摘要
钛酸钡(BaTiO3)材料因相结构丰富而具有优异的电学性能，在电子信息领域具有广泛的应用前景。随着温度升高，BaTiO3材料依次呈现出菱形相(R)、正交相(O)、四方相(T)、顺电立方相(PE)，且通常在相界附近展现出优异的电学性能。因此，如何调节BaTiO3材料的相界温度，是推动BaTiO3材料广泛应用的关键因素之一。为此，本论文基于Zr4+离子掺杂对BaTiO3材料相界温度的调节，探索了溶胶-凝胶法制备锆钛酸钡陶瓷粉体的工艺，并制备了一系列不同锆含量的锆钛酸钡陶瓷和Ba(Zr0.2Ti0.8)O3薄膜，研究了Zr4+离子掺杂和温度因素对其介电、铁电、压电和电热等电学性能的影响。主要内容及结论如下： (1)探索了溶胶-凝胶法制备锆钛酸钡陶瓷粉体的工艺。热失重分析和X-射线衍射(XRD)结果表明，溶胶干燥的适宜温度为105℃，煅烧温度为1100℃。扫描电子显微镜表征结果显示，两种粉末的粒径可达到纳米级，形态为球形，Zr4+离子的引入使团聚体积减小，尺寸分布更加均匀。 (2)室温条件下，对不同锆含量的Ba(ZrxTi1-x)O3陶瓷的相结构和电学性能进行了表征研究。XRD图谱结果显示，室温下BaTiO3陶瓷为四方相结构，随着Zr4+离子掺杂含量的增加，Ba(ZrxTi1-x)O3陶瓷的晶格常数c/a比值趋向于1，相结构逐渐由四方相向立方相转变。结合拉曼光谱表明，整个体系发生T相→O相→R相→PE相的转变。电学性能测试结果表明，T-O相界、O-R相界和T-O-R三相交点附近的陶瓷展现出优异的电学性能。 (3)通过改变外界温度，探究了温度对Ba(ZrxTi1-x)O3陶瓷的相结构及电学性能的影响。介电温谱结果显示，随着Zr4+离子掺杂含量的提高，居里温度逐渐降低，T-O、O-R相变温度向较高的温度转移。结合变温电滞回线测试结果，通过间接法，发现Ba(Zr0.05Ti0.95)O3陶瓷在温度较低时会呈现出负电热效应，而高温呈现出正电热效应，Ba(Zr0.05Ti0.95)O3陶瓷和Ba(Zr0.13Ti0.87)O3陶瓷在铁电-顺电相界其正电热效应温变出现峰值。 (4)通过溶胶-凝胶法制备了BaTiO3薄膜和Ba(Zr0.2Ti0.8)O3薄膜，进行了表征对比研究。XRD结果表明，两种薄膜均具有典型的钙钛矿结构。与BaTiO3薄膜比较，宏观性能测试结果显示，Ba(Zr0.2Ti0.8)O3薄膜表现出明显的弛豫现象，具有更大的电容值，漏电流密度更小；微观测试表明，两种薄膜均具有典型的蝴蝶曲线与180°的相位翻转，而Ba(Zr0.2Ti0.8)O3薄膜压电性能更优，施加±20V电压后，畴结构也表现出明显的极化翻转。
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