Effects of Annealing Temperature on the Electric Properties of 0.94(Na0.5Bi0.5)TiO3–0.06BaTiO3 Ferroelectric Thin Film

0.94(Na_0.5Bi_0.5)TiO₃–0.06BaTiO₃ (NBT–BT6) ferroelectric thin films have been fabricated on Pt–Ti–SiO₂–Si(100) substrate by metal–organic decomposition. The effects of annealing temperature (650–800°C) on the microstructure, and the piezoelectric, ferroelectric, and dielectric properties of the thin films were studied in detail. The residual stress was evaluated by the orientation average method to clarify its dependence on annealing temperature and grain size, and it was correlated with the electric properties to understand the mechanism of piezoelectric enhancement. Among the thin films, NBT–BT6 thin film annealed at 750°C has the largest effective piezoelectric coefficient, 95.1 pm/V, remnant polarization, 49.7 μC/cm², spontaneous polarization, 105.2 μC/cm², and dielectric constant, 504, and the lowest dielectric loss, 0.05, and tensile residual stress, 24.5 MPa. For the NBT–BT6 thin film annealed at 750°C, a wide temperature range, 183–210°C, around the phase transition temperature (T _m) was observed in the dielectric temperature plots, and the diffusion coefficients (γ) were quantitatively assessed as 1.6, 1.78, and 1.6. Piezoelectric performance is discussed on the basis of the dispersion phase transition and residual stress.     

锰掺杂(Bi0.5 Na0.5)0.94Ba0.06TiO3陶瓷的热释电性

研究了溶胶-凝胶(Sol-Gel)工艺制备的锰掺杂(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3系陶瓷的热释电性能。研究发现,该系列材料具有优良的热释电性,适量锰的掺杂可有效降低材料的介电常数和介电损耗,从而进一步提高材料的热释电电压响应优值和热释电探测优值。对于Sol-Gel工艺制备的(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3 x%Mn(x=0~0.4,质量分数)陶瓷,x=0.1~0.2范围内材料的热释电性能较好,主要的热释电参数:热释电系数p≈3.1×10-4~3.9×10-4Cm-2K-1,电压响应优值FV≈1.9×10-13~2.0×10-13Cm/J,探测优值FD≈3.3×10-11~3.8×10-11Cm/J。     

(1-x)Na0.5K0.5NbO3-xBiNiO3无铅压电陶瓷的制备与性能

利用传统固相合成法制备了(1-x)Na0.5K0.5NbO3-xBiNiO3 ( (1-x)NKN- xBN) 无铅压电陶瓷.采用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等手段对其显微结构与性能进行研究.结果表明,该体系所研究组分范围内均能形成典型的ABO3型钙钛矿结构,在x=0.006～0.008间存在准同型相界(MPB).体系主要压电性能在x＝0.008左右获得优化,其压电常数d33和机电耦合系数kp 均达到极大值(分别为135 pC/N和44%), 机械品质因数Qm为122,正交-四方转变温度TO-T和居里温度TC分别为155 ℃和385 ℃.     

湿法流延制备(Na,K)0.5Bi0.5TiO3织构陶瓷

以NaCl-KCl熔盐法合成的片状Bi4Ti3O12微晶为模板,采用反应模板生长技术(RTGG)和湿法流延工艺制备了织构度为0.70的(Na0.84K0.16)0.5Bi0.5TiO3(NBT-KBT)织构陶瓷。研究了烧结温度对NBT-KBT织构陶瓷的相对密度、微观结构、织构度与电性能的影响。结果表明:其晶粒生长方向与电性能均表现出明显的各向异性,最佳烧结温度为1150℃,在此温度下陶瓷的d33最大为124pC/N,Pr为7.1×10–5C/cm2,Ec为3771kV/m。     

Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3-(Bi1-yLay)FeO3压电陶瓷的制备和性能

采用传统固相法制备了新型(1-x)Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3-x(Bi1-yLay)FeO3无铅压电陶瓷,利用了XRD、SEM等测试技术表征了该陶瓷的晶体结构、表面形貌、介电和压电性能.研究结果表明,在所研究的组成范围内陶瓷材料均能形成纯的钙钛矿结构固溶体,陶瓷晶粒尺寸随x、y的增加而增加.压电性能随x的增加先增加后减少,随y的增加先减小后增大,在x=0.005,y=0.9时,压电常数及机电耦合系数达到最大值(d33=149 pC/N,kp=0.27).     

银掺杂Bi0.5(Na0.825K0.175)0.5TiO3陶瓷的结构与性能

采用传统固相法制备了无铅压电陶瓷Bi0.5(NA0.825K0.175)0.5TiO3+x%Ag2O(BNKTA-x,质量分数x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,1.0,1.5),利用XRD、SEM等测试技术分析表征了该体系陶瓷的结构、压电与介电性能.XRD分析表明,在1 175℃/2 h烧结条件下,当Ag的质量分数低于1.0%时,陶瓷呈单一相的钙钛矿结构.所有陶瓷晶粒大多成四方晶形,晶界明显,表面致密度高,Ag的引入促进了陶瓷晶粒的生长.另外,加入Ag后,陶瓷样品气孔率降低,当Ag的质量分数在0.3%附近时陶瓷的致密性最好.BNKTA-x体系陶瓷具有较好的电学性能:压电常数d33=147 pC/N,机电耦合系数kp=0.31,介电常数εr=1 059,介电损耗tanδ=0.029,机械品质因数Qm=247.     

Bi0.5(Na1-x-yKxLiy)0.5TiO3陶瓷的介电性能与微观结构

利用传统陶瓷工艺制备了新型的Bi0.5(Na1-x-yKxLiy)0.5TiO3无铅压电陶瓷,研究了陶瓷的介电性能和微观结构。研究结果表明,介电常数εr和介质损耗tgδ在K含量为0.20~0.25(摩尔分数)时达到最大值,且随Li含量的增加而增大;介温曲线表明,Bi0.5(Na1-x-yKxLiy)0.5TiO3陶瓷在110~210℃之间出现介质损耗峰,在300~350℃附近出现比较平坦的介电常数峰;陶瓷的最佳烧结条件为1 100~1 150℃,2~3 h;陶瓷晶粒有规则的几何外形,晶粒尺寸为1.2~2.5 m;Li含量越高,陶瓷的烧结温度越低;K促进了晶粒特定方向的生长。     

Zn-B玻璃掺杂的(K0.5Na0.44Li0.06)(Nb0.84Ta0.1Sb0.06)O3陶瓷相变及电学性能研究

研究了Zn-B玻璃掺杂的(K0.5Na0.44Li0.06)(Nb0.84Ta0.1Sb0.06)O3(KNLNTS)陶瓷的制备、相变及电学性能.研究发现,Zn-B玻璃能够有效地促进铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的烧结特性.XRD结果显示Zn-B玻璃掺杂的KNLNTS陶瓷为正交-四方共存结构,随掺杂量的增加正交结构相的含量逐渐增加;并且降低烧结温度能够有效地抑制第二相的产生.介电温谱测试结果显示Zn-B玻璃掺杂的KNLNTS陶瓷其居里温度先降后增在x=0.1时达到最小值.在1050℃保温5 h条件下烧结可以获得最佳的压电性能:d33=197 pC/N,kp=0.37,εr=975,tanδ=0.028.     

Bi0.5(Na1-xKx)0.5TiO3系陶瓷的压电性质与微观结构

利用传统陶瓷工艺制备了Bi0.5(Na1-xKx)0.5TiO3系无铅压电陶瓷,研究了该陶瓷的压电性质与微结构。研究结果表明,Bi0.5(Na1-xKx)0.5TiO3陶瓷的压电常数d33=142.2 pC/N、机电耦合系数kp=0.315;随着K+含量的增加,陶瓷晶粒尺寸有细化的趋势;低K+含量时,陶瓷晶粒的“棱角”相当“钝化”,而高K+含量时,陶瓷晶粒的“棱角”明显而“尖锐”,K+促进了陶瓷晶粒在特定方向的生长;对Bi0.5(Na1-xKx)0.5TiO3陶瓷进行了A位离子改性研究,提出了新型的压电性质优良的BNT基无铅压电陶瓷体系。     

Ca掺杂(Bi0.5Na0.5)TiO3-BaTiO3压电陶瓷结构与性能

采用传统电子陶瓷工艺制备了(Bi0.5Na0.5)0.93(Ba1-xCax)0.07TiO3(x=0.02,0.04,0.06,0.08或0.10)陶瓷,研究了Ca掺杂量对陶瓷的结构、介电、压电性能的影响。结果表明,陶瓷样品均形成了单一的钙钛矿结构固溶体。陶瓷的介电、压电性能受Ca掺杂量的影响显著。所有陶瓷样品均表现出弥散相变特征。x=0.04时,室温εr达到最大值1451.7,且tanδ较小,为0.042;当x=0.06时,d33和kp达到最大,分别为140.5pC/N和19.7%。     

Bi0.5(Na1-x-yKxLiy)0.5TiO3压电陶瓷的制备、性能与微结构

采用传统陶瓷工艺制备了新型无铅压电陶瓷Bi0.5(Na1-x-yKxLiy)0.5TiO3,研究了制备工艺的稳定性、放大效应、预烧粉体的研磨方式、成型工艺以及烧结方式对陶瓷压电性能的影响。研究结果表明,Bi0.5(Na1-x-yKxLiy)0.5TiO3陶瓷的压电常数d33可达230 pC/N,其机电耦合系数kp可达0.40;采用传统陶瓷工艺能够制备单相钙钛矿结构的Bi0.5(Na1-x-yKxLiy)0.5TiO3陶瓷,制备工艺的稳定性好,放大效应小,预烧粉体的研磨方式对性能的影响小,干压成型的样品压电性能最佳,烧结方式对性能无明显影响。显然,Bi0.5(Na1-x-yKxLiy)0.5TiO3陶瓷具有压电性能优、工艺性好的特点,具有实用化价值。     

0.95K0.47Na0.47Li0.06NbO3-0.05Ba0.95Sr0.05TiO3陶瓷的微结构与压电性能

采用传统陶瓷制备技术制备了0.95K0.47Na0.47Li0.06NbO3-0.05Ba0.95Sr0.05TiO3无铅压电陶瓷,研究了烧结温度和掺杂剂对其微结构及压电铁电性能的影响,对可能的机理进行了探讨.扫描电镜(SEM)分析表明,适当的烧结温度有利于陶瓷压电铁电性能的提高.实验结果表明,MnO2掺杂使陶瓷的压电铁电性能得到较大的提高,其中压电常数d33=135 pC/N,机电耦合系数kp=42%,剩余极化强度Pr=69.1 μC/cm2.     

(Na0.5Bi0.5)TiO3陶瓷A位二价金属离子取代的研究

主要研究了用Ｂａ＾２＋、Ｓｒ＾２＋、Ｃａ＾２＋对钙钛矿结构（ＡＢＯ３）的无铅压电陶瓷（Ｎａ０．５Ｂｉ０．５）ＴｉＯ３（ＮＢＴ）的Ａ位进行部分取代后材料的介电、压电性能。实验表明,Ａ位Ｂａ＾２＋取代使ＮＢＴ的介电系数有明显的增大,而Ｓｒ＾２＋、Ｃａ＾２＋对ＮＢＴ的介电系数影响不大。而３种离子Ａ位的取代,都使ＮＢＴ的高矫顽电场有了大幅度的降低,其中以Ｂａ＾２＋的效果最为明显（２．５～２．０ｋＶ／ｍｍ）     

Bi0.5(1-y)(Na1-x-yLix)0.5SryTiO3无铅陶瓷的压电性能和微观结构

利用传统陶瓷工艺制备了新型的Bi0.5(1-y)(Na1-x-yLix)0.5SryTiO3无铅压电陶瓷,并研究了该陶瓷的压电性能和微观结构.研究结果表明,该陶瓷体系具有较好的压电性能,压电常数d33=143 pC/N,径向机电耦合系数kp=0.30,并可在1 100℃/2 h烧结条件下获得致密的陶瓷体.     

掺铟对(Bi0.5Na0.5)0.93Ba0.07TiO3压电陶瓷的影响

采用直接反应烧结法制备掺铟的(Bi0.5Na0.5)0.93Ba0.07TiO3无铅压电陶瓷,研究了铟掺杂对(Bi0.5Na0.5)1-xBaxTiO3(BNBT)压电陶瓷压电性能、相组成及显微组织的影响。结果表明,添加适量的氧化铟后,该陶瓷仍为纯钙钛矿相结构,其材料组成在准同型相界处三方相减少,四方相增加;适量铟掺杂可抑制晶粒长大,有利于晶粒均匀生长,增大晶粒各向异性。当掺杂氧化铟的质量分数为0.16%时,获得了高的压电参数,其压电常数d33达到205 pC/N,厚度机电耦合系数kt、厚度与径向耦合系数之比kt/kp分别达到0.5、2.77。     

[Bi0.5(Na1-xAgx)0.5]1-yBayTiO3系压电陶瓷研究

用Ag 和Ba2 部分取代(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷的A位离子,获得了一类具有钙钛矿结构的新型无铅压电陶瓷体系,并申请了国家发明专利。该体系压电陶瓷的分子式可用[Bi0.5(Na1-xAgx)0.5]1-yBayTiO3表示。当x=0.06,y=0.06时,该压电陶瓷的压电常数d33为168 pC/N,机电耦合系数kp为0.31;掺入适量锰离子可将该陶瓷的机械品质因数Qm提高到160以上,同时其介电损耗tanδ可降低至0.020。该无铅压电陶瓷体系可采用传统陶瓷工艺和电子陶瓷公司在工业生产中使用原料来制备,其制备工艺性很好。     

(Bi0.5Na0.5)TiO3系无铅压电陶瓷特性与原子组成的关系

整体考虑ABO3型钙钛矿结构压电陶瓷中的A位和B位离子的离子半径、原子量和电负性对压电陶瓷特性的影响,定义了一个包含有A-位和B-位离子的质量差M、离子半径差R及电负性差X有关的综合因子F(ω),该因子与自发极化密切相关。研究了(Bi0.5Na0.5)TiO3基压电陶瓷的压电性能与F(ω)的关系发现,机电耦合系数k33,kp随着F(ω)的增加而相应增大,当F(ω)为160～165时,kp增加迅速,其后增加缓慢;F(ω)与k33则近似直线关系。     

富铋对(Na0.5Bi0.5)0.93Ba0.07TiO3结构和电性能的影响

在(Na0.5Bi0.5)0.93Ba0.07TiO3中引入过量的Bi3 ,研究富Bi对该组成结构与压电和铁电性能的影响。采用柠檬酸盐法合成了具有单一钙钛矿相的(Na0.5Bi0.5 x)0.93Ba0.07TiO3(x=0~1.0%)超细粉料。研究结果表明,随着富Bi量的增加,陶瓷样品的晶体结构出现由三方-四方相共存向四方相的转变,Bi的过量对陶瓷样品的显微结构无明显影响。当富Bi量较低(x≤0.6%)时,压电常数和机电耦合系数随富Bi量的增加而缓慢降低。当富Bi量较高(x>0.6%)时,随着富Bi量的增加,压电常数和机电耦合系数急剧减小。富Bi使陶瓷样品的介电损耗增加,机械品质因数下降。当x≤0.4%时陶瓷样品具有饱和的电滞回线,而当x>0.4%时电滞回线明显变形。