江向平(1964-), 男, 教授. E-mail:jiangxp64@163.com
采用固相法获得了Mn改性的Na0.5Bi2.5Nb2O9(NBN+
Bismuth layer-structured ferroelectric ceramics Na0.5Bi2.5Nb2O9(NBN+
自1949年Aurivillius发现铋层状结构化合物以来, 其有趣的结构特性及高居里温度引起了人们的广泛关注. 铋层状(BLSFs)材料具有高居里温度、机电耦合系数, 较好的抗疲劳等特性, 适合做压力传感器、滤波器等[ 1, 2, 3, 4, 5, 6]. Bi4Ti3O12、Bi3NbTiO9、Na0.5Bi4.5Ti4O15、CaBi2Nb2O9、Na0.5Bi2.5Nb2O9和CaBi4Ti4O15等BLSFs材料已经被广泛研究[ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12].
Na0.5Bi2.5Nb2O9(NBN)是一种典型的高温( Tc~780℃)BLSFs材料[ 12]. 但是, 由于其对称性低、自发极化只能在a-b平面内二维转动, 使它难以获得足够大的剩余极化强度 Pr, 限制了其在器件方面的使用. Mn作为一种常见的添加剂, 具有多种价态(+2,+3,+4), 经常用于钙钛矿与铋层状压电陶瓷的掺杂改性研究[ 6, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19].
为了改善NBN的电性能, Gai等[ 20]通过(Li,Ce)掺杂使陶瓷的 d33(pc/N)从17提高到27; Jiang等[ 21]通过LiNbO3改性使陶瓷的 d33(pc/N)从10提高到21. 然而对于Mn掺杂NBN陶瓷却鲜有报道, 本工作通过固相法制备Na0.5Bi2.5Nb2O9+ xmol%MnCO3(NBN-Mn)压电陶瓷, 并研究Mn掺杂对NBN陶瓷的物相、显微结构和电性能的影响.
采用传统固相法制备了Na0.5Bi2.5NbO9+ xmol% MnCO3(NBN-Mn, x=0、1.0、3.0、5.0、7.0、8.0、9.0、10.0)陶瓷. 以Bi2O3(99.0%)、Nb2O5(99.5%)、Na2CO3 (99.8%)和MnCO3(98.0%)为反应原料, 按相应的化学计量比称料. 配制的原料经混合、预烧(770℃, 2 h)、粉碎﹑细磨﹑造粒﹑压片(~18 MPa)﹑排胶﹑烧结(1080℃ 4 h). 烧成品烧制银电极, 置于160℃的硅油中, 以8.0~9.5 kV/mm电场极化30 min, 放置24 h 后测其各项电性能.
采用扫描电子探针显微镜(SEM, Model JSM- 6700F, Japan)和XRD(D8 Advance, Bruker axs)分析样品的表面形貌和物相结构. 压电常数 d33利用ZJ-3A 型准静态 d33 测量仪测出. 用精密阻抗分析仪(Agilent-4294A)在100 kHz下测定其介温曲线. 平面机电耦合系数( kp)﹑厚度机电耦合系数( k t)和机械品质因数( Qm)也是用精密阻抗分析仪(Agilent 4294A)通过谐振和反谐振法测量. 利用Sawyer-T- ower电桥法获得样品的电滞回线.
图1是NBN-Mn陶瓷样品的XRD图谱, 可以看出, 在所有NBN-Mn陶瓷中最强峰是(115), 与铋层状结构陶瓷最强峰(112 m+1)一致[ 22, 23]. 当 x≤1.0时, 只有NBN相出现; 随着Mn含量增加到3.0, BiMnO3的(111)和BiNbO4的(032)衍射峰出现. 从 图1(b)可以看出, 在 x≤3.0时, (115)峰朝小角度偏移; 当3.0≤ x≤8.0时, 向大角度方向偏移, 当 x≥9.0时, 其又开始向小角度偏移, 表明其晶面间距先增大后变小又再增大[ 24].
图2是样品的晶胞参数与体积随 x的变化关系, 可以看出, 随着Mn含量增加到3.0, c和 V随之减小. 而当Mn的量继续增加时, c和 V逐渐增大. 而 a与 b的差值在Mn量 x从0到5时越来越大, 继续增加 Mn的掺杂量, 其差值逐渐减小. 由于Mn3+(0.0645 nm)与B位的Nb5+(0.064 nm)相差较小, 而与A 位的Bi3+(0.120 nm)和Na+(0.118 nm)的半径相差较大, 因此这种晶格的扭曲可能是由Mn取代B位的Nb引起的[ 25]. 适度的扭曲会促进其极化性能, 但是添加过量Mn后, Mn将聚集在晶界, 抑制电畴的反转[ 13, 26], 并且引入过量Mn伴随着第二相BiMnO3(111)和BiNbO4(032)的生成,使其介电损耗增大并导致性能的退化.
图3为NBN-Mn陶瓷热腐蚀表面的SEM照片,由图可见, 所有陶瓷的结构紧密. 随着Mn的引入, 晶粒尺寸显著增大, 说明添加Mn能促进陶瓷晶粒的生长. 类似的现象在Na0.5Bi2.5Ta2O9、Na0.5Bi4.5Ti4O15、Pb (Zr, Ti) O3、BiScO3-PbTiO3和 (Ca,Sr)Bi4Ti4O15陶瓷也出现过[ 17, 18, 19, 27]. 当 x≤1.0时, NBN-Mn陶瓷具有典型的层状结构, 这与(Li, Ce)掺杂NBN和LiNbO3改性的NBN陶瓷的结构相类似[ 20, 21, 24]. 当 x≥3.0时, 随着引入Mn量的增加, 其晶粒逐渐长大, 晶粒形状由条状逐渐变为盘状, 在La掺杂CaBi2Nb2O9也有类似现象[ 28].
表1列出了NBN系列陶瓷的机电性能. 随着引入NBN的Mn( x≥0)的增加, Qm先增加后减小, 在 x=8.0时达到最大值3120; 其 d33也表现出相似的变化趋势, 在 x=8.0时 d33达到20 pC/N, 相较于纯的NBN提高了一倍. 此外, 由表1还可看出Mn掺杂对NBN机电性能影响的变化趋势. 样品( x=8.0)的 kp、 k t分别为12.37%和21.09%, 其中 kp远小于 k t表现出明显的各向异性. 综上所述, 加入Mn明显改善了NBN系列陶瓷的电性能.
图4(a)是Mn掺杂NBN陶瓷的介电常数(εr)在100 kHz下测得的随温度的变化关系曲线, 由图4可知所有NBN陶瓷的居里点都在700℃以上. 如表1可知随着掺杂Mn量的增加, 该陶瓷在200~700℃范围内, 介电常数随着Mn的增加而增大.
图4(b)是给出了Mn掺杂NBN陶瓷的介电损耗(tan δ)在100 kHz下与温度的关系曲线. 随着Mn的引入, 其损耗稍微增大, 同时NBN陶瓷在200℃时出现了一个反常峰, 且随着Mn的含量增加, 反常峰越来越明显, 这可能是由于过量的Mn与挥发的Bi2O3形成了BiMnO3而产生了相变[ 29].
图5是在80 kV/cm下, NBN-Mn陶瓷样品的 P-E电滞回线. 随着Mn的引入, 电滞回线逐渐变得饱和. 当 x由1.0增加到8.0时, 其剩余极化值显著提高(尤其是3.0~8.0), 从3.54增加至7.01 μC/cm2, 为纯NBN的2倍, 这可能归因于掺杂引起的适度晶格畸变易使样品的 Pr变大[ 30]. 但与 Pr相比较, 其矫顽场 Ec增幅较小, 从27.35增加到35.32. 由此可知, 可以引入Mn改善其铁电性能, 提高极化率, 从而显著地提高NBN-Mn的压电性能.
图6是NBN系列陶瓷的 d33随退火温度变化的曲线图, 如图可知, 随着Mn的引入, 陶瓷 d33先增大后减小, 其高温的稳定性得到很好地改善. 纯NBN陶瓷的 d33在退火温度超过400℃后开始急剧下降, 700℃退火后, d33仅为原来的40%(~4 pC/N). 掺8.0mol%Mn的样品的 d33随退火温度的升高表现较为平稳, 到700℃退火后 d33仍大于室温的75%, 说明其在高温领域有应用前景. 该现象在NBN-LiNbO3[ 21]中也有类似的报道.
图7显示 x=8.0时, 样品 kp、 k t、 d33和 Qm随温度的变化关系曲线. 室温时, kp为12.37%, 温度升高到600℃时仍接近6%. k t在室温时为一较高值(21.09%), 继续升高温度至700℃时, 其值仍大于12%. d33随温度升高变化较小, 在温度升高至700℃时仍保持在70%以上. 室温下 Qm为3120, 比(Li, Ce)掺杂NBN(2600)[ 20]的高, 稍低于NBN单晶(3800)[ 12]. 随着温度升高, Qm呈直线下降趋势. 由上可知, Na0.5Bi2.5Nb2O9+ 8.0mol%Mn材料在高温表现出良好的稳定性.
1) 所有样品均具有单一的正交铋层状结构, 其最强峰(115)在 x≤3.0时, 朝小角度偏移; 当3.0≤ x≤8.0时, 向大角度方向偏移, 当 x≥9.0时, 其又开始向小角度偏移.
2) 掺杂Mn能显著地提高其剩余极化强度, 特别是 x从3.0到8.0时, 其 Pr从3.54提高到 7.01 μC/cm2; 同时Mn的引入可以促进陶瓷的极化, 导致其电性能显著升高, 且在最佳性能点 x=8.0时, 其 d33和 Qm分别为20 pC/N(为纯的NBN陶瓷的一倍)和3120(与纯的NBN陶瓷相比提高了一倍多).
3) 随着引入Mn的量的增加( x≥3.0), 介电温谱在200℃出现了一个BiMnO3反常峰.
4)引入Mn没有大幅度降低 T c(且都在700℃以上), 并且随着Mn的引入, 其热稳定性得到显著地提高.