铋层状结构无铅压电陶瓷

铋层状结构无铅压电陶瓷的研究进展

Research progresses in Bismuth Layer Structure Lead- free Piezoelectric

Ceramics

材料科学与工程0904 17号刘帅

摘要: 铋层状结构无铅压电陶瓷具有优良的铁电性能, 适合应用于高温、高频领域以及疲劳特性好的铁电存储器领域. 本文介绍了铋层状压电材料的结构特点, 综述了铋层压电材料的改性研究; 着重综述了铋层状结构压电陶瓷材料的掺杂改性研究进展, 并对存在的问题和解决方法进行了分析, 为制备出高性能的铋层状结构无铅压电陶瓷材料提供一定的参考价值, 经过改性的材料可能应用在铁电显示器中。

Abstact:Bismuth layer structure lead-free piezoelectric ceramics with excellent performance of iron, suitable for high temperature, high frequency domain and fatigue property good ferroelectric memory field. This paper introduced the bismuth layer the structure characteristics of piezoelectric materials were reviewed, and the bismuth layer of the modified piezoelectric materials research; Reviewed emphatically bismuth layer structure of piezoelectric ceramic materials doped modification, was reviewed and the existing problems, and the solving method is analyzed, the preparation of high performance for the bismuth layer structure lead-free piezoelectric materials to provide certain reference value, by modification material may application in ferroelectric display.

关键词:陶瓷; 显示器; 无铅压电陶瓷, 铋层状结构; 掺杂改性

Keywords:ceramics; Display; Lead-free piezoelectric ceramic, bismuth layer

structure; Doping modification

前言:

压电陶瓷是一种能够实现机械能和电能相互转换的功能陶瓷材料。与压电单晶材料相比，具有机电耦合系数高，压电性能可调节性好，化学性质稳定，易于制备且能制得各种形状、尺寸和任意极化方向的产品，价格低廉等优点，被广泛应用于卫星广播、电子设备、生物以及航空航天等高新技术领域.

铋层状结构材料是一种铁电材料, 铁电材料具有光电效应、非线性光学效应、反常光生伏打效应、光折变效应等, 利用这些效应广泛应用于多功能器件、集成器件及机敏器件等[ 1]; 同时由于其居里温度高而受到重视, 它可以用于高温压电方面的应用; 且铋层状材料疲劳特性好, 漏电流小, 因而特别适合于高温、高频场合使用, 在铁电存储器领域有广泛的应用前景; 也很适合用于非挥发随机存储器的记忆材料[ 1]及适用于铁电显示器、声光显示器、组页器等显示方面的应用[ 2 , 3]. 近年来压电陶瓷显示器由于具有视角宽、易于实现阶调、亮度高等优点而受到研究者的重视[ 4]. 这些应用都需要尽可能好的压电性能和优良的介电性能. 但是铋层状结构无铅压电材料的压电性能还不太理想, 因此国内外研究工作者从工艺和配方的角度对其进理想, 因此国内外研究工作者从工艺和配方的角度对其进行了广泛的研究, 取得了令人鼓舞的结果, 大大提高了铋层状结构无铅压电材料的压电性能, 但还存在一定的问题,有待进一步改善. 本文介绍了铋层状压电材料的结构特点,综述了铋层状压电陶瓷材料的改性研究; 着重综述了国内外有关铋层状结构压电陶瓷材料的掺杂改性研究进展, 并对存在的问题和解决方法进行了分析, 对于从事制备高性能的铋层状结构无铅压电陶瓷材料的研究者有一定的参考价值.

一、铋层状材料的结构特点

铋层状结构化合物是由二维的钙钛矿和 ( Bi2O2)2+层按一定规则共生排列而成. 它的化学通式为 ( Bi2O2)2+(Am- 1BmO3m+ 1)2-, 其中, A 为 B3+、Pb2+、 Ba2+、 Sr2+、Ca2+、Na+、K+、La3+、Y3+、U3+、 Th4+等适合 12配位的 + 1、 + 2、 + 3、 + 4价离子或由它们组成的复合离子,B为 Co3+、 Cr3+、Zr4+、 Ti4+、 Nb5+、 Ta5+、W6+、Mo6+等适合于八面体配位的离子或由它们组成的复合离子, m为整数, 称为层数, 即钙钛矿层的层数, 其值可为 1~ 5.以CaBi4Ti4O15为例,( Bi2O )2+为氧化铋层,( CaBi2Ti4O13)2–为钙钛矿层, 在钙钛矿层中 A 为( Ca2Bi2), B为 Ti4, m= 4, 如图 1所示[5, 6].

由于这种特殊的层状结构, 具有以下特点: 低的介电常数、高居里温度、机电耦合系数各向异性明显、低老化率、高电阻率、大的介电击穿强度、低烧结温度. 然而这类陶瓷有两个缺点: 一是压电活性低, 这是陶瓷应用的致命弱点, 也是研究的难点和热点, 这是由于晶体结构特性决定其自发极化转向受二维限制所致; 二是 Ec不高, 不利于极化, 应用在陶瓷显示器中铁电发射性能就差, 这通常可通过高温极化来提高 Ec .

在铁电相变温度以上, 铋层状结构铁电体顺电相为高度对称的四方结构, 在居里温度以下,Bi4Ti3O12为单斜相,而绝大多数的铋层状化合物为正交相. 铋层状结构材料压电陶瓷体系可以归纳为[ 7 , 11]: