(1-x-y)BiFeO3-xPbFe0.5Nb0.5O3-yPbTiO3陶瓷的晶体和晶粒结构、介电和压电性能

研究背景

具有共存电、磁或弹性有序性的多铁性材料因其广泛的可能应用，包括交变和磁场传感器、存储元件和自旋电子器件的生产，目前是材料科学中研究深入的对象之一。铌铁酸铅是一种众所周知的多铁体，具有钙钛矿型结构，具有一般的化学式，在T_C~370 K时从顺电（PE）到铁电（FE）相的扩散相变。FE和反铁磁（AFM）有序仅在TN~120-150 K以下共存，其中TN是Neel温度。铋铁氧体BiFeO₃（BF）也是多铁性的，具有T_C~1103 K、TN~643 K和在[110]方向具有非公度摆线磁序的G型反铁磁性。这两种材料目前被认为是许多磁电结构的基础。然而，它们广泛使用受到几个因素的限制。对于铋铁氧体而言，在单相状态下获得BF和铁电畴重新定向所需的极高矫顽电场（EC）是很困难的。此外，PFN和BF的特点是，由于其结构中存在变价离子（Fe²⁺/Fe³⁺）和氧空位，电导率增加。然而，基于BF或PFN的改性或固溶体的产生使得稳定结构和改善所获得陶瓷的特性成为可能。长期以来，二进制系统基于多铁性一直是人们积极研究的课题，（1-x）BiFeO₃-xPbTiO₃体系受到了广泛关注。钛酸铅PbTiO₃（PT）的引入稳定了钙钛矿相，并在x~0附近形成了一个晶型相界（MPB）。在该区域，（1-x）BFxPT系统显示出相当高的压电特性，但同时保持较高的导电性。在这方面，近年来，通过创建基于BF和PT的三元系固溶体来获得新的多铁性材料受到了相当大的关注。有希望的体系之一是（1-x-y）BF-xPFNyPT三元体系，根据文献数据和我们的初步研究，其中存在具有共存的菱形（Rh）和四方（T）相的MPB。众所周知，具有MPB的材料可以表现出极端的性能，并改善所研究陶瓷的电生理特性。之前发现在具有高PFN浓度（成分0.25BF-0.63PFN-0.12PT）的相图区域，该系统的样品表现出相对较高的压电活性（高达350 pC/N），并在相对较低的矫顽场下表现出较高的剩余极化值。在这方面，重要的是建立三元系（1-x-y）BF-xPFN-yPT样品在高PFN含量相图区域的结构、微观结构、介电和压电特性的形成规律。

摘要亮点

准二元浓度段陶瓷(x=0.50, 0.1≤y≤0.2, Δy=0.025) 三元固溶体体系(1-x-y)BiFeO₃-xPbFe_0.5Nb_0.5O₃-yPbTiO₃是采用常规固相反应法制备的。利用x射线衍射技术，构建了该体系的相图，其中包括立方对称区和四方对称区，以及它们之间的晶型相界。研究了所选固溶体的晶粒形貌、介电和压电性能。获得了高压电系数d₃₃=260pc/N。陶瓷的介电特性揭示了铁电弛豫行为，即在350‑500K的温度范围内，从顺电相到铁电相的扩散相变区域。