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(1-x)Pb(Mg1/3Nb=)O3-xPbTiO3(PMN-PT)是一种具有复合钙钛矿结构的铁电体材料,并显示出优异的铁电、介电、压电以及电光性能,在传感器、驱动器以及部分电光设备中得到了较为广泛的应用。以往研究已经证明,PMN-PT铁电体的性能与其微结构和内部电畴关系密切,而目前有关PMN-PT铁电材料在电场下的电畴结构变化对其性能的影响机制尚不明确,需要进一步的研究。同时,已有研究发现部分稀土元素(La,Er)的掺杂对PMN-PT透明铁电陶瓷的电学以及光学性能具有显著影响,而更多其他稀土元素对PMN-PT透明铁电陶瓷结构与性能的影响研究尚未深入开展,因此全面深入地研究稀土元素掺杂对PMN-PT透明铁电陶瓷的作用机制具有非常重要的意义,同时为PMN-PT基透明铁电陶瓷的应用研究提供重要的理论基础。 本研究采用通氧-热压两步烧结法成功制备得到了具有较高透过率的0.75PMN-0.25PT(75PMN-25PT)透明铁电陶瓷以及稀土元素(Eu,Dy)掺杂的75PMN-25PT透明铁电陶瓷,并通过电学和光学等表征手段研究了电场下75PMN-25PT透明铁电陶瓷中电畴结构以及相结构的变化,同时分别系统性地研究了Eu和Dy掺杂对75PMN-25PT透明铁电陶瓷相结构、显微结构、铁电、介电以及光学性能等的影响。在以上研究的基础上,为进一步提升75PMN-25PT基透明铁电陶瓷的透过率,我们研究了La和Al共掺对75PMN-25PT铁电陶瓷结构以及性能的影响,并初步开展了通过模板晶粒生长技术制备织构化透明铁电陶瓷的研究。 通过两步烧结法制备得到的75PMN-25PT透明铁电陶瓷透过率可以达到60%以上(红外波段,厚度为0.4mm),且具有致密的晶粒堆积结构,晶粒尺寸大约在15-40μm。研究发现,直流电场下75PMN-25PT透明铁电陶瓷中极性纳米微区(PNRs)或铁电畴的生长存在阈值电场(2kV/cm左右),在阈值电场之上,由PNRs或铁电畴的快速生长合并导致的畴壁尺寸和密度急剧增加造成了强烈的光散射效应,使透明陶瓷透射光强度出现剧烈下降(下降幅度接近80%),同时基体中铁电相增多,晶体对称性降低。交流电场下对75PMN-25PT透明铁电陶瓷的光散射效应研究发现,基体中铁电畴结构变化依赖于施加频率和电场强度的大小,且两者具有相关性,一定频率下(10Hz-10kHz)强的电场(峰值)能够促进铁电畴生长成为大尺寸畴,导致透过率下降,一定电场强度下(1kV/cm-4.5kV/cm)高的频率会破坏铁电陶瓷基体中的长程铁电有序或大尺寸铁电畴,引起透过率上升。 对x%Eu(x=1,2,3,4)掺杂的75PMN-25PT透明铁电陶瓷的研究发现,不同Eu掺杂量的75PMN-25PT铁电陶瓷均具有致密的晶粒堆积结构,且均存在穿晶断裂现象,晶粒尺寸均大约在20-70μm。随着Eu掺杂量的增加,陶瓷晶界中的杂相减少,铁电畴的尺寸逐渐减小,室温下基体的晶体对称性提高(赝立方相增多),这些因素共同导致了75PMN-25PT透明铁电陶瓷的透过率随Eu含量增加逐渐增大,其中Eu掺杂量为4%的样品透过率可以达到接近60%(红外波段,厚度为1mm)。同时Eu掺杂能够使75PMN-25PT透明铁电陶瓷的光学吸收限发生红移,进而掩盖了Eu3+的发光特性。铁电特性方面,Eu掺杂能够增强75PMN-25PT铁电陶瓷的弛豫特性,降低其Tmax(Eu含量每增加1%,Tmax大约下降25℃)从而引起室温下基体相结构的改变,Eu掺杂量为3%时,电场下介稳铁电相的存在使得样品的电致应变可以达到0.18%。电畴结构研究表明,随Eu掺杂量增大,大的铁电畴或长程铁电有序逐渐消失并完全转变为指纹畴结构。偏压下的光散射效应及介电性能研究表明Eu能够抑制样品基体中长程铁电有序或大的铁电畴形成,而面内偏压下的电畴动态变化研究表明Eu掺杂会阻碍基体中铁电畴的转向。 对x%Dy(x=1,2,3,4)掺杂的75PMN-25PT透明铁电陶瓷的研究发现,随Dy掺杂量增加,陶瓷基体逐渐由混合相向单一晶相(赝立方相)转变,晶体对称性提高,这有利于样品透过率的提升,而不同于Eu掺杂的是,在Dy掺杂量较低(≤2%)时,样品主要呈现出穿晶断裂的特征,说明晶界强度较大,且第二相(杂相)含量较少,当Dy掺杂量较高(≥3%)时,富含Dy的杂相大量生成,引起了样品透过率的剧烈下降,同时陶瓷基体的晶界强度下降,沿晶断裂开始占据主导。因而Dy掺杂的75PMN-25PT透明铁电陶瓷透过率随着Dy掺杂量的增加呈现先增大后急剧减小的趋势,掺杂量达到3%时透过率达到最大(约62%,红外波段,厚度为0.4mm)。Dy掺杂能够增强75PMN-25PT铁电陶瓷的弛豫特性同时使其Tmax下降(Dy含量每增加1%,Tmax下降10℃左右)。随着Dy掺杂含量的增加,铁电畴生长面临的阻碍作用越大,且初始电畴结构逐渐由指纹畴转变成宏畴最后变为条状宏畴和指纹畴相结合的结构。同时Dy3+作为一种稀土发光离子,在75PMN-25PT基体中表现出下转换发光特性,在453nm波长光激发下可以产生强烈的黄光发射(573nm,4F9/2→6H13/2),Dy3+的浓度对荧光发射强度的影响较大,浓度较高时(2%-3%),Dy3+能级之间会产生交叉弛豫,使荧光发射强度降低,更高Dy3+掺杂浓度(≥4%)下荧光强度的急剧增加很大可能与富含Dy的第二相形成有关。 对La和Al共掺的75PMN-25PT铁电陶瓷的研究表明,Al3+的引入未能进一步提高PMN-PT陶瓷基体的透过率反而使其变得几乎不透明,这是由Al掺杂导致的晶体对称性下降以及杂相生成共同引起的。在模板晶粒生长技术制备织构化PMN-PT基透明铁电陶瓷的初步研究中,通过熔盐法制备得到了(001)取向的片状BaTiO3模板晶粒以及径向生长方向为(001)的棒状Nb2O5模板晶粒。