铌酸盐基无铅压电陶瓷的电性能、相变机制及温度稳定性研究

传统的压电陶瓷材料大多是基于含铅的铅基复合物，由于铅对环境的污染和对人类健康的危害，无铅压电陶瓷的研发受到了科研工作者极大的关注。本申请项目选择铌酸盐（KNN）基无铅压电陶瓷作为研究对象，详细分析纯KNN在组分为K/Na=50/50附近的准同型相界（MPB）区间、压电特性、相结构特征（相界位置、相组成）以及微结构（电畴结构）。在此基础上，详细研究高压电活性KNN基压电陶瓷组分的四方-正交相相变（T-O）与材料压电活性的关系，并对KNN基压电陶瓷进行系统的改性掺杂研究，将KNN基压电陶瓷的T-O提高至200℃以上或降低到-60℃，同时居里温度维持在200℃左右，提高材料的温度稳定性，成功制备出工作温度区间宽（-50℃-150℃），压电性能好（高d33）的铌酸盐基无铅压电陶瓷材料。

由于锆钛酸铅（PZT）的高含铅率引起的一系列环境问题，KNaNbO3（KNN）系列陶瓷作为替代品一直受到人们的关注。由于其铁电性能好，压电性能强，居里温度高等特点成为最有潜力的一类无铅压电陶瓷材料。将LiNbO3, LiTaO3和LiSbO3分别按比例加入无铅压电陶瓷Na0.5K0.5NbO3 (NKN)中，选择实验中配比性能最优的几种配比，对材料的晶体构，晶格性能，键长键角，振动模式以及介电、压电性能等分别进行了比较，分析了ABO3钙钛矿结构的A位及B位分别被掺杂替代后的材料性能。由传统的固相反应法制得的纯KNN陶瓷由于加工过程中遇到的密度问题，电学性能较差（d33 ~ 45 pC/N, kp, kt ~15%），经过掺杂以后材料的压电性能、机电响应等参数都得到了有效的提升（d33 ~176–197 pC/N, kp ~ 45%–48%, kt ~34%– 47%），这是由于室温下，这些配比的材料都处于准同型相界附近，材料性能会有显著变化。此外还对此系列陶瓷的Raman，XPS，电镜等性能进行了研究分析，将陶瓷在不同条件不同衬底条件下进行了PLD激光溅射实验，由于实验结果还没发表，将在后续进行汇报总结。. 此外，我们还利用第一性原理计算预测了在二维SrFBiS2和BiOBiS2中具有巨Rashba效应，这是由它们的特殊原子结构决定的。我们发现二维SrFBiS2（BiOBiS2）的结构可以用一个类离子模型进行描述，其共价键结合的Sr和F（Bi和O)原子组成了(Sr2F2)2+ [(Bi2O2)2+]层，而共价键结合的Bi和S原子形成了(BiS2)-层；因此Sr2F2-BiS2（Bi2O2-BiS2）之间可以被认为是离子键接触。我们发现二维SrFBiS2和BiOBiS2都具有两组Rashba自旋劈裂，分别来自其两个表面。在电场的作用下这些体系的Rashba效应的大小几乎不受影响，而体系的带隙却发生了很大的变化。以上性质使得二维SrFBiS2和BiOBiS2在自旋电子器件应用中将会具有很大优势。项目研究期间共发表学术论文8篇，其中国家基金资助标注5篇。