新型弛豫铁电单晶体Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3的形貌与缺陷结构

采用改进的Bridgman法生长出了尺寸达 2 5mm× 2 5mm× 5 0mm的透明的、压电性能十分优异的弛豫铁电单晶体Pb(Mg1/ 3 Nb2 / 3 )O3 PbTiO3 ,其为纯钙钛矿相的三方或四方结构 .这些单晶主要显露 {0 0 1 }面 ,而 [1 1 1 ]方向的生长速度相对较快 .可以利用负离子配位多面体生长基元理论模型解释PMNT单晶的形貌特征与生长习性 .在光学显微镜和SEM下观察到了散射颗粒、气泡及负晶结构等宏观缺陷 .在对结构缺陷形成机制研究的基础上 ,通过调节生长参数 ,可以减少或消除这些缺陷 .用光学显微镜对三方相单晶的 71°或 1 0 9°电畴、四方相单晶的 90°电畴进行了观察 ,发现微畴 宏畴转变可由成分诱导并存在过渡区 ,分析了电畴结构的形成机理及与铁电相变的关系 .     

Pr/Nb共掺Bi_4Ti_3O_(12)铋层状陶瓷的光致发光与电性能研究

Bi_4Ti_3O_(12)是一种兼具有高居里温度和高电阻率的铋层状结构压电材料.本文利用Pr~(3+),Nb~(5+)分别对其A位Bi~(3+)和B位Ti~(4+)进行掺杂改性,采用传统固相法制备了Bi_(4-x)Pr_xTi_(2.92)Nb_(0.08)O_(12)(BITN-xPr,0≤x≤0.1)陶瓷,通过控制Nb~(5+)离子的量不变,调节Pr~(3+)离子的浓度来研究不同稀土离子掺杂量对Bi_4Ti_3O_(12)陶瓷的结构形貌、光致发光、介电以及铁电压电性能的影响.经X射线衍射(XRD)测试表明所有样品都具有单一正交相结构,且扫描电子显微镜(SEM)显示陶瓷具有层状形貌特征,拉曼光谱表明Pr~(3+)离子取代钙钛矿层的A位Bi~(3+)离子,导致TiO6八面体发生扭曲.通过蓝光和紫外激光对Bi_(4-x)Pr_xTi_(2.92)Nb_(0.08)O_(12)陶瓷进行激发,可获得红色发光,使其有望作为红色荧光粉应用于蓝色基的白光LED照明.随着Pr浓度的增加,红色发光强度呈现出先增强后减弱的规律,居里温度表现出小幅度下降;另外,陶瓷的压电铁电性能均得到一定程度的改善,以上结果表明Bi_(4-x)Pr_xTi_(2.92)Nb_(0.08)O_(12)陶瓷是一种兼具铁电压电以及光致发光性能的多功能材料.     

新型弛豫铁电单晶体Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- PbTiO3的形貌与缺陷结构

采用改进的Bridgman法生长出了尺寸达25 mm×25 mm×50　mm的透明的、压电性能十分优异的弛豫铁电单晶体Pb(Mg     

微波快速烧结对弛豫铁电陶瓷显微结构与性能的改善

研究了 2 45GHz多模腔微波烧结系统对组成为xPb(Mg1/3 Nb2 /3 )O3 yPb(Zn1/3 Nb2 /3 )O3 zPbTiO3 的弛豫铁电陶瓷快速均匀烧结过程 .与常规烧结相比 ,微波烧结可显著提高致密化速率 .同时细化晶粒、晶界 ,改善材料显微结构 ,从而大幅度提高材料的击穿场强和断裂强度 ,并达到与常规烧结相近的介电常数 .研究结果表明对于弛豫铁电陶瓷微波烧结比其他陶瓷材料更有利于显微结构和性能改善     

相界附近Pb(Zn1/3Nb2/3)O3PbZrO3PbTiO3固溶体的介电性能

通过对相界附近的Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3(PZN-PZ-PT)固溶体的介电性能研究发现,在介电峰附近所有样品的介电-温度关系曲线都具有弛豫性相变特征;Zr/Ti比的变化对介电温度特性曲线有重要影响,随着Zr/Ti比的增加,其弛豫程度明显增加;菱方相区的样品在测量温度范围内都呈现典型的弛豫型铁电体特征;对四方相区的样品而言,在低于介电峰值温度的某一临界温度时,发生了正常铁电体-弛豫铁电体自发相变,利用热激发电流证明了该正常铁电体-弛豫铁电体自发相变的存在.透射电子显微分析表明四方相样品具有典型的90°宏畴形貌,而菱方相区的样品则具有纳米尺寸的微畴形貌.     

相界附近Pb（Zn1／3Nb2／3）O3—PbZrO3—PbTiO3固溶体的介电性能

通过对相界附近的Pb(Zn1/3 Nb2 /3 )O3 PbZrO3 PbTiO3 (PZN PZ PT)固溶体的介电性能研究发现 ,在介电峰附近所有样品的介电 温度关系曲线都具有弛豫性相变特征 ;Zr/Ti比的变化对介电温度特性曲线有重要影响 ,随着Zr/Ti比的增加 ,其弛豫程度明显增加 ;菱方相区的样品在测量温度范围内都呈现典型的弛豫型铁电体特征 ;对四方相区的样品而言 ,在低于介电峰值温度的某一临界温度时 ,发生了正常铁电体 弛豫铁电体自发相变 ,利用热激发电流证明了该正常铁电体 弛豫铁电体自发相变的存在 .透射电子显微分析表明四方相样品具有典型的 90°宏畴形貌 ,而菱方相区的样品则具有纳米尺寸的微畴形貌 .     

自形成点接触PERC太阳电池

传统钝化发射极背接触(PERC)太阳电池采用原子层沉积(ALD)法在电池背面形成全覆盖氧化铝(Al_2O_3)钝化层,但由于Al_2O_3的介电特性,需在后续工艺中通过激光开槽去除部分钝化层,形成部分金属化部分钝化层的背表面结构,本文采用旋涂法制备Al_2O_3薄膜作为PERC太阳电池的背表面钝化层,实现了自形成点接触的背表面结构,即金字塔表面和底部具有钝化层覆盖,金字塔顶部没有钝化层覆盖,从而无需使用激光开槽工艺即可完成PERC电池的局部钝化和金属化.进一步发现,这种天然形成的点接触具有优良的电学接触特性,在同样的工艺条件下,获得了比全背金属接触电池略高的填充因子(FF),不同于常规PERC电池FF低于全背金属接触电池的情况.此外还发现自形成点接触Al_2O_3钝化层兼具有背反射层的功能,通过对SiN_x/Si/Al_2O_3/Al结构反射率的测试,直接证明了背钝化层可以增强长波区太阳光的内反射.电池的开路电压(V_(oc)),短路电流密度(J_(sc))均有提升,转换效率(η)提高约1%.     

三掺杂化学计量比钽酸锂晶体的非挥发光存储性能

采用顶部籽晶助熔剂法生长了三掺杂近化学计量比Mg:Fe:Mn:Li Ta O3晶体,通过红外吸收光谱和居里温度研究了晶体缺陷结构.以蓝色激光为光源,获得了优异的光折变性质;采用多波长技术,研究了单晶的非挥发全息存储性能,得到了较高的固定衍射效率和灵敏度.蓝光具有较高能量,足以激发深(Mn)浅(Fe)陷阱中心的空穴,这大大提高了蓝光光折变性质和非挥发存储能力.在蓝色激光下,Mg2+不再是光损伤离子,而可以提高光折变特性.采用476 nm激光记录光栅,633 nm激光读取,在2.0 mol%Mg2+掺杂的晶体中获得了62.5%的固定衍射效率,非挥发全息存储的灵敏度提高到0.335 cm/J.     

高电场下弛豫铁电体的场致效应

弛豫铁电体在热释电、介电、电场调制微波器件和电致伸缩器件方面有着广泛的应用.这些应用均涉及电场的作用.因电场会导致极化强度增大,并连续地延伸到顺电相,从而产生了电场诱导效应.用弯曲近似法对极化强度在电场作用下随温度的连续变化做近似,得到了介电系数峰值在高场下随电场2/3次方的变化规律.与介电峰在电场作用下移动的实验结果基本一致.理论数值模拟发现:存在一个与热力学参量相关的极化温度系数,其值越大,场致介电移峰效应越小,且热释电系数越大;反之,如果场致介电移峰效应越大,电场调制微波器件的介电可调性及可调性的温度稳定性会越好.上述研究结果对掺杂改性研究微波器件的介电可调性和热释电性有一定的参考作用.     

PT/PZT/PT铁电薄膜的电畴结构与极化保持特性

用Sol-Gel法制备出了具有良好铁电性、纯钙钛矿结构的PbTiO₃/Pb (Zr_0.3Ti_0.7)O₃/PbTiO₃铁电薄膜. 在扫描力显微镜的压电响应模式下, 薄膜电畴压电响应的振幅像和相位像都表现为亮暗(黑白)和灰度衬度. 其复杂的畴衬度可归因于晶粒的结晶取向和畴排列所致. 对于亮暗衬度区域, 对应着极化方向相反的c畴. 灰色衬度区域对应着偏离膜平面垂直方向的c畴. 电场力响应模式下经12 V极化后测得的表面电势图显示, 电畴取向极化后, 薄膜表面将俘获正电荷. 这些俘获的正电荷, 使薄膜表面这一区域呈高电势的亮区. 在不同时间测得的表面电势图和表面电势线扫描信号可看出, 表面势将随着时间的变化而降低, 且强电场极化的区域, 15 min内表面电势下降迅速; 弱场极化的区域表面电势变化缓慢. 说明薄膜的极化保持特性与极化场强有密切的关系, 在合适的电场下, 薄膜极化后将会有较好的保持特性.     

铈钛氧化物介孔毫米球的制备及其催化臭氧氧化特性与机理

开发兼具高催化活性和优良流体力学与传质性能的催化剂对发展高效水处理臭氧氧化技术具有重要意义.本研究开发了以廉价无机金属盐为原料的前驱体溶胶预混-海藻酸水凝胶球模板法,实现了Ce-Ti双金属氧化物介孔毫米球催化剂的经济制备.通过N_2吸附-脱附、XRD、XPS、SEM-EDS、TEM-SAED、拉曼光谱、NH_3-TPD等手段对制备的催化剂进行系统表征,考察Ce/Ti摩尔比和煅烧温度对催化剂结构和催化活性的影响,探究其催化臭氧氧化的特性与机理.结果表明无定形材料催化活性高于晶型材料,催化活性与表面酸性位点密度呈正相关,阐明了羟基自由基为该材料催化臭氧氧化的主要活性物种.优选的Ce_(0.5)Ti_(0.5)O_2介孔毫米球具有高比表面积(199 m~2g~(–1))、适宜的介孔结构(平均孔径3.59 nm),富含Ce–O–Ti键活性位点,催化臭氧氧化活性高,可在90 min内将100 mg L~(–1)草酸几乎完全矿化(99%),连续5轮重复实验后催化活性无明显降低,呈现出优异的催化稳定性.另外, Ce_(0.5)Ti_(0.5)O_2介孔毫米球催化臭氧氧化降解双氯芬酸等四种污染物的矿化率相比无催化剂臭氧氧化提高18.7%～54.0%,展现出优良的应用前景.     

有机非线性光学晶体DAST及其在太赫兹领域的应用研究进展

主要介绍DAST晶体的基本结构和物理性能参数,几种不同生长方法及基于有机DAST晶体通过光学差频法产生THz波.重点研究了基于DAST晶体利用光学差频法产生太赫兹(THz)波过程中,泵浦光源的双波长调谐范围及光束质量对THz调谐范围及转换效率的影响,及其利用光整流法产生THz波的过程中,泵浦光(飞秒激光的波长、脉冲宽度和能量)对THz脉冲输出能量和转换效率的影响.综合分析影响THz辐射性能的因素及其获得大尺寸高质量晶体的主要挑战.本课题组在系统分析利用自发成核、斜板、籽晶和双温区法生长晶体优缺点的基础上,利用自发成核结合顶部籽晶法生长出高质量、尺寸为25 mm×22 mm×2 mm的晶体.下一步计划从晶体生长和泵浦光束的质量两方面改善THz输出能量及光-THz波转换效率.     

海胆状α-Fe_2O_3纳米材料的制备与电化学性能

采用葡萄糖引导水解-热处理工艺,通过调节热处理温度制备了不同形貌和结构的海胆状α-Fe_2O_3,并研究了其电化学特性.结果表明,改变热处理温度可有效地调节产物的结构和电化学性能.在300℃热处理获得由梭形纤维束组成的海胆状α-Fe_2O_3电极材料具有高的初始放电容量(1475.0mAhg~(-1),这明显高于700℃热处理获得由高结晶度的纳米棒组成的低比表面积的海胆状α-Fe_2O_3电极材料的931.2mAhg~(-1).这是由于低结晶度、高比表面积和有序的双模式孔有益于电解液的吸附和锂离子的传输,使电化学反应活性提高.     

溶剂热法合成Sn(Pb)Te-Bi2Te3系热电材料及其性能研究

通过溶剂热-冷等静压成型-常压烧结工艺制备了准二元Sn(Pb)Te-Bi₂Te₃块体热电材料. 研究了前驱粉体的合成方法、生成机理及块体材料的显微结构和热电性能.     

La和Nd掺杂的硅基Bi_4Ti_3O_(12)铁电薄膜的无疲劳特性及其机理的比较研究

采用优化的溶胶-凝胶(Sol-gel)技术,同一工艺条件下在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上成功地制备了Bi3.25La0.75Ti3O12(BLT)和Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)铁电薄膜.X射线衍射(XRD)测试表明BLT和BNT薄膜具有单相的取向随机的多晶微结构;扫描电镜(SEM)的观测显示了这些薄膜具有50~100nm晶粒构成的均匀致密的表面形貌.利用铁电测试仪测定了以Cu为上电极而形成的金属-铁电薄膜-金属结构的电容器的铁电性能,得到了很好的饱和电滞回线.在最大外加场强为400kV/cm时,BLT和BNT薄膜的剩余极化强度(2Pr)和矫顽电场(2Ec)分别为25.1μC/cm2,203kV/cm和44.2μC/cm2,296kV/cm.疲劳测试表明,在1MHz频率测试下经过1.75×1010次读写循环后,由BLT和BNT薄膜组成的电容器几乎没有表现出疲劳,呈现很好的抗疲劳特性.分析比较了La和Nd掺杂对薄膜结构及铁电性能的影响及其机理.     

Sol-gel法制备Bi3.25La0.75Ti3O12铁电薄膜及其性能

采用Sol-gel法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了Bi3.25La0.75Ti3O12 (BLT)薄膜.制备的BLT薄膜具有单一的钙钛矿晶格结构,而且表面平整致密.对700℃退火处理的BLT薄膜进行了铁电性能、疲劳特性和漏电流测试: 在测试电压为10 V时,剩余极化值2Pr大约是18.6 μC/cm2,矫顽电压2Vc大约为4.1 V;经过1×1010次极化反转后,剩余极化值下降了大约10%;漏电流测试显示制备的BLT薄膜具有良好的绝缘性能.室温下,在测试频率1 kHz时,薄膜的介电常数为176,介电损耗为0.046.     

硅酸镓镧晶体上优化的压力敏感切向

硅酸镓镧晶体良好的温度特性、相对大机电耦合系数以及高温稳定性等特点,使得利用其制作高温压力传感器具有独特的优势.为了研究SAW谐振频率与外界压力扰动的关系,在相对于参考状态的LAGRANGE坐标描述下,结合叠加偏载的电弹方程和一阶微扰方程,将偏载和扰动引起的机械弹性扰动和压电项同时考虑在内,得到了适用于强压电性基片,常温或高温情况下的通用声表面波压力敏感模型.提出了研究声表面波压力传感器敏感基片优化选择的基本准则和需要综合考虑的性能指标(高机电系数和低温度延迟系数).全面分析了三旋硅酸镓镧压电晶体上分别适用于常温和高温条件下的声表面波压力传感器使用的优化切向.其中,适合常温SAW压力传感器使用的优化基片切向:?1:Φ=0°~0.6°,Θ=144.4°~145.8°,Ψ=23.2°~24.1°;?2:Φ=59.4°~61°,Θ=34.2°~36.2°,Ψ=24.1°~22.3°;?3:Φ=119°~120°,Θ=143.8°~145.5°,Ψ=22.3°~23.5°.适合高温SAW压力传感器应用的基片优化切向:Ⅰ:Φ=8°~30°,Θ=24°~36°,Ψ=4°~25°;Ⅱ:Φ=30°~55°,Θ=144°~158°,Ψ=4°~28°.利用(0,150°,22°)和(0,90°,0)两种切向进行了实验验证,证明理论计算结果与实验值吻合.     

亚微米PZT阵列制备及铁电性能研究

采用感光溶胶-凝胶法, 在ITO/石英基板上制备了具有紫外感光性的PZT前驱溶胶及凝胶薄膜. 利用薄膜自身的感光性, 采用He-Cd紫外激光双光束干涉和二次曝光工艺, 结合有机溶剂溶洗和600℃, 15 min热处理, 制备了点阵周期为1 μm, 阵列格点尺寸为480 nm×480 nm×40 nm的PZT薄膜阵列. 并将原子力显微镜(AFM)和铁电测试仪联用, 采用具有导电涂层的探针, 通过扫描获得铁电阵列的三维图像. 据此图像, 把探针定位于特定的微小格点上, 由铁电仪通过AFM探针提供电压, 并经探针将测试信号反馈给铁电仪, 以获得格点的电滞回线. 结果表明, 亚微米量级的PZT阵点随外电场的变化可以实现极化反转, 表现出明显的铁电特性.     

Au／PZT／BIT/p-Si结构铁电存储二极管存储特性

采用脉冲激光沉积方法(PLD)制备了Au/PZT／BIT／p-Si结构铁电存储二极管.对其铁电性能和存储特性进行了实验研究.铁电性能测试显示较饱和的、不对称的电滞回线,其剩余极化和矫顽场分别约为15 μC／cm^２和48 kV／cm; 10^９次开关极化后剩余极化和矫顽场分别仅下降10%和增加12%;观察到源于铁电极化的CV和IＶ特性回线;电流密度+4 V电压下为6.7×10^-8 A／cm²; 在+2 V的读电压下,读“1”和读“0”电流有0.05 μA的明显差别;保持时间达30 min以上.     

LaNiO3底电极上Bi4Zr0.5Ti2.5O12薄膜的制备及性能

利用Sol-gel法在p-Si(111)衬底上制备了LaNiO₃底电极, 再利用Sol-gel法在LaNiO₃底电极上制备出Bi₄Zr_0.5Ti_2.5O₁₂(BZT)铁电薄膜, 对其微观结构和电学性能进行了研究. 利用X射线衍射仪、原子力显微镜和扫描电镜观测其微观结构, 发现制备的BZT薄膜具有单一的钙钛矿晶格结构, 并且薄膜表面晶粒尺寸均匀, 结晶情况良好. 对Pt/BZT/LaNiO₃电容结构进行了铁电性能研究, 在测试电压为25 V时, 2Pr和2Vc分别达到28.2 μC/cm²和14.7 V; 经过1×10¹⁰次极化反转后, 剩余极化值下降了大约13%; 室温下, 在测试频率1 kHz时, 薄膜的介电常数为204, 介电损耗为0.029; 漏电流测试显示制备的BZT薄膜具有良好的绝缘性能; C-V曲线为顺时针方向回滞, 存储窗口大约为3.0 V, C-V特性测试显示这种Pt/BZT/LaNiO₃结构有望实现极化型存储.