纳米硅掺杂钛酸铋基多功能材料结构与性能研究

作     者：周金磊 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高锋;周宇

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：硅掺杂 钛酸铋 荧光增强 上转换 铁电 

摘      要：钛酸铋(BTO)材料由于其较高的居里温度、良好的抗疲劳性以及各向异性成为了近些年的研究热点,由于BTO本身独特的钛氧八面体层状结构使其具有优良的可裁剪性和可设计性,使材料在铁电、介电、发光、光催化以及光电领域都有极其广泛的应用前景。本文主要通过高温固相合成法制备Si掺杂钛酸铋基陶瓷及其粉末(BiErYbTiWO:xSi,简写成BEYTW:xSi),深入研究了Si掺杂对材料电学性能和发光性能的影响。实验考查了不同气氛(空气和纯氩)以及不同Si掺杂浓度对制备的钛酸铋基材料结构和性能的影响。首先,在空气气氛下制备的BEYTW:xSi荧光粉由单一层状类钙钛矿结构的BiTiO相构成,而在氩气气氛下制备的样品含有少量的BiTiO杂相。XPS元素光谱分析进一步验证Si掺杂没有改变钛酸铋晶格结构,Si在荧光体中以Si为主,说明掺入的大部分Si在合成过程中发生了氧化。另外,Si的掺杂显著地增加了材料的致密性和表面平整度,同时使材料的光学带隙减小并增强了光吸收。在980 nm红外光激发下,所有样品的上转换发射光谱均显示以525 nm、545 nm和675nm为中心的三个发射带,分别对应Er4f层内的电子跃迁。在空气气氛下Si掺杂为6%样品的发光强度和荧光寿命约为未掺杂Si样品的2倍,Si掺杂提高了样品的结晶度,减少了晶格缺陷以及氧空位,降低了Er离子发生非辐射跃迁的概率,是增强上转换发光强度的主要原因。在氩气气氛下制备的样品由于氧空位和缺陷较多,增加了非辐射跃迁的概率,导致样品的发光强度和荧光寿命均明显地降低。BEYTW:xSi片状陶瓷电学性能分析结果表明,掺Si样品的铁电剩余极化值(P)较未掺Si样品均有明显的提高,其中空气中掺4%Si的样品P值达到了26.8μC/cm,氩气中掺Si样品P值为25.3μC/cm,相较于未掺Si的样品分别提高了1.39倍和1.26倍。随着Si掺杂浓度的增加,所有样品的介电常数均有明显增加,介电损耗大幅度降低。在-70-400℃范围内,随着温度的升高,样品介电常数在140-280的范围内逐渐增加,在250℃以下,介电损耗值很小(0.02),但当温度超过250℃,对于氩气气氛下制备的样品介电损耗急剧增加,而在空气中制备的样品保持稳定。原因是氩气中制备的样品氧空位较多引起畴钉扎效应,使畴不易翻转。随着Si掺杂浓度的增加,在空气气氛下制备的陶瓷阻抗明显增加,而对于氩气气氛制备的样品阻抗却明显降低。原因主要是在空气气氛中焙烧,几乎所有的Si都被氧化,从而提高了阻抗。而在氩气气氛中掺Si的样品,未被氧化的Si数量增加,由于单质Si导电性好,会降低材料的绝缘性,从而导致材料阻抗有显著降低的趋势。