铌酸钾和铌酸钡镍复合氧化物材料的制备研究(2)
1.1 铁电材料的介绍
铁电材料，是指具有铁电效应的一类材料，它是热释电材料的一个分支。铁电材料及其应用研究已成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。由于铁电材料具有优良的铁电、介电、热释电及压电等特性，它们在铁电存储器、红外探测器、声表面波和集成光电器件等固态器件方面有着非常重要的应用，这也极大地推动了铁电物理学及铁电材料的研究和发展。[1]
1.2 铁电材料的原理
1.2.1 铁电原理
所谓铁电材料，是指材料的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化现象，其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。铁电材料的这种特性被称为“铁电现象”或“铁电效应”。[2]
铁电现象是在一种名为钙钛矿的材料中发现的，而在它的晶格点阵的离子，是在某一方向上被分离成的正负离子，即其内部产生了一个电耦极子。当外部施加电压时，这些耦极子会在电场作用下排列。耦极子的方向会随电压的方向改变而反转。耦极子的这种可换向性，意着它们可以在记忆芯片上表示一个“信息单元”。而且，这些耦极子会保持在原来的位置不会因为电压的消失而改变。[3,12]
1.2.2 光学原理
电光效应是指铁电体物质在电场作用下显示光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象，电光效应包括泡克耳斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应。[3,4]折射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为Pockels效应或线性电光效应。
由电场所引起的晶体折射率的变化，称为电光效应.通常可将电场引起的折射率的变化用下式表示：
n = n0 + aE0 +bE02+……
式中a和b为常数,n0为不加电场时晶体的折射率。由一次项aE0 引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔(Pokells)效应；由二次项bE02引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应或克尔(Kerr)效应。一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则广泛存在于大多数的物质中，一次效应要比二次效应明显。 光的折射率会因为光在各向异性晶体中传播时,传播方向不同或是电矢量的振动方向的不同而变化。[5,9]
1.3 铁电材料在光伏材料中的应用
光伏效应广泛存在于BaTiO3Pb(Zr Ti)O3等铁电材料中由于较大的禁带宽度铁电材料的光电转换效率通常较低新型铁电材料BiFeO3因其禁带宽度相对较窄人们在这种材料中发现了明显的光伏效应相比单晶块体和外延薄膜材料多晶BiFeO3薄膜因其制备工艺简单成本低等因素在光探测及光电转换等应用方面具有明显优势和潜在前景中科院宁波材料技术与工程研究所李润伟研究员领导的研究组使用溶胶-凝胶法成功地制备了多晶BiFeO3薄膜材料并在这种材料中观察到了显著的光伏效应研究发现使用不同种类的电极材料可以显著地调控光电转换效率,使用透明氧化物电极的ITO/BiFeO3/Pt器件相比使用金属电极的Au/BiFeO3/Pt 器件其光电转换效率增大了25倍 在450 W/cm2的光强和0V偏压下相应的光电流从0.2 pA增加到200 pA 光电导提高了1000倍。该研究结果表明优化电极材料可以显著增大铁电材料的光电转换效率为探索铁电以及多铁性材料在光电器件等相关领域的应用开辟了新的途径相关。[5,7]
1．4 压电陶瓷的研究进展
压电陶瓷材料体系
目前性能较好的无铅压电陶瓷研究体系主要有5类:①钛酸钡(BaTiO3)基无铅压电陶瓷;②钛酸铋钠((Bi1/2Na1/2)TiO3 )基无铅压电陶瓷;③铋层状结构无铅压电陶瓷;④铌酸钾钠锂((K,Na,Li)NbO3)基无铅压电陶瓷等。这些无铅压电材料由于其成分和结构的不同,在压电性能上各有其特点。[6,10]