張陽軍

（樂山職業(yè)技術(shù)學院 四川 樂山 614000）

1 引言

鐵電材料是具有較為明顯的電致伸縮效應。這類材料被廣泛應用于傳感器、致動器、伺服系統(tǒng)等領(lǐng)域[1-3]。據(jù)報道，鐵電材料在一定成分下存在準同相界，這種成分附近的材料其機電耦合系數(shù)以及壓電效應都要優(yōu)于其余組分的材料[3,4]。NBT-KBT100x陶瓷和NBT-KBT100x[4]薄膜在其準同相界附近的鐵電壓電性和電致伸縮性能都被報道過。店址伸縮性能對提高微傳感器的傳感性能，尤其是靈敏度方面具有重要意義。NBT-KBT100x薄膜是一種無鉛的鐵電薄膜，具有良好的環(huán)境友好性，目前對其準同相界附近的性能少有報道，本文旨在研究其準同相界的機電耦合性能。

2 NBT-KBT100x不同成分薄膜的微結(jié)構(gòu)

圖1（a）是含鉀量分別為0.13、0.15、0.18、0.20、0.25等五種成分薄膜在25°～50°X射線衍射圖譜。對特征峰進行多峰擬合，得到的結(jié)果如圖1（b）～（f）。從圖1（a）的XRD圖譜可以看出，五種成分的貼點薄膜都是多晶體，主要以鈣鈦礦形式存在，伴隨著少量的焦綠石相。通過多峰擬合，我們發(fā)現(xiàn)NBT-KBT15成分的薄膜存在準同相界，在0.15成分附近鐵電薄膜中存在三方相和四方相共存[5]。

圖1 NBT-KBT100x XRD圖譜（a），以及特征峰擬合結(jié)果（b）～（f）

3 電學性能測試

3.1 漏電流和電滯回線

圖2（a）、（b）分別為五種成分鐵電薄膜的J-E（漏電流）曲線和P-E曲線（電滯回線）。實驗中施加的電場強度為250kV/cm。從圖中可以看出0.15組分的薄膜顯示出最好的漏電流特性。從b圖中可以看出，五種不同成分薄膜材料的2Pr（剩余極化）值先增加，后逐漸減小。2Pr在鉀含量為0.15處達到了最大值。這是因為NBT-KBT15薄膜存在準其中三方相和四方相共存，并且相互轉(zhuǎn)化，導致薄膜晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而引起很高的剩余極化值[6-7]。

圖2 NBT-KBT100x漏電流曲線（a）,和電滯回線（b）

3.2 介電性能

圖3是含鉀量分別為0.13、0.15、0.18、0.20、0.25五種鐵電薄膜的相對介電常數(shù)-電場（ε-E）曲線。從圖中可知，NBT-KBT15成分的薄膜相對介電常數(shù)值為五種成分之中最大的。這也是因為含鉀量為0.15成分的薄膜中存在三方相和四方相共存的準同相界，兩相相互轉(zhuǎn)化導致晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定引起高的相對介電常數(shù)[8]。

圖3 NBT-KBT100x鐵電薄膜相對介電常數(shù)與電場的關(guān)系曲線

4 NBT-KBT100x鐵電薄膜的壓電性能

4.1 壓電響應

在測量有效壓電系數(shù)deff33過程中，采用逆壓電效應局部掃描法，掃描范圍為300×300nm2，薄膜的表面有十個點被選擇為掃描點，用SPM探針記錄下這十個點的D-E曲線[9]。

為了消除D-E曲線相對于坐標原點的偏移量，我們對D-E曲線作出了一定的修正，具體方法如式3所示[10]。

其中，D1和E1分別表示曲線交點的電位移和電場強度。

4.2 壓電系數(shù)

NBT-KBT100x五種不同成分的鐵電薄膜的電位移-電場強度曲線（D-E）和有效壓電系數(shù)-電場強度曲線（deff33-E）回線如圖4所示。由圖4可知，D-E曲線的交點偏離了坐標原點，相X軸正向漂移，引起這種現(xiàn)象的主要原因是由于鐵電薄膜和其上所鍍電極不對稱造成的。其中具有準同相界的NBT-KBT15鐵電薄膜壓電系數(shù)的deff33值在90～100pm/V以內(nèi)，這個值與PZT鐵電薄膜相當[11]，而PZT是一種含鉛的鐵電薄膜，對環(huán)境有害，NBT-KBT鐵電薄膜不含鉛，是一種理想的PZT鐵電材料的替代材料。同時NBT-KBT15鐵電薄膜壓電系數(shù)的deff33值也遠大于Bi0.5(Na0.7k0.2Li0.1)0.5TiO3鐵電薄膜材料的壓電系數(shù)[12]。從圖中容易看出，在這五個組份的NBT-KBT鐵電薄膜薄膜中，NBT-KBT15具有最優(yōu)的壓電性能。隨著人們對環(huán)境保護的日益重視，NBTKBT15無鉛鐵電薄膜將具有越來越廣闊的應用前景。

圖4 NBT-KBT100x薄膜的壓電響應曲線

5 NBT-KBT100x鐵電薄膜的電致伸縮性能

5.1 電致伸縮效應

在鐵電薄膜中電致伸縮效應為一種次級機電效應，其大小可以用公式表示為[6]

在外電場為零的情況下，鐵電材料中的正負電荷中心重合于一點，因此對外并不表現(xiàn)出壓電效應。在外加電場作用下，材料的正負電荷中心不再重合，發(fā)生了一定量的偏移，呈現(xiàn)出非對稱結(jié)構(gòu)，對外顯示出壓電效應。壓電效應與電致伸縮效應之間具有一定的關(guān)系，具體可以用唯象理論的公式表示[8]。

其中，ε33是絕對介電常數(shù)值。將方程（1）和（3）代入方程（2）中，S3能表示為

其中，ε33=ε0ε，ε0和ε是真空介電常數(shù)和相對介電常數(shù)。

5.2 電致伸縮性能

根據(jù)公式（3）的可以計算出含鉀量分別為0.13、0.15、0.18、0.20、0.25的五種不同組分的薄膜Q33-E3的關(guān)系曲線，如圖5所示。當電場強度為±（150～250）kV/cm范圍內(nèi)時，鐵電薄膜的電致伸縮系數(shù)相對穩(wěn)定，含鉀量分別為0.13、0.15、0.18、0.20、0.25的五種不同組分的薄膜電致伸縮系數(shù)的平均值在0.019～0.025m4/C2范圍內(nèi)，與PMN-PT鐵電薄膜的電致伸縮系數(shù)大致相當[8]。通過對比這五條曲線可以發(fā)現(xiàn)，含鉀量為0.15的鐵電薄膜具有最大的電致伸縮系數(shù)，其大小為0.025m4/C2，也就是說具有準同相界的0.15成分的鐵電薄膜具有最佳的電致伸縮性能。

通過公式（4）可以計算出含鉀量分別為0.13、0.15、0.18、0.20、0.25的五種不同組分的薄膜的電致伸縮應變S3，如圖6所示。從圖中可以看出，電致伸縮應變和電致伸縮系數(shù)隨著含鉀量的變化趨勢是相同的，都是先增加，后減小。五個組份薄膜的最大的電致伸縮應變值在0.12%～0.26%范圍內(nèi)，這也與經(jīng)典的PMN-PT100x電致伸縮體有相同的數(shù)量級[8]。通過比較不難發(fā)現(xiàn)，含鉀量為0.15的NBT-KBT15薄膜具有最大的電致伸縮應變值。這也說明了準同相界附近成分的薄膜具有最優(yōu)的電致伸縮性能。

圖5 NBT-KBT100x的電致伸縮系數(shù)與電場的曲線

圖6 NBT-KBT100x的電致伸縮應變

5.3 壓電應變與電致伸縮應變

為了比較壓電效應和電致伸縮效應的大小關(guān)系，我們計算出了五種不同成分的鐵電薄膜的壓電應變和電致伸縮應變值，并且繪制子圖7中進行比較。從圖7可以看出，壓電應變和電致伸縮應變的值呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，即隨著含鉀量的增加先增大后減小。兩個值分別在含鉀量為0.15處達到頂峰。從圖中也可以看出，電致伸縮應變的值（Electrostrictive strain）從整體上是要大于比壓電應變值（Piezoelectric strain）的。這說明當電場強度較大時，電致伸縮效應要大于壓電效應[7]。圖7再次說明了含鉀量為0.15成分的鐵電薄膜具有最佳的電致伸縮效應和壓電效應。

圖7 NBT-KBT100x薄膜的壓電應變與電致伸縮應變比較

6 結(jié)語

為了驗證NBT-KBT100x中不同含鉀量對鐵電薄膜機電性能的影響，我們分別對含鉀量為0.13、0.15、0.18、0.20和0.25的五個組份鐵電薄膜性能進行了表征與分析。

（1）通過XRD圖譜的分析得出NBT-KBT15組分的薄膜存在準同相界，通過測試和計算壓電系數(shù)、電致伸縮系數(shù)證明了準同相界附近成分的鐵電薄膜具有最優(yōu)的機電性能。

（2）利用唯象理論計算了0.15成分鐵電薄膜的電致伸縮系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其大小與PZT鐵電薄膜的值接近。而NBTKBT15不含鉛，具有良好的環(huán)境友好性，將可能取代目前使用的含鉛鐵電薄膜材料而具有廣闊的應用前景。

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