聊城大学郝继功副教授、李伟副教授JAC：稀土Sm改性的KNN基压电陶瓷的电学及发光特性研究

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研究背景

在压电材料无铅化研究中，铌酸钾钠 (K0.5Na0.5NbO3, KNN) 无铅压电材料由于其高的居里温度和良好的压电性能引起了国际上的广泛关注。近年来，KNN基压电陶瓷发展迅速，其压电系数也不断被提高至 400 ~ 650 pC/N。

在众多的研究方法中，离子掺杂作为改善KNN基材料性能的主流方式，在增强KNN基材料的压电活性方面取得了长足的进步，通过离子掺杂可以构建多相共存并形成相界 (特别是新型相界NPB)，进而实现压电性能的提升。值得关注的是，在离子掺杂研究中，稀土离子占有重要的地位，广泛应用于压电材料电学性能的优化改性并取得了众多研究成果。针对KNN基压电陶瓷而言，采用稀土离子掺杂不仅可以增强KNN基材料的烧结性能与压电性能，还可以赋予其优异的光学特性，使其在光电耦合器件领域的应用中极具潜力。

内容简介

最近，聊城大学郝继功、李伟副教授团队利用传统固相烧结法制备了Sm掺杂的KNN基陶瓷材料 (所选基体为位于R-T相界的KNSN-0.04BNKZ陶瓷组成)，并系统研究了材料的电学性能和发光性能。结果表明，Sm掺杂后提高了KNNS-BNKZ材料的晶体结构对称性，材料表现为单一赝立方相结构，因而Sm掺杂样品呈现出细长的电滞回线和宽化的介电峰，为典型的弛豫性铁电体。同时研究发现，Sm掺杂显著提高了材料的温度稳定性与抗疲劳特性：在室温至150°C温度区间内，材料的铁电、电致应变性能变化幅度较小；当电场循环105次后，样品的铁电与电致性能性能无明显消弱。此外，Sm改性的KNN基陶瓷材料在 407 nm激发下呈现明亮的橙红色发光，发光强度随着 Sm 掺杂浓度的增加而增大，其主要发射峰为597 nm附近的强红色发射峰，对应于4G5/2→6H7/2能级跃迁。KNNS-BNKZ-Sm陶瓷作为一种多功能材料，在光电一体化和耦合器件的应用中显示出巨大的潜力。

图文导读

图1 (a,b) KNSN-0.04BNKZ-xSm陶瓷的XRD图谱，(c) x=0.0005组分陶瓷的XRD精修结果

图2 (a) KNSN-0.04BNKZ-xSm陶瓷在室温、10Hz条件下的(a)电滞回线和(b/c)双/单向电致应变曲线，(d-f) x=0.002组分陶瓷经105电场循环前后电滞回线和双/单向电致应变曲线对比

图3 (a) x=0.002组分陶瓷在不同温度下、10Hz条件下的(a)电滞回线和(b/c)双/单向电致应变曲线，(d) x=0.002组分陶瓷剩余极化强度Pr和单向应变值Suni随温度的变化

图4 (a) x=0.0005组分陶瓷的(a)激发光谱和发射光谱，(b) Sm3+的能级图，(c) 不同组分KNSN-0.04BNKZ-xSm陶瓷的发射光谱，(d) x=0.0005组分陶瓷陶瓷的CIE色度图

原文链接
https://link.springer.com/article/10.1007/s40145-019-0349-x

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