NBT-KBT100x鐵電薄膜機(jī)電耦合性能

張陽軍

（樂山職業(yè)技術(shù)學(xué)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(yīng)。這類材料被廣泛應(yīng)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(zhǔn)同相界，這種成分附近的材料其機(jī)電耦合系數(shù)以及壓電效應(yīng)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(zhǔn)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(zhǔn)同相界附近的性能少有報道，本文旨在研究其準(zhǔn)同相界的機(jī)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(jìn)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(diǎn)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(zhǔn)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(xué)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(shí)驗(yàn)中施加的電場強(qiáng)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(dá)到了最大值。這是因?yàn)镹BT-KBT15薄膜存在準(zhǔn)其中三方相和四方相共存，并且相互轉(zhuǎn)化，導(dǎo)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?yàn)楹浟繛?.15成分的薄膜中存在三方相和四方相共存的準(zhǔn)同相界，兩相相互轉(zhuǎn)化導(dǎo)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(yīng)

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

為了消除D-E曲線相對于坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)的電位移和電場強(qiáng)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(qiáng)度曲線（D-E）和有效壓電系數(shù)-電場強(qiáng)度曲線（deff33-E）回線如圖4所示。由圖4可知，D-E曲線的交點(diǎn)偏離了坐標(biāo)原點(diǎn)，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(zhǔn)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(dāng)[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(yuǎn)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(hù)的日益重視，NBTKBT15無鉛鐵電薄膜將具有越來越廣闊的應(yīng)用前景。

圖4 NBT-KBT100x薄膜的壓電響應(yīng)曲線

5 NBT-KBT100x鐵電薄膜的電致伸縮性能

5.1 電致伸縮效應(yīng)

在鐵電薄膜中電致伸縮效應(yīng)為一種次級機(jī)電效應(yīng)，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(fù)電荷中心重合于一點(diǎn)，因此對外并不表現(xiàn)出壓電效應(yīng)。在外加電場作用下，材料的正負(fù)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(yīng)。壓電效應(yīng)與電致伸縮效應(yīng)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(jì)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(dāng)電場強(qiáng)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(dāng)[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(zhǔn)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(jì)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(yīng)變S3，如圖6所示。從圖中可以看出，電致伸縮應(yīng)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(yīng)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(yīng)變值。這也說明了準(zhǔn)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(yīng)變

5.3 壓電應(yīng)變與電致伸縮應(yīng)變

為了比較壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)的大小關(guān)系，我們計(jì)算出了五種不同成分的鐵電薄膜的壓電應(yīng)變和電致伸縮應(yīng)變值，并且繪制子圖7中進(jìn)行比較。從圖7可以看出，壓電應(yīng)變和電致伸縮應(yīng)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(dá)到頂峰。從圖中也可以看出，電致伸縮應(yīng)變的值（Electrostrictive strain）從整體上是要大于比壓電應(yīng)變值（Piezoelectric strain）的。這說明當(dāng)電場強(qiáng)度較大時，電致伸縮效應(yīng)要大于壓電效應(yīng)[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(yīng)和壓電效應(yīng)。

圖7 NBT-KBT100x薄膜的壓電應(yīng)變與電致伸縮應(yīng)變比較

6 結(jié)語

為了驗(yàn)證NBT-KBT100x中不同含鉀量對鐵電薄膜機(jī)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(jìn)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(zhǔn)同相界，通過測試和計(jì)算壓電系數(shù)、電致伸縮系數(shù)證明了準(zhǔn)同相界附近成分的鐵電薄膜具有最優(yōu)的機(jī)電性能。

（2）利用唯象理論計(jì)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(yīng)用前景。

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