W6+掺杂Sr Bi4 Ti4 O15-Bi4 Ti3 O12共生铋层状压电陶瓷的结构与电学性能

黄立伟,江向平,陈 超,黄枭坤,聂 鑫

(景德镇陶瓷大学 材料科学与工程学院 江西省先进陶瓷材料重点实验室,江西 景德镇 333001)

近年来,由于铋层状结构铁电体(BLSFs)有着居里温度(Tc)高、高温稳定性好、老化率低和易烧结等众多优势,在高温压电材料和非易失性存储器中存在潜在应用价值,得到了研究者的关注[1-4]。BLSFs铁电材料通式可表示为(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-,是由赝钙钛矿层和铋氧层沿c轴按一定规律排列。其中,A是配位数为十二的大半径阳离子(K+、Sr2+、Bi3+),B则是六配位小半径的阳离子(Ti4+、Nb5+、W6+),m为赝钙钛矿层的层数(m为整数,1≤m≤5)[5-6]。构建共生铋层状结构是一种能有效改善BLSFs铁电材料电学性能的手段,其既能提高剩余极化强度,又能使得居里温度位于两组成单元之间。其结构是由两个层数相差为1的铋层状铁电材料沿c轴方向按一定规律排列而成[3,7]。

SrBi4Ti4O15-Bi4Ti3O12(SBT-BIT)是由Bi4Ti3O12(m=3)和SrBi4Ti4O15(m=4)沿c轴堆积而成的共生铋层状结构材料,并且其剩余极化强度优于其任一组成单元[8-10]。但是,SBT-BIT陶瓷的压电活性较差(d33≤10 pC/N),这类材料仍难以达到高温压电应用的要求;同时铋层状结构铁电体存在一个重要问题:在高温烧结过程中,由于Bi3+容易挥发,导致形成Bi3+和O2+离子空位缺陷,存在漏电流大、介电损耗大、压电性能差等问题,因此研究者通过施主掺杂改性减少氧空位,降低漏电流[11-12]。如Wang等[13]在SrBi4Ti4O15-Bi4Ti3O12共生结构陶瓷中掺杂Nd3+,研究发现Nd可以有效地降低氧空位的含量,其中SrBi7.5Nd0.5Ti7O27将剩余极化(2Pr)和压电系数(d33)分别提至33.2μC/cm2和14 pC/N。Parida等[14]用B位Nb5+掺杂SrBi4Ti4O15-Bi4Ti3O12发现样品的高温介电损耗和氧空位浓度降低,铁电性能显著提高。……