引入Al3+离子后影响了Ba(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷的Fe2+/Fe3+昆价结构,使巨介电常数台阶伸长约50 K,并且显著降低了室温介电损耗。同时,Al3+离子部分置换Fe3+离子减小了Ba(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷的磁化强度,使其室温弱铁磁性消失,分析表明氧空位等缺陷在Ba(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷室温弱铁磁性中发挥着重要的作用。 在Ba(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷中引入BaTiO3得到了Ba[(Fe0.5Nb0.5)1-xTix]O3 (x=0.2,0.4,0.6,0.8,0.85,0.9,0.95)固溶体陶瓷。随着x的增大,Ba[(Fe0.5Nb0.5)1-xTix]O3固溶体的结构由立方相转变为四方相。当0.2≤x≤0.8时,Ba[(Fe0.5Nb0.5)1-xTix]O3陶瓷表现出与Ba(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷相似的介电弛豫。当x=0.85,0.9和0.95时,Ba[(Fe0.5Nb0.5)1-xTix]O3陶瓷分别表现为弛豫铁电体、弥散铁电体以及正常铁电体,并且在其相变温度以下均测得了具有较大剩余极化强度的电滞回线。揭示了这类陶瓷从类德拜弛豫型电介质到弛豫铁电体、弥散铁电体以及正常铁电体的转变过程。 采用低损耗的SrTiO3对Sr(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷进行改性,得到了Sr[(Fe0.5Nb0.5)1-xTix]O3 (x=0,0.2,0.4,0.6,0.8)固溶体陶瓷。随x的增大Sr[(Fe0.5Nb0.5)1-xTix]O3陶瓷的结构由正交转变为立方相Sr[(Fe0.5Nb0.5)1-xTix]O3固溶体在低温和高温区均表现出具有强烈频率色散的介电弛豫,随着x的增大,这两个介电弛豫分别向低温和高温方向移动,从而在x=0.8时表现出良好的温度稳定性。1 kHz下Sr[(Fe0.5Nb0.5)1-xTix]O3陶瓷的室温介电常数随着引入SrTiO3的增加呈先减小后增大的趋势,而其室温下的介电损耗则单调降低。相比较Sr(Fe0.5Nb0.5)O3陶瓷,当x=0.8时Sr[(Fe0.5Nb0.5)1-xTix]O3陶瓷室温下的介电性能得到了较大改善:1 kHz下介电常数由2377增大至6815,介电损耗由0.37降低至0.16,并且极大地增强了介电常数温度稳定性。
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