(1-x-y)BiFeO3-xPbFe0.5Nb0.5O3-yPbTiO3陶瓷的晶體和晶粒結構、介電和壓電性能

研究背景

具有共存電、磁或彈性有序性的多鐵性材料因其廣泛的可能應用，包括交變和磁場傳感器、存儲元件和自旋電子器件的生產，目前是材料科學中研究深入的對象之一。鈮鐵酸鉛是一種眾所周知的多鐵體，具有鈣鈦礦型結構，具有一般的化學式，在T_C~370 K時從順電（PE）到鐵電（FE）相的擴散相變。FE和反鐵磁（AFM）有序僅在TN~120-150 K以下共存，其中TN是Neel溫度。鉍鐵氧體BiFeO₃（BF）也是多鐵性的，具有T_C~1103 K、TN~643 K和在[110]方向具有非公度擺線磁序的G型反鐵磁性。這兩種材料目前被認為是許多磁電結構的基礎。然而，它們廣泛使用受到幾個因素的限制。對于鉍鐵氧體而言，在單相狀態下獲得BF和鐵電疇重新定向所需的極高矯頑電場（EC）是很困難的。此外，PFN和BF的特點是，由于其結構中存在變價離子（Fe²⁺/Fe³⁺）和氧空位，電導率增加。然而，基于BF或PFN的改性或固溶體的產生使得穩定結構和改善所獲得陶瓷的特性成為可能。長期以來，二進制系統基于多鐵性一直是人們積極研究的課題，（1-x）BiFeO₃-xPbTiO₃體系受到了廣泛關注。鈦酸鉛PbTiO₃（PT）的引入穩定了鈣鈦礦相，并在x~0附近形成了一個晶型相界（MPB）。在該區域，（1-x）BFxPT系統顯示出相當高的壓電特性，但同時保持較高的導電性。在這方面，近年來，通過創建基于BF和PT的三元系固溶體來獲得新的多鐵性材料受到了相當大的關注。有希望的體系之一是（1-x-y）BF-xPFNyPT三元體系，根據文獻數據和我們的初步研究，其中存在具有共存的菱形（Rh）和四方（T）相的MPB。眾所周知，具有MPB的材料可以表現出極端的性能，并改善所研究陶瓷的電生理特性。之前發現在具有高PFN濃度（成分0.25BF-0.63PFN-0.12PT）的相圖區域，該系統的樣品表現出相對較高的壓電活性（高達350 pC/N），并在相對較低的矯頑場下表現出較高的剩余極化值。在這方面，重要的是建立三元系（1-x-y）BF-xPFN-yPT樣品在高PFN含量相圖區域的結構、微觀結構、介電和壓電特性的形成規律。

摘要亮點

準二元濃度段陶瓷(x=0.50, 0.1≤y≤0.2, Δy=0.025) 三元固溶體體系(1-x-y)BiFeO₃-xPbFe_0.5Nb_0.5O₃-yPbTiO₃是采用常規固相反應法制備的。利用x射線衍射技術，構建了該體系的相圖，其中包括立方對稱區和四方對稱區，以及它們之間的晶型相界。研究了所選固溶體的晶粒形貌、介電和壓電性能。獲得了高壓電系數d₃₃=260pc/N。陶瓷的介電特性揭示了鐵電弛豫行為，即在350?500K的溫度范圍內，從順電相到鐵電相的擴散相變區域。