摘 要

PZT压电材料因其优良的电性能被广泛应用在各行各业的多个领域,但因其成分中含有较多有毒的铅元素严重危害了环境和人体健康。近年来人们发现（1-x）BZT-xBCT体系在其准同型相界处有着与铅基材料相媲美的电性能，但因其居里温度相对较低等其他因素，在生产生活中的应用大大受限。因此，研究和开发出具有优良电性能的无铅材料以取代传统的铅基材料具有重大意义。本实验采用溶胶-凝胶法制备了(1-x)BZT-xBCT薄膜，研究了锆钛比(Ba_0.85Ca_0.15Zr_xTi_(1-x) O₃）(Zr-BCZT)及Sn掺杂(Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_(0.9-x)Sn_x O₃）(Sn-BCZT)对薄膜结构及介电、铁电性能的影响。研究表明，薄膜的结构致密，晶粒大小均匀。随着锆钛比的增加，Zr-BCZT薄膜的介电和铁电性能都先增加后减小，在x为0.10组分点时，铁电性能与介电性能最佳，其介电常数达到900左右，介电损耗0.04。x=0.02组分Sn-BCZT薄膜的铁电性能较x=0的组分有所增强，Sn的掺杂能够有效改善BCZT薄膜的铁电性能。

关键词：（1-x）BZT-xBCT薄膜；锆钛比；Sn掺杂；电性能

Abstract

PZT piezoelectric materials are widely used in various fields because of their excellent electrical properties. However, the toxic lead element in its components has seriously polluted the environment and human health. In recent years, it has been found that （1-x）BZT-xBCT system has comparable electrical properties with lead-based materials at its quasi-isomorphic phase boundary, but its application in production and life is greatly limited due to its relatively low Curie temperature and other factors. Therefore, it is of great significance to research and develop lead-free materials with excellent electrical properties to replace traditional lead-based materials

In this experiment, the (1-x) BZT-xBCT thin films were prepared by sol-gel method. The effects of zirconium titanium ratio (Ba0.85Ca0.15ZrxTi (1-x) O3) (Zr-BCZT) and Sn doping (Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti (0.9-x) Snx O3) (0.9-x) on the structure, dielectric and ferroelectric properties of the films were studied. The results show that the film has compact structure and uniform grain size. With the increase of Zr-Ti ratio, the dielectric and ferroelectric properties of Zr-BCZT films increase at first and then decrease. When x is 0.10, the ferroelectric and dielectric properties are the best. The dielectric constant of Zr-BCZT films reaches about 900 and the dielectric loss is 0.04. The ferroelectric properties of Sn-BCZT thin films with x=0.02 component are better than those with x=0 component. Sn doping can effectively improve the ferroelectric properties of the materials.

Key Words：(1-x)BZT-xBCT films；ratio of zirconium to titanium；doping of Sn ；electric properties.

目 录

第1章 绪论

1.1 引言 1

1.2 钙钛矿无铅压电材料的研究状况及相关效应介绍 2

1.3 （1-x）BZT-xBCT的研究现状 3

1.4 课题的目的及主要工作内容 4

第2章 （1-x）BZT-xBCT薄膜的制备及性能表征方法

2.1 （1-x）BZT-xBCT薄膜的制备 5

2.1.1 实验原料 5

2.1.2 实验设备 5

2.1.3 薄膜的制备工艺过程 6

2.2 薄膜样品的性能表征方法 8

第3章 不同锆钛比(1-x)BZT-xBCT薄膜的性能表征

3.1 引言 10

3.2不同锆钛比（1-x）BZT-xBCT薄膜的性能表征 10

3.2.1 不同锆钛比（1-x）BZT-xBCT薄膜的显微结构 10

3.2.2 不同锆钛比（1-x）BZT-xBCT薄膜的铁电性能 12

3.2.3 不同锆钛比（1-x）BZT-xBCT薄膜的介电性能 13

3.3 本章小结 14

第4章Sn掺杂0.5BZT-0.5BCT薄膜的掺杂改性研究

4.1 引言 16

4.2 Sn掺杂0.5BZT-0.5BCT薄膜的制备及性能表征方法 17

4.3 Sn掺杂0.5BZT-0.5BCT薄膜的性能表征 17

4.3.1 Sn掺杂0.5BZT-0.5BCT薄膜的显微结构 17

4.3.2 Sn掺杂0.5BZT-0.5BCT薄膜的铁电性能 18

4.3.3 Sn掺杂0.5BZT-0.5BCT薄膜的介电性能 19

4.4 本章小结 20

第5章 实验结论

参考文献

致 谢

第1章 绪论

1.1 引言

目前，材料产业已经渗透到了国民经济、国防建设和社会生活的各个领域，是高新技术产业发展的基础。近年来，随着信息技术和互联网行业的快速发展，有着优良介电、压电、热电等性能的信息功能材料被广泛地应用在国民生产生活的方方面面。而其中具有ABO₃型钙钛矿结构的功能材料因其结构相对较为简单且其晶格位点上容易被其他掺杂元素所取代，从而为形成掺杂改性的化合物以及固溶体提供了可能。钙钛矿材料被誉为2017年的奇迹材料，在传感器、驱动器、转换器、谐振器和变压器等等其他铁电器件领域已有广泛的应用，在需要对信息进行加工处理等领域方面发挥着至关重要的作用^[1-2]。

当前，含铅类钙钛矿材料在科学研究和生产生活应用中占据着主要部分，如钛酸铅（PbTiO₃，PT）材料及锆钛酸铅（Pb（Zr_xTi_1-x）O₃，PZT）材料等。其中，最具有代表性的PZT铅基钙钛矿材料因其在其准同型相界（MPB）处具有优良的压电、介电和铁电性能，以及较高的居里温度（Tc），近些年来被广泛应用在各种领域^[3]。

但是，铅基PZT材料成分中含有超过60%质量分数的氧化铅，在其制备及生产生活的应用中会挥发出如PbO类的含铅类有毒气体从而造成各类环境问题。此外，含铅类钙钛矿材料若不能对其进行恰当的回收处理，材料中的铅会随着自然循环进入人体中，严重危害了人体健康。因此，研究和开发出具有优良电性能的环境友好型无铅材料以取代传统的铅基材料已经逐渐成为科学界的广泛共识。