论文总字数：20863字

摘 要

压电材料具有独特的性能，如压电性能、介电性能，可应用在许多领域。但是，许多压电材料制品含有大量的铅，它们在废弃后会造成污染。这种现象已经非常严重，人们需要消除和减少这类现象。从根本上出发，人们应该大力研究不含铅的材料。与此同时，电子元器件的小型化、智能化、集成化的趋势越来越明显，传统的块状铁电材料渐渐不能满足生产生活需求，人们迫切需要一种新型的铁电材料。在这种情况下，尺寸小、集成度高、重量轻的铁电薄膜材料引起了研究人员的兴趣。钛酸铋钠材料脱颖而出，它的铁电性比较好，但是矫顽场比同类别高，还伴随漏电流的现象的出现。一些研究发现，在准同型相界(MPB)的周围，钛酸铋钠的压电性比较好。现在大多数的研究都是针对单晶和陶瓷及其性能的表征。而对于薄膜方面的研究并不多见。根据上面所论述的，人们对MPB周围的薄膜的性能的探索是有很大的空间的。本论文主要针对用水热法制得的钛酸铋钠钛酸钡(BNT-BT)薄膜做了一些浅显的研究。

本研究采用水热合成法制备(1-x)BNT-xBT基无铅压电薄膜，研究了初始反应物浓度、BT掺杂比、反应时间对(1-x)BNT-xBT基薄膜表面形貌和厚度的影响。结果表明，随着反应条件的改变，薄膜的表面形貌和厚度有明显的变化。

关键词: 压电性能 钛酸铋钠 水热合成法

Hydrothermal synthesis and characterization of BNT-BT thin films

Abstract

Piezoelectric materials are extensively used in many ways due to their splendid piezoelectric and dielectric properties. At present, people pay more and more attention to the lead pollution of piezoelectric products containing PZT or other lead materials in the process of production, use and recycling. Therefore, due to the biocompatibility and environmental protection, lead-free piezoelectric materials as a substitute for PZT materials have received increasing attention and research. Moreover, the direction of miniaturization, intellectualization and integration of components is becoming more and more obvious, and the traditional block ferroelectric materials are gradually unable to meet the needs of production and life, so people urgently need a new type of ferroelectric materials. In this case, ferroelectric thin film materials with small size, high integration and light weight have aroused researchers' interest. Bismuth titanate sodium has excellent ferroelectric properties and is considered as an important piezoelectric material, but its high coercivity and leakage current affect its properties and applications.Previous studies have shown that the bismuth sodium titanate solid solution near the quasi-homotypic phase boundary (MPB) has good dielectric and piezoelectric properties. The current research focuses on the preparation of sodium bismuth titanate-barium titanate monocrystals and ceramics and the characterization of ferroelectric, dielectric and piezoelectric properties. However, there are still few reports on thin films. In conclusion, it is very promising to study the piezoelectric properties of films near MPB. BNT-BT thin films made by hydrothermal way were studied.

In this study, BNT-BT base lead-free piezoelectric thin films were made by hydrothermal synthesis method, and the effects of initial reactant concentration, doping ratio and reaction time on the surface morphology and thickness of BNT-BT base thin films were studied. The results show that the surface morphology and thickness of the film will be vary because of reaction conditions.

KeyWords: Piezoelectric property; Sodium bismuth titanate; Hydrothermal synthesis method

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2压电材料的主要性能及应用 1

1.2.1主要性能 1

1.2.2应用 3

1.3几类无铅压电陶瓷体系简介 3

1.3.1钛酸钡(BT)基无铅压电陶瓷 3

1.3.2铌酸盐系无铅压电陶瓷 4

1.3.3铋层状结构无铅压电陶瓷 4

1.3.4钛酸铋钠基(BNT)无铅压电陶瓷 5

1.4钛酸铋钠基无铅压电薄膜研究现状 5

1.4.1钛酸铋钠(BNT)基无铅压电薄膜概述 6

1.4.2钛酸铋钠基无铅压电薄膜性能及应用 7

1.5铁电薄膜材料概述 7

1.5.1铁电薄膜简介 7

1.5.2常用制备方法 8

1.6水热合成法 8

1.6.1水热合成的简介 8

1.6.2水热合成的优势及局限 9

1.7课题研究的目的 9

1.8课题研究的内容 9

第二章 (1-x)BNT-xBT薄膜的制备及表征 10

2.1实验原料 10

2.2实验仪器 10

2.3实验工艺流程 10

2.3.1清洗干燥处理和选取基板 11

2.3.2前驱体液的配制 11

2.3.3薄膜制备过程 12

2.4 (1-x)BNT-xBT薄膜的表征及仪器设备 12

2.4.1薄膜物相组成分析 12

2.4.2薄膜微观形貌及厚度观察 13

第三章 结果与讨论 14

3.1 (1-x)BNT-xBT薄膜的X射线衍射分析 14

3.2薄膜表面和截面形貌及厚度的影响因素分析 15

3.2.1保温反应时间的影响 15

3.2.2 BT掺杂比的影响 16

3.2.3初始反应物浓度的影响 17

第四章 结论与展望 20

4.1结论 20

4.2展望 20

参考文献 21

致谢 23

第一章 绪论

1.1课题研究背景

压电陶瓷作为一种新兴的功能材料在人们的日常生活中逐渐占有着越来越重要的地位，人们对其的使用已遍及生产及生活的各个领域，尤其在信息的检测、转换、处理和储存等信息技术领域占有极为重要的地位^[1]。铅基材料被大量使用，这些铅基材的性能虽然十分好，但是它们所含的铅会对环境造成破坏，并危害人体健康。为了解决这个矛盾，研究者把对环境和人体无损的材料的研究抬上日程，研究者把自己的精力投入到里面。随着可持续发展理念深入人心和全民环保意识的增强，国家层面也出台一系列政策对这些有害的材料加以制止，甚至有的禁止使用^[2-3]。然而，这是不现实的，对于禁止所有压电制品的使用。因为人们还没有足够的能力与技术。对无铅压电材料的开发还处于幼年期，人们要想全部投入实际应用，还有很长的路需要走。此外，研究者把含铅材料和无铅材料做了对比，在某些性能上，无铅材不如含铅材。因此，无铅材料取代含铅材料的过程，无疑将会是漫长的。这些不仅对于科研人员是十分有意义的课题，也是进行本实验现实的基础。

BNT薄膜一直因为它的良好的性能引起人们的广泛重视，因此研究者们对钛酸铋钠基固溶体进行了一系列较为深入的研究，而钛酸铋钠薄膜作为一种刚刚出现的压电薄膜材料，在近20年才得到研究者们的关注，并在短时间内取得了较大的研究进程。

请支付后下载全文，论文总字数：20863字