Bi0.5Na0.5TiO3基无铅压电材料与ZnO纳米颗粒复合薄膜的制备及其抗热退极化特性的研究

Lead-free piezoelectric films are basic materials used in micro-electromechanical and microelectronic devices with miniaturization and function integration. Because they avoid to damage the ecological environment and human health caused by the production, use and waste disposal of lead based materials, they recently attract the worldwide attention. However, further improvement is needed in their piezoelectric and ferroelectric performance, and thermal depolarization issues of perovskite materials (such as BNT and KNN) need to be solved. In this project, we propose to fabricate BNT based lead-free films doped with ZnO nano-particles on several kinds of substrates. The effects of ZnO particle size, film thickness and orientation etc. on microstructures, domain structure, ZnO particle size in grain boundary, charge distribution state, and ferroelectric, piezoelectric and dielectric properties of the composite films will be investigated. The mechanism related to heat-resistant depolarization characteristics and their effects on electrical properties of lead-free piezoelectric composites will be explored. We believe that tailored properties will be effectively achieved in BNT lead-free based composite films, and novel lead-free piezoelectric materials will be discovered with excellent performance.

无铅压电薄膜材料是实现相关微机电和微电子器件微型化和功能集成化的基础材料，因其避免了含铅压电薄膜材料在生产、使用和废弃处理过程中给生态环境和人类健康带来的危害，因而得到了广泛的关注。但其铁电、压电等整体性能有待提升，尤其是BNT、KNN等钙钛矿结构的材料热退极化问题需要进一步研究。本项目拟采用溶胶-凝胶、脉冲激光沉积等方法，在多种衬底上，系统的制备BNT基无铅压电材料与ZnO纳米颗粒复合的薄膜，通过调控薄膜中ZnO颗粒尺寸、浓度、分布，薄膜厚度、取向等参数，研究复合薄膜微观晶体结构，畴结构、晶界处的ZnO颗粒特性、电荷分布状况与铁电、压电和介电等电学性质之间的关系，不仅可以进一步深入探索无铅压电复合材料抗热退极化特性的机理，及其对压电、铁电性质的影响机制，实现BNT无铅压电复合薄膜体系性质的有效调控，还可以寻找具有优异特性的新型无铅压电功能材料。

压电功能材料可以实现电能与机械能的互相转换，在各类微机电系统和信息检测、转换、处理和存储中具有广泛的应用，是实现微机电器件、微电子微型化和集成化的材料基础，是目前功能材料研究领域的重要方向之一。但其铁电、压电等整体性能有待提升，尤其是BNT、KNN等钙钛矿结构的材料热退极化问题需要进一步研究。本项目主要研究内容为BNT基压电材料与ZnO纳米材料复合，使BNT基压电材料的热退极化温度升高甚至消失，进而提高材料的热稳定性，并针对复合压电材料的相结构、微观形貌、介电性能、铁电性能和压电性能进行深入研究。本项目的主要研究内容及研究成果如下：采用溶胶-凝胶法和固相反应法制备了钙钛矿结构BNT薄膜和BNT基无铅压电材料与ZnO纳米材料的复合材料，通过调节复合ZnO颗粒的尺寸、浓度和分布等条件，实现了BNT基无铅压电材料的退极化温度提升了10% - 20%，分析了材料热退极化特性的机理、其影响压电、铁电性质的机制。此外，通过多种手段，如高分辨电子显微镜、可控温的铁电测试仪、介电测试仪、可控温压电力显微镜等表征不同温度和极化状态下复合材料的微观结构、畴结构、铁电（极化、疲劳、保持等）、压电（压电系数、机电耦合系数等）和介电等电学性质等，进一步阐明了ZnO纳米颗粒的引入，对BNT基无铅压电复合材料电学性质的影响机制。在完成上述工作的基础上，我们采用溶胶-凝胶法在氟掺杂氧化锡（FTO）导电基底上制备了PbTiO3钙钛矿型铁电薄膜材料，并对其进行掺杂改性，深入研究了掺杂对其铁电性能和电卡性能的影响，结果表明通过Cu、Ag和Si的掺杂，使其铁电性能和电卡性能提高了1-2倍。本项目工作的开展使研究者对钙钛矿结构压电材料热退极化问题有了更深入的认识，为提升BNT基无铅压电材料的热稳定性提供理论和实验指导，对促进无铅压电材料的实用化具有重要的意义。