稀土掺杂Bi4Ti3O12（BTO）铁电材料的制备与性能研究(2)
3.2 Bi4-xNdxTi3O12粉体发光性能 21
3.2.1 固相法合成未掺杂Bi4Ti3O12粉体 21
4 结论 25
致 谢 26
参考文献 27
1 绪论
铁电材料是指具有铁电效应的一类材料。铁电材料及其应用研究已成为固体电子学、凝聚态物理领域最热门的研究课题之一。铁电材料具有优良的铁电性能、介电性能、压电性能及热电性能，它们在铁电存储器、集成光电器件、声表面波和红外探测器等固态器件方面有着非常重要的应用，大大地推动了铁电材料的研究和发展[1]。因此，铁电材料方面的研究日益引起人们的重视。
钙钛矿一般为立方体或八面体形状，具有光泽，浅色到棕色。这种材料可以用于提炼钛、铌和稀土元素，当其大量聚集时才有开采价值。钙钛矿是指一类陶瓷氧化物，其分子通式为ABO3；这类氧化物最早被发现，是存在于钙钛矿石中的钛酸钙(CaTiO3)化合物。这类化合物结构上有许多特性，在凝聚态物理方面应用及研究甚广。我们常常以它的分子公式中各化合物的比例(1:1:3)来简称之，又命名为“113结构”。而钛酸铋就是一种含铋的有氧八面体层状结构化合物，它是一种典型的铋层状钙钛矿结构的铁电材料。
稀土元素钕Nd，钕为银白色金属，它是最活泼的稀土金属之一。它在空气中能迅速变暗，生成氧化物。氧化钕（Nd2O3）主要用作玻璃、陶瓷的着色剂，制造金属钕的原料和强磁性钕铁硼的原料。钕元素的到来也活跃了稀土领域，它在这个领域中起着重要的角色，左右着稀土市场。在本文这个实验中，钕元素的掺杂对钛酸铋铁电材料发光性能的研究也是起了重要的决定作用。
1.1 Bi4Ti3O12晶体概述
1.1.1 Bi4Ti3O12晶体结构
含铋层状结构无铅压电陶瓷一般居里温度高（>500℃）、介电常数低（127～154）、机械品质因数 Qm高（2000～7200）、老化特性好、烧结温度较低等特征，适合于制作高温、高频工作条件下的压电元器件。铋层状结构无铅压电陶瓷材料主要可以分为 4 类：(1)Bi4Ti3O12基无铅压电陶瓷；(2) ABi4Ti4O15基无铅压电陶瓷；(3) SrBi2Nb2O9基无铅压电陶瓷；(4)复合Bi 层状结构无铅压电陶瓷。为了将铋层状结构无铅压电陶瓷材料应用于高温条件下使用的传感器，所要求铋层状结构无铅压电陶瓷材料具备高的居里温度和良好的压电性能，为此对Bi4Ti3O12基无铅压电陶瓷作系列研究[2]。
铋系层状钙钦矿结构铁电材料： 这类晶体的通式为(Bi2O2)2+(An-1BnO3n+1)2- ，它一般是由(Bi2O2)2+单元和类钙钦矿(An-1BnO3n+1)2-单元交错构成，此处的A位一般由Ba2+、Ca2+、Sr2+、Bi3+以及其它稀土元素占据,而B位则通常为尺寸更小的阳离子如Fe3+、Ti4+、Ta5+和Nb5+等占有[3]。而Bi4Ti3O12是一种典型的铋层状钙钛矿结构的铁电材料，如图1.1，Bi4Ti3O12的晶体结构是八面体的钙钛矿结构晶体。Bi4Ti3O12常温下属于单斜晶系，钙钛矿结构，当温度高于居里温度675℃时,它将转变为四方相。它具有类似云母的层状结构，中间为一层类似钙钛矿结构的Bi2Ti3O102-层，上下两端为(Bi2O2)2+层。
图1.1 Bi4Ti3O12的晶体结构示意图[2]
1.1.2 Bi4Ti3O12晶体性能
Bi4Ti3O12是一种重要的功能材料，它具有良好的介电性、铁电性、多铁以及光催化性能。Bi4Ti3O12在居里温度所发生的对称性变化非常特殊，在从单斜到四方晶系的转变，表明了Bi4Ti3O12发生相变所需要的能量比较高。Bi4Ti3O12许多有趣的性能源于沿着c轴方向的自发极化Pc，且Pc对应着一个独立于主极化Pa的矫顽电场Ec。Bi4Ti3O12在Tc以下有一些相当反常的铁电行为，其Pc和Ec不同于大多数铁电体，均随温度降低而减小。