Bi层状

铋层状材料的介电弛豫机制研究

摘要

本文以BaBi

2Nb

2

O

9

(BBN)为研究对象，通过不同含量的Sm取代其A位的Ba

离子以及氧化铋层中的Bi离子，研究了Sm离子含量对BBN陶瓷晶体结构、微观形貌以及介电性能的影响。通过XRD和SEM分析表明，钐离子的引入没有改变体系的晶体结构，促进了体系的晶体生长；其介电性能测试表明:体系的居里温度随着钐离子含量的增加而逐渐减小，同时其介电常数峰随着测试频率的增加逐渐减小，并且向高温方向移动，这是明显的弛豫铁电体的特征；最后，对体系的介电弛豫机制进行了简单的讨论。

关键词：铋层状结构；介电弛豫性能；BaBi2Nb2O9

Study of structure and dielectric properties of Bi-layer structure materials

Abstract

In this paper, the influence of Sm ions substituted Ba and Bi ions on the crystal structure, microstructure and dielectric properties of BaBi2Nb2O9 ferroelectric ceramics was studied. The crystal structure of Ba1-x Sm x Bi4Nb4O15 and BaBi4-x Sm x Nb4O15ferroelectric ceramics was not changed with the Sm content increasing by the X-ray diffraction analysis (XRD). The grains size were gradually lager with the Sm content increasing by the scanning electron microscopy (SEM). The dielectric properties analysis indicated that the Curie temperature of BBN ceramics was degraded gradually with the Sm content increasing. Furthermore, the peak dielectric constant of BSBN and BBSN was increased with the testing frequency increasing, and moved to the higher temperature, which indicates that the BBT ferroelectric ceramic belongs to the relaxor ferroelectric. Finally, the mechanism of the relaxor behavior was discussed.

Key Words:Bi-layer structure; Dielectric properties; BaBi2Nb2O9

1 绪论

1.1铋层状结构材料

1.1.1 铋层状钙钛矿结构材料的结构特点

铋层状结构的化合物中有许多具有压电性，具有居里温度高、自发极化较高、

压电性能和介电性能的各向异性大等特点，如Bi

4Ti

3

O

12

、Bi

3

TiNbO

9

、Bi

2

WO

6

等，

因此该体系的材料具有很大的应用前景[1]。含铋层状结构化合物的晶体结构比

较复杂，通常是由二维的类钙钛矿层(A

m-1B

m

O

3m+1

)2-和(Bi

2

O

2

)2+层有规则地相互交替

排列而成的。

图1.1 SrBi2Nb2O9晶体结构示意图

图1.1是典型的类钙钛矿层状结构化合物SrBi

2Nb

2

O

9

的晶体结构示意图。在

该晶体结构中同样含有氧八面体，层面与氧八面体的四重轴垂直，每隔m个类钙钛矿氧八面体层出现一个铋层[2-4]。显然，这种层状结构可看成一种天然的铁电超晶格。含铋层状结构化合物的化学通式可以用公式1-6表示为：

(Bi2O2)2+ (A m-1B m O3m+1)2- (1-1)

式中，A为配位数为12的较大的正离子；B为配位数为6的较小的正离子；m

为钙钛矿层厚度方向的元胞数，其值可为1～5；并且A、B离子组合应该满足下列关系1-7：

∑X A V A+∑X B V B=6X (1-2)

式中，X为相应A、B位离子浓度；V为相应于A、B位离子化合价。

含层状铋结构的化合物，由于其特殊的晶体结构，使得其在性能方面具有不同于其他材料体系的特点，这一体系所具有的性能特点主要如下：

1.具有较低的介电常数，一般在127~154之间变化

2.具有较强的自发极化

3.具有较高的居里温度

4.具有较高的品质因数，一般在2000~7200之间变化

5.具有较高的电阻率

6.具有较好的老化特性

7.介电损耗较低

8.压电和介电性能各向异性较大

9.谐振频率的时间和温度稳定性较好等特点

以上特殊的性能特点决定了其特殊的应用范围，就目前的研究状况而言，其应用主要分为以下两个方面：

1. 由于其具有较大的剩余极化强度、较小的介电损耗和较好的老化特性，所以其在非挥发性铁电存储器领域具有巨大的应用前景，近年来具有铋层状钙

钛矿结构的钛酸铋Bi

4Ti

3

O

12

等材料体系一度成为研究的热点。非挥发性特点存

储器对材料的性能具有较高的要求，只有满足以下条件的材料体系才能作为制作非挥发性铁电存储器材料：

1）较大的剩余极化强度；

2）较小的矫顽场强；

3）好的抗疲劳特性；

4）低的加工温度等。

在传统的材料体系中，锆钛酸铅(Pb，Zr)TiO

3

是研究较多且性能优良的用作铁电存储器的材料，其具有较大的剩余极化强度，低的加工温度，能够很好的和现有的硅集成工艺兼容，但由于PZT的开关疲劳效应以及Pb对环境的污染，阻碍了其在铁电薄膜存储器方面的应用[5-8]。具有层状钙钛矿结构的铁电材料

(Sr，Bi)

4Ta

3

O

12

(SBT)具有优于1012次开关极化的抗疲劳特性，但它的小的剩余

极化强度以及高的加工温度仍难以与现有的硅集成工艺较好的兼容。La搀杂改

性的Bi

4Ti

3

O

12

铁电材料不仅具有优良的抗疲劳特性，而且具有较大的剩余极化

强度，可以在比SBT更低的温度下形成取向薄膜，易于与现有的硅集成工艺兼容，因而引起了人们极大的研究兴趣。

2. 由于其具有较高的品质因数，介电和压电性能具有较大的各向异性并且谐振频率的时间和温度的稳定性较好，所以该体系的材料非常适合用于制作滤波器、高温、高频及能量转化方面的器件，应用前景广泛[9-13]。当化学通式中