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《西北工业大学》 2017年
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铋层状铁电材料的成分调控与工艺改性研究

赵玉伟  
【摘要】:铋层状结构氧化物是一类非常重要的铁电材料。由于其特殊的结构使得它们在许多方面有突出的特点,如较高的居里温度、大的自发极化、极化对温度的稳定性、高的耐电压性、低的介电损耗、优异的抗疲劳特性等,因此该体系非常适合于非易失性随机存取存储器和高温传感器方面的应用。然而由于受到其层状结构等的限制以及大的矫顽场,内部电畴转向困难,造成该家族铁电压电性能较差。同时,该体系光催化行为与材料微结构之间的联系等问题仍然值得进一步深入挖掘。通过采用(B_(1/3)Nb_(2/3))(B=Mg,Zn,Cu)等价取代易挥发的B位Bi~(3+)离子来减少氧空位的数量同时提高Bi_4Ti_3O_(12)基陶瓷的铁电性能,并对它们的电性能与传导机制进行了研究。通过(Mg_(1/3)/Nb_(2/3))掺杂,由电动模量谱得到的与电弛豫相关的活化能为0.71 eV,电导率急剧下降,这是由于增强的结构畸变和降低的氧空位浓度导致的。(Mg_(1/3)/Nb_(2/3))取代的样品居里点可以达到686°C和场致应变为0.061%,同时具有更高的剩余极化强度12.9μC/cm~2,可以作为一种很有前途的高温无铅压电应用材料。通过静电纺丝和煅烧方法制备了直径约400 nm的Aurivillius Bi_5Ti_3FeO_(15)(BTF)多铁纳米纤维(NFs)。BTF NFs具有高效的微观压电系数35 pm/V和优异的微观铁电性能。首次通过非烧结和冷压方式详细研究了其宏观铁电、磁电耦合行为,由于填充空气的不利影响该样品的前述性能要比BTF陶瓷或薄膜小很多。14 mVcm~(-1)Oe~(-1)的磁电电压系数可以实现。室温下弱铁磁性也可以实现。虽然烧结温度仅为600°C,我们成功获得了多铁BTF NFs,它为设计和应用有前景的无铅多铁材料作为新型器件提供了新的见解。制备了Bi_(5-x)La_xTi_3FeO_(15)(x=0,1)纳米纤维(NFs)羊毛角蛋白基生物相容性压电NGs。通过Rietveld方法得到的Bi_4LaTi_3FeO_(15)(BLTF)的精细结构被证实为四层Aurivillius氧化物并具有斜方晶系空间群A21am。羊毛角蛋白是利用先氧化后还原的反应过程提取出来的。通过对小鼠前成骨细胞MC3T3-E1检测BLTF NFs具有生物相容性。BLTF NFs NG可以产生0.14 V的输出电压和41 nA的输出电流(电流密度为20.5 nA cm~(-2)),具有优异的可再生发电性能。BLTF NFs NG突出的发电部分源于La~(3+)离子A位取代,降低了钙钛矿层氧空位数。再者,羊毛角蛋白基中压电NFs作为优异的填料具有足够的连通性、更大的系统结晶度和杨氏模量有助于增强压电发电性能。此外,提出了一种机制解释最优的BLTF NFs NG。制备了一种三元异质结构光催化剂通过聚合的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)耦合Bi_4Ti_3O_(12)/Bi_2Ti_2O_7(BTO),通过简单的静电纺丝与煅烧方法制得。这种光催化剂表现出可见光下高效的可再生产氢性能(638μmolh~(-1)g~(-1)),这比纯BTO和g-C_3N_4分别大约高出7.6倍和1.55倍。BTO纳米棒最佳负载在g-C_3N_4上增加了光吸收产生更多的电子,同时促进光生电子和空穴分离和传输,这都来源于Bi_2Ti_2O_7和Bi_4Ti_3O_(12)中(Bi_2O_2)~(2+)层与(Bi_(m-1)TiO_(3m+1))单元之间形成的内电场。通过阿伦尼乌斯关系,我们进一步获得了随温度变化的实验结果,并提出了温度依赖的自发极化机理。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB34

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