溶胶凝胶制备Bi_4Ti_3O_(12)铁电薄膜及性能研究

研究了sol-gel法制备Bi_4Ti_3O_(12)铁电薄膜和该薄膜的电学性质、光学性质,以及Bi_4Ti_3O_(12)晶体的热力学唯象理论。主要内容如下:①以正丁醇钛和硝酸铋为原料,合成了稳定均匀的Bi-Ti溶胶和凝胶。研究了乙醇胺的催化作用机理和前驱体溶液的水解、聚合反应机理。发现乙醇胺与Bi~(3+)离子的络合反应阻止Bi离子的水解。研究了干凝胶的晶化过程,发现干凝胶在晶化过程中有三个中间相存在。②分别在Pt/Ti/Si、Si、Y-ZrO_2、SrTiO_3(100)和石英玻璃基片上生长出c轴取向的Bi_4Ti_3O_(12)薄膜。薄膜的取向程度受到衬底表面结构和Bi_4Ti_3O_(12)晶体的晶面能的制约。前驱体溶液的酸碱度对薄膜的结晶性有较大影响。③研究了Bi_4Ti_3O_(12)/n-Si薄膜的C—V特性,从理论上分别推导出理想的和有载流子注入的MFS结构的C—V曲线的回滞方向。④研究了c轴取向Bi_4Ti_3O_(12)纳米薄膜的光学吸收性能和量子尺寸效应引起的光能隙漂移现象。薄膜的能隙宽度强烈依赖于薄膜的晶粒大小。⑤用Landau-Ginsburg-Devonshire形式系统地研究了在应力条件下Bi_4Ti_3O_(12)的铁电性质、介电性质和压电性质,以及在应力诱导下的Bi_4Ti_3O_(12)居里温度的漂移现象。     

Sol-gel法制备Si基Bi_(3.15)Nd_(0.85)Ti_3O_(12)铁电薄膜

采用Sol-gel法分别在Si(100)和Si(111)衬底上制备Bi_(3.15)Nd_(0.85)Ti_3O_(12)(BNT)铁电薄膜。研究了衬底、退火温度、退火保温时间和薄膜厚度等因素对BNT铁电薄膜结晶和微观结构的影响。在500℃退火的BNT薄膜已经结晶形成层状钙钛矿相;升高退火温度(500～800℃)、延长保温时间(30～150min)、增加薄膜厚度(170～850nm),都有利于BNT薄膜晶粒长大,其中退火温度和薄膜厚度是影响晶粒长大的关键因素;每次涂覆的厚度大约是85nm。与Si(100)衬底相比,由于Si(111)与BNT薄膜具有更好的晶格匹配,因此BNT薄膜在Si(111)衬底上更容易结晶。     

Na-Ni掺杂对Bi_2(Zn_(1/3)Nb_(2/3))_2O_7陶瓷性能的影响

采用传统固相反应法制备Bi_2(Zn_(1/3)Nb_(2/3))_2O_7基陶瓷.研究Na~+、Ni~(2+)分别替代Bi~(3+)、Nb~(5+)对Bi_2(Zn_(1/3)Nb_(2/3))_2O_7陶瓷烧结特性和介电性能的影响.替代后样品的烧结温度从960℃降低到870℃左右.在-30℃～+130℃,陶瓷样品的温谱中出现明显的介电弛豫现象,弛豫峰所在温区较宽;当Ni~(2+)替代量增加到0.2时出现双弛豫峰.随着Ni~(2+)替代量增加,弛豫峰值温度向高温移动,弛豫激活能增加,两弛豫峰之间距增加.用缺陷偶极子和晶格畸变解释了Na-Ni掺杂Bi_2(Zn_(1/3)Nb_(2/3))_2O_7的介电弛豫现象.     

室温固相法制备纳米氧化铋

以NaOH和Bi(NO_3)_3·5H_2O为原料,并添加不同的分散剂,采用室温固相法制备了纳米Bi_2O_3采用XRD、TEM表征纳米Bi_2O_3的结构和形貌。结果表明,分散剂种类、分散剂的添加量等因素显著影响纳米Bi_2O_3结构和形貌。     

改性BiOBr复合光催化剂的制备及性能研究

采用一步溶剂热法将半导体材料溴化氧铋(BiOBr)与钛酸铋(Bi_4Ti_3O_(12))复合,制备了Bi_4Ti_3O_(12)/BiOBr复合光催化剂,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜等表征手段对其进行表征,并在7W LED灯照射下对罗丹明B(RhB)进行光催化反应。结果表明:合成的Bi_4Ti_3O_(12)/BiOBr复合光催化剂具有较好的结晶度和较高的光催化活性;反应时间与反应温度对光催化剂活性有显著影响,当反应时间为24h、反应温度为180℃时,复合光催化剂的降解率最大,可达85.1%;污染物RhB的初始质量浓度对降解率也有影响。     

Sr_6Bi_2O_9的制备及其可见光催化性能研究

以Bi(NO_3)_3·5H_2O和Sr(NO_3)_2为原料,采用溶胶-凝胶法合成了Sr_6Bi_2O_9光催化剂。使用X射线衍射(XRD)、紫外-可见光漫反射(UV-Vis DRS)和傅里叶红外光谱(FT-IR)等对Sr_6Bi_2O_9催化剂的结构进行了表征。Sr_6Bi_2O_9样品的光催化性能是通过在可见光下(λ≥400nm)光催化降解直接耐酸大红(4BS)溶液来评估。实验结果表明,经过800℃焙烧处理的Sr_6Bi_2O_9光催化剂对模拟印染废水4BS显示出优异的降解性能,60min内对4BS的去除率高达98%。此外,研究了反应条件如有机物初始浓度、Sr_6Bi_2O_9投加量、溶液pH值对催化剂的光催化活性的影响。并进一步通过紫外-可见光谱分析结果验证了光催化剂对4BS的降解机理。     

溶胶-凝胶法制备Bi_4Ti_3O_(12)/SiO_2及其光催化性能

采用溶胶-凝胶法制备石英砂负载Bi_4Ti_3O_(12)/SiO_2光催化材料,研究负载对Bi_4Ti_3O_(12)的物理性质和光催化活性的影响。结果表明,负载后的层状钙钛矿结构Bi_4Ti_3O_(12)包覆在非晶态石英砂球体表面,Bi_4Ti_3O_(12)中各元素的电子结合能没有发生改变。活性艳红X-3B在纯Bi_4Ti_3O_(12)和不同负载量x Bi_4Ti_3O_(12)/SiO_2上的吸附率不超过3%。负载后Bi_4Ti_3O_(12)的光催化活性均有提高,其中质量分数为50%负载量的Bi_4Ti_3O_(12)/SiO_2具有最高的活性。在Bi_4Ti_3O_(12)和质量分数为50%负载量的Bi_4Ti_3O_(12)/SiO_2上的光催化反应速率常数分别为0.021 s-1和0.027 s-1。     

退火温度对Pb(Zr_(0.53)Ti_(0.47))O_3薄膜结构及其性能的影响

采用sol-gel法在Pt/Ti/SiO_2/Si衬底上制备Pb(Zr_(0.53)Ti_(0.47))O_3薄膜.利用X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)对其晶格结构和微观形貌进行了表征,通过改变退火温度制得了具有单一钙钛矿结构的Pb(Zr_(0.53)Ti_(0.47))O_3薄膜.然后将该薄膜与环氧树脂形成复合结构材料.对其铁电性能以及复合材料的阻尼性能进行了测试,结果表明,退火温度的升高有利于改善薄膜的铁电性能,在750℃下退火的Pb(Zr_(0.53)Ti_(0.47))O_3薄膜,其剩余极化值2Pr达到了68.6μC/cm~2, 矫顽场强2E_c达到158.7kV/cm;同时退火温度的升高还有利于薄膜致密度的提高,对复合材料的阻尼性能也有一定的改善,当退火温度达到800℃,复合材料的阻尼损耗因子达到最大值,阻尼温域最宽,阻尼性能最好.     

Bi_4(M)Ti_4O_(15)系统含铋层状结构铁电陶瓷的研究

本工作制得几种分子式为 Bi_4(M)Ti_4O_(15)的含铋层状结构铁电陶瓷,其中 M=Ca、Sr、Ba 和 Pb。测量了它们的介电、压电性能以及 Bi_4SrTi_4O_(15)(BST)陶瓷的性能稳定性。这些陶瓷的介电和压电性能除居里温度(420～800℃)有所不同外,其它性能基本相似:d_(33)=16～20×10~(-12)C/N;ε_(33)=160～250;tanδ=0.005～0.02。根据铁电电滞回线,BST 陶瓷在室温下的饱和自发极化 P_(?)和矫顽场强 E_(?)分别为12μC/cm~2和80kV/cm。性能测量表明,它们的抗热处理和抗一维压应力的去极化能力优异,试样经400℃或500℃处理1h 后,d_(33)值几乎不变,当压应力σ高达200MPa 并至少经20次循环,其释放电荷量 Q 和应力σ仍呈线性。由BST 陶瓷制得的加速度计,在-190～300℃之内其释放电荷 Q 相对室温的变化率<5%。当 Ba~(2+)、Sr~(2+)和 Ca~(2+)分别取代 M 时,发现陶瓷的居里温度 T_c 逐渐递增,此变化程序正好与具有相应离子的 ABO_3型钙钛矿结构的相反。文章对出现上述现象的原因作了讨论。     

流延成型法制备2-2型多层(CoFe_2O_4-Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3)_n磁电复合薄膜

运用流延成型法制备了具有良好铁电铁磁性能的2-2型多层(CoFe_2O_4-Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3)_n[(CFOPZT)n]磁电复合薄膜。通过X射线衍射仪、扫描电镜、振动样品磁强计和铁电测试仪测试研究了(CFO-PZT)n复合薄膜的组织结构、铁磁和铁电性能。结果表明,钙钛矿结构的PZT和尖晶石结构的CFO相对均匀地分布在多层复合薄膜各层中,界面平整均匀。随热处理温度的升高,薄膜致密度提高,晶粒长大,但相结构未变,无新相形成。900℃热处理的(CFO-PZT)n复合薄膜结晶更完善,磁电性能好,剩余极化强度为32.63μC/cm~2,饱和磁化强度高达80.56kA/m,在2.29×10~4 A/m偏置磁场处有最大磁电耦合系数17.69kV/(cm·T)。     

添加剂对亚稳相g-Bi_2O_3的低温水相合成和光性能的影响

以乙二醇-水为溶剂体系,以Bi(NO_3)_3·5H2O为铋源、NaOH为沉淀剂,采用低温(80℃)水相一步合成法,反应40 min制备出尺寸为亚微米的亚稳相γ-Bi_2O_3粉末。使用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征Bi_2O_3样品晶型和微观形貌,研究了在制备过程中添加剂(丙三醇、Trion X-100、CTAB、SDBS、乙醇、油酸)对亚稳相γ-Bi_2O_3微观形貌和光性能的影响。结果表明,样品大多为γ相,只有少量的a相,尺度在亚微米-微米间。加入不同的添加剂,样品的微观形貌不同,有立方体、四面体、自组装微花等。紫外-可见光谱(UV-Vis)分析结果表明,样品在紫外-可见光区有显著的光吸收。使用不同添加剂制备的样品其禁带宽度在较宽的范围(2.30~2.81 e V)变化,属于电子从价带跃迁到导带引起的吸收,为Bi_2O_3的直接带隙吸收。荧光光谱(PL)表明,样品在400~600 nm有5个发射谱带(谱带中心位于449、466、480、491和561 nm等处)。添加剂不但对样品的纯度和微观形貌有重要的影响,对晶体结构也有明显的影响。添加剂使材料的物理化学性能(如光性能)发生变化,加入添加剂可调节产品的禁带宽度。     

熔盐法制备片状CaBi_4Ti_4O_(15)晶粒的研究

以TiO_2、CaCO_3和Bi_2O_3为原料,加入NaCl和KCl(物质的量比为1:1)为熔盐,采用熔盐法制备Ca-Bi_4 Ti_4 O_(15)片状晶体.研究了熔盐含量、合成温度以及保温时间对制备CaBi_4 Ti_4 O_(15)片状晶体的影响,并对其反应机理进行了初步的探讨.结果表明,当熔盐质量分数为30%时开始生成CaBi_4 Ti_4 O_(15),当熔盐质量分数增加到40%左右时可获得较纯的CaBi_4 Ti_4 O_(15)相.熔盐含量对钛酸铋钙晶体的形貌有一定的影响,随着熔盐含量的增加,CaBi_4 Ti_4 O_(15)片状晶体逐渐长大,各向异性程度增大.合成温度的升高和保温时间的延长有利于CaBi_4 Ti_4 O_(15)片状形貌的形成.制备完整片状形貌的CaBi_4 Ti_4 O_(15)晶体的最佳熔盐含量为40%,合成温度为1150℃,保温时间为4h.     

纳米碘氧铋/硫化铋/偕胺肟纤维光催化剂的合成、表征及其性能研究

以Bi(NO_3)_3为铋源,以KI为碘源,以Na_2S_2O_3·5H_2O为硫源,偕胺肟纤维为载体,通过常态液相法制备合成了纳米碘氧铋/硫化铋/偕胺肟纤维(BiOI/Bi_2S_3/AOCF)光催化材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、能谱(EDS)和紫外-可见分光光谱(UV)等方法对样品进行表征和分析。实验结果表明:样品呈片状结构,纳米级别,并与纤维牢固结合。以罗丹明B作为模拟污染物来验证BiOI/Bi_2S_3/AOCF的光催化性能,结果反映该材料具有优异的光催化能力和稳定性。总体来看,该材料光催化性能优异,稳定性较强,易于分离,具有良好的应用前景。     

Ce~(3+)掺杂Na_(0.5)Bi_(8.5)Ti_7O_(27)铋层状陶瓷的结构与电性能研究

采用固相法制备了Ce~(3+)掺杂的Na_(0.5)Bi_(8.5–x)Ce_xTi_7O_(27)(NBT-BIT-x Ce,0≤x≤0.1)共生铋层状无铅压电陶瓷,研究了NBT-BIT-xCe陶瓷的结构和电学性能。研究结果表明所有陶瓷样品均为单一的铋层状结构,随Ce~(3+)掺杂量的增加,样品的畸变程度呈现上升趋势,同时陶瓷晶粒的平均尺寸不断减小,介温谱和差热分析结果表明样品的介电双峰均对应于陶瓷内部结构的铁电相变。Ce~(3+)掺杂可以显著减少陶瓷内部的氧空位浓度以及降低陶瓷的介电损耗,提升陶瓷的压电常数(d33),当x=0.06时,陶瓷的综合电性能最佳:压电常数(d_(33))达到27.5 pC/N,居里温度(TC)达到658.2℃,介电损耗(tanδ)为0.39%。     

稀土离子La~(3+)掺杂花形状Bi_2O_3的制备及光催化活性研究

以硝酸铋和硝酸镧为原料,采用水热法制备了形貌可控的花形状Bi_2O_3和La~(3+)掺杂Bi_2O_3光催化剂,利用X射线衍射、透射电镜、能谱、N2吸附-脱附和紫外-可见近红外光谱法等方法对材料的结构和形貌进行表征。通过紫外-可见吸收光谱法研究了催化剂对罗丹明B(RhB)光催化降解效率。结果表明:样品具有可控形貌的花形状结构及较窄的孔径分布(3.624nm),当稀土离子La~(3+)掺杂到花形状Bi_2O_3后,不仅是原Bi_2O_3的花形结构没有破坏,而且光吸收范围拓展到600nm左右。利用模拟太阳光(氙灯,350W,λ420nm)光源,对RhB进行光催化降解时,产生了良好光催化活性,其光催化活性明显高于纯Bi_2O_3纳米颗粒和花形状Bi_2O_3,光照180min后,降解效率达到99.1%以上。     

纳米钨酸铋/偕胺肟纤维的制备及其光催化性能研究

以Bi(NO_3)_3和Na_2WO_4为原料、偕胺肟纤维作为配体,采用液相法合成钨酸铋/偕胺肟纤维(Bi_2WO_6/AOCF),通过X射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)等对样品进行了表征分析。以罗丹明B的降解率为指标进行考察,可知,Bi_2WO_6/AOCF最佳制备条件为:Bi(NO_3)_3用量为1.0mmol,Na_2WO_4用量为0.5mmol,温度为70℃,反应时间为24h。以罗丹明B、活性黄、亚甲基蓝、甲基橙为模拟污染物来考察Bi_2WO_6/AOCF的光催化活性,结果表明,Bi_2WO_6/AOCF对4种染料都有很好的光催化降解能力,且可以重复使用多次,光催化反应过程符合一级反应动力学。     

一步沉淀法制备三维分等级花状α-Bi2 O3微球及其光性能

以乙醇-水为溶剂体系、丙三醇为封端剂,在低温(95℃)及常压下,采用水相一步沉淀法,以Bi(NO_3)_3·5H_2O为铋源、NaOH为沉淀剂,反应1 h制备出两种三维分等级花状α-Bi_2O_3微球。采用X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电子显微镜镜(FE-SEM)表征Bi_2O_3样品的晶型和微观形貌。结果表明,样品均为α相,尺度在微米级,随丙三醇浓度不同,微观形貌分别为纳米立方体3D自组装分等级花状微球和一维纳米棒自组装分等级花状微球。初步分析了特殊微观形貌形成的机理。紫外-可见光谱(UV-Vis)分析表明,样品均在紫外-可见光区有显著的光吸收,两种样品的禁带宽度分别为2.76 eV和2.70 eV,属于电子从价带跃迁到导带引起的吸收,为Bi_2O_3的直接带隙吸收。荧光光谱(PL)分析表明,样品在400～600 nm均具有五个发射谱带(谱带中心位于450 nm、466 nm、480 nm、490 nm和562 nm处)。微观形貌影响荧光发射谱带的波形与强度,纳米棒自组装而成的花状分等级微球的荧光强度稍弱。     

(Pb_(0.5)Sr_(0.5))TiO_3薄膜的表面化学态研究

用溶胶-凝胶法制备(Pb_(0.5)Sr_(0.5))TiO_3(简称PST)前驱体溶液,以三水醋酸铅、醋酸锶、钛酸丁酯为原料,乙二醇甲醚、去离子水、乙酰丙酮做溶剂,通过旋涂工艺在Pt/Ti/SiO_2/Si(100)基片上沉积PST薄膜.薄膜经320～380℃热分解,再经650℃退火30min,得到晶化好的薄膜样品,X射线衍射结果表明PST薄膜为钙钛矿立方相结构,其晶格常数为a=0.3919nm.用原子力显微镜观测其表面形貌,薄膜平均晶粒尺寸为300nm.用XPS测量了650℃退火PST薄膜样品的表面化学态,结果表明表面富铅,接近表面区域的原子比率Pb∶Sr∶Ti∶O是0.52∶0.50∶1.0∶3.02,接近(Pb_(0.5)Sr_(0.5))TiO_3的理想配比.     

组合法制备Pb(ZrxTi1-x)O3铁电薄膜及性能研究

为了系统地探讨Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)薄膜组成-结构-性能之间的规律,在室温和无蒸馏回流条件下,利用配制的前驱溶液PT(Pb和Ti的金属有机物溶液)和PZ(Pb和Zr的金属有机物溶液)及组合化学法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上简单快捷地制备了一系列Pb(ZrxTi1-x)O3薄膜.XRD分析表明,薄膜具有钙钛矿结构,择优取向为(111),晶格参数变化规律与传统方法制备的PZT薄膜的结果一致.x=0.3的前驱体在200℃附近出现特殊的热分解现象.XPS测试结果证实薄膜成分基本符合理论值,SEM结果显示薄膜界面清晰,与基片接触良好,厚度在450 nm左右.电滞回线测试表明,富钛区样品剩余极化与矫顽场都较大;近准同型相界附近样品具有良好的铁电性,剩余极化较大且矫顽场较小;富锆区样品剩余极化与矫顽场较小,出现反铁电特征.     

外延Y_3Fe_5O_(12)薄膜的制备及其磁特性的研究

利用磁控溅射方法在Gd3Fe5O12衬底上制备外延Y_3Fe_5O_(12)薄膜。在室温300K时,改变腔内氩气压得到不同气压下制备的Y_3Fe_5O_(12)薄膜。样品都在空气中进行后退火处理,退火温度800℃/2h,退火升温速率是180℃/h,降温速率是120℃/h。通过测试发现薄膜的特性及膜厚等都依赖沉积氩气压PAr,沉积气压为2.394Pa时,样品的磁特性较好。为了能充分利用Y_3Fe_5O_(12)纳米结构特性,利用电子束光刻蚀方法成功制备Y_3Fe_5O_(12)纳米量级结构阵列,分析磁阻尼因子变化。