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稀土掺杂KNN

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2024-09-17 16:24

【摘要】： K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3(KNN)基陶瓷具有优异的铁电性、热释电性和压电性,被认为是铅基陶瓷潜在的替代者之一。本文以KNN为基底,采用传统固相烧结工艺,引入Sr(M_(0.5)Ta_(0.5))O_3(M=Yb,In)作为第二组元进行改性研究,通过组分调节来制备具有一定铁电性的透明陶瓷,在此基础上,再添加稀土Er或Ho元素使陶瓷材料具备上转换发光性能,系统研究了第二组元含量对陶瓷结构、光学和电学性能的影响,并初步探究掺杂Er或Ho后陶瓷结构和性能的变化。具体主要研究内容如下:(1)设计并制备了(1-x)K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3-x) Sr(In_(0.5)Ta_(0.5))O_3(KNN-xSInT,x=0.02,0.03,0.04,0.05,0.06,0.07)陶瓷,研究Sr(In_(0.5)Ta_(0.5))O_3含量对陶瓷结构、透明度、铁电和介电性能的影响。研究表明,Sr(In_(0.5)Ta_(0.5))O_3的引入使陶瓷的晶体结构逐渐由正交晶相转变为伪立方晶相。陶瓷的晶粒随Sr(In_(0.5)Ta_(0.5))O_3含量增加逐渐增大,致密度降低;在x=0.04时,陶瓷的透过率在波长1100 nm处达到最大值46.9%。随着Sr(In_(0.5)Ta_(0.5))O_3含量的增加,陶瓷样品的电学性能都逐渐降低,最大介电常数由4990降低到1660,剩余极化强度由11.2μC/cm~2降低到5.4μC/cm~2。(2)设计并制备了(1-x)K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3-x) Sr(Yb_(0.5)Ta_(0.5))O_3(KNN-xSYbT,x=0.005,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05)陶瓷,研究了不同Sr(Yb_(0.5)Ta_(0.5))O_3含量对陶瓷结构、透明度、铁电、储能和介电性能的影响。结果表明:陶瓷都表现为纯钙钛矿相结构,室温下陶瓷的相结构随Sr(Yb_(0.5)Ta_(0.5))O_3含量增加向伪立方晶相转变,且晶粒逐渐细小,致密度增加。陶瓷的透过率随着Sr(Yb_(0.5)Ta_(0.5))O_3含量增大呈现先增再减的趋势,在x=0.01时,陶瓷的透过率在1100 nm处达到最大值68.2%,光学带隙为3.00eV;此时陶瓷的综合储能性能达到最好,其储能密度和储能效率分别为0.55J/cm~3和61.1%。在x=0.005时,陶瓷的介电常数达到最大值,其值为3300。(3)制备了稀土Ho掺杂的0.98KNN-0.02SYbT-x%Ho(x=0.1,0.3,0.5,0.6,0.65,0.7)透明陶瓷,研究不同Ho含量对陶瓷结构、透明度、上转换发光、铁电、储能和介电性能的影响。结果表明:引入稀土Ho离子的0.98KNN-0.02SYbT陶瓷均形成单一的钙钛矿结构,室温下陶瓷为伪立方结构,且Ho离子的掺杂使陶瓷的晶粒逐渐增大,致密度降低。同时随着Ho含量增加,陶瓷透过率也逐渐降低;陶瓷在x=0.1处的透过率为最大值53.4%(1100nm)。在x=0.6时,陶瓷的发光强度达到最高,继续添加Ho离子,陶瓷的发光强度明显降低;此时陶瓷的综合储能性能达到最佳,其储能密度和储能效率分别为0.16J/cm~3和69.4%。(4)制备了稀土Er掺杂的0.98KNN-0.02SYbT-x%Er(x=0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7)透明陶瓷,研究不同Er含量对陶瓷结构、透明度、上转换发光、铁电和介电性能的影响。结果表明:陶瓷的相结构没有因为Er离子的引入发生改变,其相结构依旧为伪立方结构,Er掺杂使陶瓷的气孔增多,晶粒变大,致密度下降。同时随着Er含量增加,陶瓷的透过率逐渐下降,在x=0.2时,陶瓷的透过率达到最大值46.3%(1100nm),此时陶瓷的禁带宽度为2.97eV。另外,Er掺杂使陶瓷表现出较好的上转换发光性能,在x=0.5时,陶瓷的发光强度达到最高,继续增加Er含量,发光强度降低。介电温谱表明,在x=0.1时,陶瓷的介电常数达到最大值3094。

【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2021

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