A位非化学计量比对钛酸铋钠基铁电薄膜的结构和电学性能的影响

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近年来,随着化石燃料等不可再生资源的不断消耗,能源危机日渐突出,其中电介质材料因其快速的充放电过程和较高的功率密度等优点获得研究人员的广泛研究。常见的电介质材料主要有:铁电材料、反铁电材料、弛豫铁电体和线性电介质材料四种。铁电材料凭借其自身优势获得大量研究,其中钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5Ti O3,BNT)基铁电薄膜材料研究较多。主要原因是BNT室温下良好的铁电性能,剩余极化强度高(76μC/cm2)、较高的居里温度(320°C)等。但BNT在高温退火过程中A位的铋、钠元素极易挥发,导致薄膜漏电流大,影响薄膜微观结构和储能密度。本文研究A位非化学计量比的变化对BNT基铁电薄膜中的微观结构和电学性能的影响机制。采用化学溶液沉积法(CSD),在Pt/Ti/Si O2/Si基底上,分别制备Bi0.5(1+x)Na0.5(1+y)T(x,y=0,±5%,+10%)和BNT(1-x)Mnx(x=0,1%,2%,3%)薄膜。利用X射线衍射仪、场发射扫描电镜等手段进行微观结构表征,利用铁电分析仪、半导体特性分析仪等进行铁电性能的测试,通过储能密度计算、脉冲测试系统等进行储能密度以及响应速度的测试等。主要研究内容包括以下两方面:第一:用CSD方法制备了九种不同铋钠含量的Bi0.5(1+x)Na0.5(1+y)(x,y=0,±5%,+10%)BNT薄膜,对其性能进行探究,结果表明:当Na添加不足时,BNT薄膜中会形成可见的杂质相(焦绿石相);而Bi不足的时候,不会产生明显的第二相,说明Na的量对BNT薄膜的影响大于Bi元素的影响;对于纯的BNT薄膜在Bi过量10%,Na过量5%时,BNT薄膜拥有最小的漏电流密度,最高的储能密度(13.05 J/cm3),最大的储能效率(52%)。第二:在上述研究基础上,对BNT铁电薄膜进行B位的Mn掺杂。用CSD方法制备了四种不同锰含量的BNT(1-x)Mnx(x=0,1%,2%,3%)铁电薄膜,通过探究得出以下结论:在B位进行Mn掺杂可以有效的抑制氧空位的产生,减小薄膜的漏电流,增大薄膜的击穿场强(Breakdown Strength,BDS)。当锰的掺杂量为0.02 mol时,漏电最小(10-11A/cm2),BDS最大,为2453.3 k V/cm;通过对四种组分的薄膜进行储能密度的计算,在锰掺杂为0.02 mol时,储能密度最高,为30.75 J/cm3,储能效率为57%。
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