铋层状结构材料的掺杂研究+文献综述(2)
图1 铋层状结构示意图
这种层状排列的结构方式有很多其他陶瓷所没有的结构性能的优良特点，比如居里温度高，介电常数低等，这在铁电存储器领域是很好的性能，很有研究价值。但是这类陶瓷存在两个不足：首先是由于晶体结构特性决定其压电活性低，而压电性能是陶瓷电性能一个重要的部分；其次是Ec比较低，极化比较困难，有研究表明这点可以通过高温时候进行极化来进行改良其特性。
1.2 铋层状共生铁电体研究进展
鉍层状结构化合物的化学通式是(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-，这种层状排列的结构方式性能优异，但传统的工艺制备技术使得其压电活性低。当通式中的A元素为Bi3+离子，B元素是T4+离子时，这个时候的结构通式就演化为Bi4Ti3O12，也就是我们大家熟悉的BTO陶瓷。BTO陶瓷的铁电性的发现可以追溯到1961年，它的居里温度是675℃。温度比Tc温度高时，是四方晶系顺电相，温度比Tc温度低时，是单斜晶系点群铁电相。BTO陶瓷的矫顽场强度低，自发极化强度高。但是BTO难以烧结，为了得到致密的BTO陶瓷，需要采用热压烧结。[11]
单晶BFO晶体，在空间结构上属于R3C空间群，具有菱方钙钛矿的结构。室温下单胞菱形钙钛矿结构的BFO晶体会在（111）方向出现自发极化，这是立方结构的定向拉伸导致的。这种结构产生不对称性的原因是由于Bi3+离子相对于Fe-O八面体发生位移形成的。作为一种无铅多铁陶瓷，BF0由于具有较高的居里温度（~850℃）和尼尔温度（370℃），在室温下可以同时检测到反铁磁性和铁电性，它的理论剩余极化强度值为100uc/cm2。[12]
目前，有学者通过对A位B位同时掺杂改性的方式，来研究CaBi4Ti4O15陶瓷,具体操作是用+3价态的Nd离子和+5价态的V离子对原有的AB位进行替换，试图说明不同掺杂位置及掺杂元素对材料表征性能的影响。实验结果是：A位和B位有着一样的表现，都能够通过降低矫顽场强度、提高剩余极化的手段，达到改善陶瓷压电性能的目的;研究还表明，与B位取代相比较，A位取代的固溶量更高,更容易发生掺杂，产生的陶瓷的电学性能更加优异,它的剩余极化强度Pr值高达20.4μC/cm,压电常数d33值可以高达20pC/N。[13]此外，针对铋层状陶瓷Ca1-x(KLa)x/2Bi2Nb2O9(x=0～0.20)(xKLaCBNO),研究结构分析表明，虽然引入了KLa掺杂，但是没有在本质上改变CBNO陶瓷的微观结构。当掺杂量x=0.1时,样品的高温电阻率会明显升高,压电系数d33将会提升大约3倍左右的数值,居里温度高达870℃，性能得到大幅度提升。如果进一步提高掺杂量,晶粒尺寸就会变得均匀，与此同时，居里温度(Tc)也会下降,峰值介电损耗增大、介电常数减小。这些现象都说明A位(KLa)掺杂改性后，CBNO陶瓷的性能能够得到显著的改善。[14]
制备SBT陶瓷，有学者[15]通过改变La元素不同的掺杂比例来研究其对SBT陶瓷的影响。结果表明：La元素的掺杂，不会对SBT的铋层状结构产生破坏作用[16]。如果我们加大La元素的使用量，那么La元素将会取代不同的位置,并影响邻近TiO6八面体的结构，对其他组织影响不大。[17][18][19]
用传统固相法制(1-x)Bi4Ti3O12-xLiNbO3(BTO-LN,x=0,0.05,0.10,0.15,0.20,0.30)压电陶瓷，研究结果表明:当x≤0.15时，陶瓷是单一的铋层状结构相;样品的晶粒尺寸随x的增加逐渐增大，居里温度Tc呈微弱减小，如果我们进一步加大掺杂比例,那么介电损耗tanδ的变化趋势是先减小后增大，压电常数d33表现出相反的特性,当掺杂量为0.15时，性能最优秀，所以0.15是最合适的掺杂量。[20]
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