伍建新[1]1999年在《PLZT和PBZT弛豫铁电陶瓷偏压压电效应的研究》文中研究指明本文研究了La、Bi、Nb及Sr掺杂的PBZT系和Nb及Ba掺杂的PLZT系弛豫铁电陶瓷的介温特性(K_(33)-T)、横向场诱应变特性(x_2-E)、介电滞后特性(P-E)，并研究了它们在不同直流偏压及温度下的介电常数K_(33)、平面机电耦合系数k_p、弹性柔顺系数S_(11)~E和等效压电常数d_(31)。实验表明，改性PBZT和PLZT系弛豫铁电陶瓷的等效压电常数可由外加直流偏压控制，其温度系数远小于0.9PMN-0.1PT陶瓷。PBZT和PLZT系材料中Ba或Nb掺杂量的增大，都会降低材料的平均居里温度、容温系数及偏压下d_(31)值的温度系数、同一电场下的横向场诱应变及极化强度。对所有组成，在10-50℃的温度范围内，温度越高，同一偏压下的介电常数和压电常数越大。在同一测试温度下，所有组成的介电常数首先随偏压的增大而增大，然后随偏压的进一步增大而下降；机电耦合系数k_b首先随偏压增大而增大，然后趋于一饱和值；等效压电常数|d_(31)|首先随偏压的增大而增大，达最大值后又随偏压的进一步增大而下降。所有组成在10Kv／cm的偏压下，介电常数K_(33)和等效压电常数|d_(31)|都是首先随温度升高而增大，达一最大值后又随温度升高而下降，但|d_(31)|在更低的温度下达最大值；机电耦合系数k_p首先随温度变化不大，然后随温度升高而下降；弹性柔顺系数S_(11)~E首先随温度变化不大，然后随温度升高而略微下降。对3mol％Ba掺杂的PLZT10／65／35弛豫铁电陶瓷的动态及偏压介电和压电特性的研究表明：电场小于8Kv／cm时，动态介电常数比偏压介电常数大很多，电场大于8Kv／cm后，动态介电常数和偏压介电常数的差值随电场增大而减小；电场在3-15Kv／cm之间时，动态压电常数比偏压压电常数大很多，电场小于3Kv／cm或大于15Kv／cm时，动态压电常数和偏压压电常数相差不大。对Nb掺杂的PLZT10／65／35弛豫铁电陶瓷在偏压下介电和压电参敬的回复特性的研究表明，Nb掺杂量越大，回复特性越好，|d_(31)|的剩余值越小。
张天富[2]2018年在《铅基铁电材料氧空位相关的弛豫与铁电储能及电卡效应研究》文中进行了进一步梳理缺陷是晶体材料中常见的一种状态,材料中最具有代表性的缺陷是氧空位(OVs)。OVs作为一种自掺杂(施主或者受主)对于材料的电学特性,尤其是介电性能起着举足轻重的影响。在钙钛矿结构铁电陶瓷材料中,尤其是含铅的陶瓷的制备过程中,OVs的产生是无法避免的,氧缺陷在功能材料的电学特性中扮演着重要角色(如:铁磁性能、介电弛豫特性、阻变特性、光伏效应等)。在高温区域,OVs诱导介电弛豫特性是铁电材料最显著的特性之一。同时,OVs的存在也会影响材料的铁电特性(如:铁电钉扎现象),进而对铁电材料储能特性与电卡效应也有着重要影响。(1)采取高温固相法制备了(Pb,Ba)ZrO3(PBZ)和(Pb,Ba)(Zr,Ti)O3(PBZT)系列陶瓷,研究了 PBZ和PBZT系列陶瓷的介电相变与高温介电弛豫特性,并结合阻抗分析技术对陶瓷的高温介电弛豫现象进行研究。得出结论:Ba含量的增加会降低PBZ和PBZT系列陶瓷FE-PE相变温度,由于铅不可避免的挥发,因此铅基陶瓷在高温烧结的过程中会产生氧空位(OVs)等缺陷,在高温区域,OVs将获得足够的能量而产生跃迁行为,进而出现高温介电弛豫现象。结合电导拟合计算结果,研究表明OVs的短程跃迁会导致高温介电弛豫行为,而双电离OVs的长程跃迁行为会增加材料的导电特性。(2)研究了 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)、PbZrO3-SrTiO3(PSZT)陶瓷和PbZrO3(PZ)薄膜的弛豫相变、铁电储能等电学性能。PMN-PT和PSZT陶瓷均表现出明显的弥散相变行为。通过对PMN-PT和PSZT陶瓷铁电电滞回线进行拟合计算,得到了其室温下的最大储能密度分别是0.47和0.46 J/cm3。同时随着电场强度的增加,储能密度和能量损耗密度会呈现出明显的增加趋势;随着温度的增加,PSZT陶瓷储能密度和损耗密度则呈现出减少的趋势,储能效率基本保持不变。对于PZ薄膜,研究了 PbZrO3薄膜的铁电特性以及介电调谐特性,我们在3层厚度的PbZrO3薄膜中观察到了 AFE双电滞回线曲线,其储能密度约25.25 J/cm3,储能效率约为62%。(3)研究了 0.76Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.24PbTiO3(PMN-24PT)单晶和(Pb,La)TiO3(PLT)陶瓷的弛豫行为及电卡特性。我们通过理论计算研究了 PMN-24PT单晶不同温度下的介电相变与铁电特性,根据麦克斯韦关系理论计算得到PMN-24PT单晶最大的电卡效应(绝热温变AT)为0.8 K。对于PLT陶瓷的,我们采取理论与实验相结合的手段开展,我们通过理论计算得到的PLT20陶瓷的电卡效应最大值约1.67K,与此同时,我们的直接测试结果也显示最大值是1.67K,理论结果与实验结果十分接近。(4)研究了 Nb掺杂SrTiO3(Nb:STO)单晶的阻变特性。结果表明:1、当选取两个不同的顶电极Au和Ag作为测试电极的时候,Nb:STO表现出典型的阻变特性,并且该阻变特性优异;2、当选取两个相同的顶电极Au作为测试电极的时候,器件表现出二极管特性;3、当顶电极和底电极都选取Ag作为测试电极的时候,Nb:STO表现出具有对称性的选择器特性;4、当底电极和顶电极分别选取选取Ag和Au作为测试电极的时候,得到非对称的选择器特性曲线。最后我们用Ag原子相关的导电丝模型成功的解释了该现象。(5)制备了高频率压电传感器并对其应用开展研究。选取LiNbO3单晶作为压电材料,探头聚焦深度6.5 mm,我们测试了压电传感器阻抗和脉冲回波特性,发现其结果与我们设计拟合的结果十分接近,我们测试结果表明探头的中心频率是75 MHz,带宽是92%。最后我们通过扫描猪眼睛来检测探头的成像能力,结果表明探头性能良好。
蔡志宏[3]2016年在《掺镧锆钛酸铅铁电厚膜陶瓷的电卡效应研究》文中指出制冷技术在当今的人类活动中有着极其广泛的应用。一百多年以来,蒸汽压缩技术作为主流制冷技术对推动人类文明发展发挥了巨大的作用。但是,由于压缩机工作时诸如摩擦、泄漏、有害传热等因素的存在,压缩机实际工作效率难以达到卡诺循环效率的50%,并且压缩机所用的冷媒为氟利昂或氯氟烃,这些气体易泄漏破坏臭氧层,弱化臭氧层对紫外线的过滤作用,不仅会引起全球性的温室效应,还会增加人类皮肤癌的发病几率,威胁人类的公共健康。随着能源、环保问题的日益突出,使蒸汽压缩技术面临严峻挑战,亟需探索一种高效、环保的制冷技术。本论文以有望取代蒸汽压缩制冷的铁电材料电卡效应制冷为研究对象,选取铁电材料中较为典型的掺镧锆钛酸铅(PLZT)陶瓷,研究其陶瓷厚膜中的电卡效应。电卡效应是指在极性电介质材料中由于外电场的改变引起的极化状态改变而产生的绝热温变和等温熵变。在掺杂改性的PZT陶瓷中,镧异价取代铅获得PLZT陶瓷,使得具有优异的介电、压电、热释电和电光性能,电导率和相变温度可以通过变化组分或添加杂质的方式加以调整,是一种理想的电卡材料。采用厚膜工艺制备的铁电电卡器件可以承受大的电场而不被击穿,同时厚膜器件具有工作电压低、使用频率范围宽的优点,能够与半导体集成电路工艺相兼容,有望产生优异的电卡效应。本文利用PbO、La2O3、ZrO2口Ti02等氧化物在高温下固相合成PLZT粉体,再通过流延成型工艺制成生坯膜并在合适的条件下进行烧结制备陶瓷,如何减小流延过程中浆料的气泡浓度以及制备厚度更小的坯膜是本文研究的一个重点。在此过程中,通过x射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等分析表征手段来监测样品中相的组成演变、陶瓷致密度与晶粒大小的变化以及晶界结构、晶界夹杂物等。随后利用介温测试装置、铁电测试系统对样品进行了电性能测试,得到了介电温谱、介电损耗、电滞回线结果,并得到PLZT8/65/35的电卡效应值,结果表明该材料有着优良的电卡效应(室温293K下,△S=1.08J/(kg·K),△T=0.96K)。本文最后通过制备PLZT11/70/30和PLZT7/82/18铁电陶瓷厚膜,并进行相关性能测试,进一步探索弛豫型铁电体和反铁电体的相变机制和电卡效应,结果表明PLZT11/70/30在423K的温度下ΔT=2.21K,而PLZT7/82/18在414K下ΔT=1.04K。为了寻求最佳的烧结曲线,本文以冷等静压压力、烧结温度、保温时间为变量设计了不同的烧结方案,探索了提高PLZT厚膜陶瓷致密度的工艺参数。利用SEM等测试手段,对不同方案的成品进行比较,结果表明进行冷等静压预处理、提高烧结温度、延长烧结时间等都是获得有高致密度PLZT陶瓷有效的方法。致密性良好的陶瓷成品能减小漏电流的影响,提高其铁电性能。
杨锋[4]2010年在《铁电薄膜与隧道结存储器件性能模拟及失效机理研究》文中研究表明本论文重点研究了铁电薄膜与隧道结存储器件的性能模拟及失效机理。从铁电薄膜的制备、最基本的电极化性能测量进行展开,详细讨论了极化开关相关理论及其在存储器件方面的应用,如铁电薄膜及其存储器件的印记、疲劳失效分析,超薄薄膜铁电、多铁性隧道结在新型多逻辑存储器件方面的应用等。建立了铁电电容模型,并用来分析铁电薄膜的电学性能以及与应用相关的失效性能；还提出了新型八逻辑器件的概念,该种器件有望成为存储器件领域的终极目标。具体工作主要包含以下六个方面：1、采用化学溶液沉积方法(CSD)在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备出Nd3+/V5+复合掺杂钛酸铋薄膜(Bi4-xNdx)(Ti3-yVy)O12,简记为BNTV,研究了钕掺杂含量对BNTV薄膜铁电性及其电学性能的影响。用X射线衍射确定薄膜样品的成分及结晶程度,分别测量了BNTV薄膜的电滞回线(P-E)、漏电流特性(I-V)和电滞回线-频率依赖关系。结果表明退火温度为7500C时制备的BNTV薄膜在钕含量x=0.25处,得到了较大的剩余极化强度(2Pr=56μC/cm2)。但是过量或不足钕掺杂含量都使剩余极化强度明显降低。分析了BNTV铁电薄膜的漏电流机理,发现随着钕含量的增加薄膜漏电流呈现数量级的减少,而且薄膜样品的导电机制也发生了明显的变化。由于钕含量的变化会改变薄膜的空间电荷、氧空位数量或引起晶格畸变,因此控制适度的钕掺杂量可制备出具有优良电学性能的BNTV薄膜。2、基于偶极子开关理论,通过对薄膜中偶极子沿着外加电场的统计分布函数进行积分,建立了一个可以用来描述钙钛矿型铁电薄膜的电滞回线的解析模型。该模型改进了经典的Preisach方法,并修正了由积分近似值引起的分布函数蝴蝶曲线的缺陷。采用分布函数积分(DFIM)方法进行数值计算,仅用较少的几个参数,方便、准确地模拟了不同测试条件下测得的BaTiO3 (BTO), Pb(Zrx,Ti1-x)O3 (PZT)-基,(Bax,Sr1-x)TiO3 (BST)和铋层状钙钛矿(bismuth layer structured ferroelectric, BLSF)等多种铁电薄膜的电滞回线,且与实验测量数据符合得非常好。该模型还可以预测在非传统测量条件下测得的非对称电滞回线。该模型的数学描述简单较容易与电子设计软件相结合,可用于铁电电容的小信号模拟,对铁电存储及可调性器件的电路模拟与理论研究具有较好的应用价值。3、发展了一个适用于ABO3钙钛矿型铁电膜的非线性本构模型,该模型可以给出连续光滑的电位移曲线和应变蝴蝶曲线。该模型基于改进的Preisach理论,采用分布函数积分方法(DFIM),并且通过使用tanh函数替代了arctan函数将其改进。改进的模型呈现了非常完美的电位移曲线和应变蝴蝶回线的形状,并且与实验进行对比证明了该模型的正确性。该模型考虑了历史电场效应,使用它可以非常方便地定量地模拟电位移曲线和纵向、横向应变蝴蝶曲线。另外,加入本征缺陷和注入电荷的影响,该模型详细模拟了在正电荷、负电荷和没有空间电荷时的镧掺杂锆钛酸铅(PLZT)铁电膜中电学属性,成功再现了实验上观察到的疲劳和印记效应。该模型抓住了铁电滞回线和应变蝴蝶曲线非线性响应的主要特征,对分析铁电薄膜的疲劳和印记等失效行为具有一定的指导意义。4、结合氧空位电迁移理论、电荷注入机制和局部相分解模型,我们提出了用来解释钙钛矿结构铁电薄膜介电疲劳和极化疲劳的解析模型。该模型再现了不同电压、温度和载荷频率作用下多种钙钛矿结构铁电薄膜的疲劳行为。基于该模型,我们认为铁电薄膜中电疲劳的本质原因是因为铁电薄膜内发生了局部相分解,产生了杂质相而引起的。而局部相分解与较早发表的文献中提到的各种各样的疲劳因素存在着直接或间接的关系。通过分析,我们初步总结了铁电薄膜疲劳现象的本质原因。5、基于考虑了场效应晶体管铁电存储器件栅极结构中近栅电极界面死层的多层模型,我们模拟了MFIS-FET器件中ID-VG关系回线的不规则偏移和变形。该模型给出的结果与实验中观察到的结果相吻合,从某种程度上反映出了该现象背后的物理机制。随后基于第三章发展的Preisach模型及电流连续条件,我们分析了铁电薄膜电容极化强度的印记失效。值得一提的是薄膜内空间电荷区域的存在也可以通过等效为界面死层的方法来分析。铁电薄膜与电极之间相互作用形成的非铁电界面层与空间电荷区等效界面层统称为有效死层,该层及其厚度比的变化是与薄膜的失效以及介电分布的不均匀性相关联的。通过本文的模拟和讨论,指出该有效死层效应能够解释器件中ID-VG关系回线以及薄膜的极化曲线的电压偏移效应,这是印记失效产生的重要原因之一。6、基于多铁性材料隧道结的概念,首次提出了八逻辑态存储器件的概念并通过组合一多铁性材料隧道结和磁电薄膜,设计了新型存储器件结构。器件中的磁电薄膜可以通过施加外电场控制其内部的磁极化结构。采用了格林函数方法进行计算,结果显示在磁电薄膜中可以实现电场控制磁极化开关,这种磁电效应可以考虑弹性耦合相互作用来进行解释。通过组合自旋滤波效应和电极屏蔽电荷效应,该模型能够给出八个不同的逻辑阻态。使用一考虑了自旋滤波效应和极化电荷屏蔽效应的单电子隧穿模型,我们计算了该存储器件的八个隧穿电阻态,并且总结了控制八逻辑态的规律：电导率对电极化强度、交换分裂能、势垒宽度和偏置电压的依赖关系。我们的模型和计算都证明了极有可能实现八进制逻辑数据存储,即用八个不同的逻辑态来进行八进制编码。这将极大地增加存储器单位面积的存储容量。
参考文献：
[1]. PLZT和PBZT弛豫铁电陶瓷偏压压电效应的研究[D]. 伍建新. 华南理工大学. 1999
[2]. 铅基铁电材料氧空位相关的弛豫与铁电储能及电卡效应研究[D]. 张天富. 广东工业大学. 2018
[3]. 掺镧锆钛酸铅铁电厚膜陶瓷的电卡效应研究[D]. 蔡志宏. 广东工业大学. 2016
[4]. 铁电薄膜与隧道结存储器件性能模拟及失效机理研究[D]. 杨锋. 湘潭大学. 2010