NBT-KBT100x铁电薄膜机电耦合性能

张阳军

（乐山职业技术学院 四川 乐山 614000）

1 引言

铁电材料是具有较为明显的电致伸缩效应。这类材料被广泛应用于传感器、致动器、伺服系统等领域[1-3]。据报道，铁电材料在一定成分下存在准同相界，这种成分附近的材料其机电耦合系数以及压电效应都要优于其余组分的材料[3,4]。NBT-KBT100x陶瓷和NBT-KBT100x[4]薄膜在其准同相界附近的铁电压电性和电致伸缩性能都被报道过。店址伸缩性能对提高微传感器的传感性能，尤其是灵敏度方面具有重要意义。NBT-KBT100x薄膜是一种无铅的铁电薄膜，具有良好的环境友好性，目前对其准同相界附近的性能少有报道，本文旨在研究其准同相界的机电耦合性能。

2 NBT-KBT100x不同成分薄膜的微结构

图1（a）是含钾量分别为0.13、0.15、0.18、0.20、0.25等五种成分薄膜在25°～50°X射线衍射图谱。对特征峰进行多峰拟合，得到的结果如图1（b）～（f）。从图1（a）的XRD图谱可以看出，五种成分的贴点薄膜都是多晶体，主要以钙钛矿形式存在，伴随着少量的焦绿石相。通过多峰拟合，我们发现NBT-KBT15成分的薄膜存在准同相界，在0.15成分附近铁电薄膜中存在三方相和四方相共存[5]。

图1 NBT-KBT100x XRD图谱（a），以及特征峰拟合结果（b）～（f）

3 电学性能测试

3.1 漏电流和电滞回线

图2（a）、（b）分别为五种成分铁电薄膜的J-E（漏电流）曲线和P-E曲线（电滞回线）。实验中施加的电场强度为250kV/cm。从图中可以看出0.15组分的薄膜显示出最好的漏电流特性。从b图中可以看出，五种不同成分薄膜材料的2Pr（剩余极化）值先增加，后逐渐减小。2Pr在钾含量为0.15处达到了最大值。这是因为NBT-KBT15薄膜存在准其中三方相和四方相共存，并且相互转化，导致薄膜晶体结构不稳定，从而引起很高的剩余极化值[6-7]。

图2 NBT-KBT100x漏电流曲线（a）,和电滞回线（b）

3.2 介电性能

图3是含钾量分别为0.13、0.15、0.18、0.20、0.25五种铁电薄膜的相对介电常数-电场（ε-E）曲线。从图中可知，NBT-KBT15成分的薄膜相对介电常数值为五种成分之中最大的。这也是因为含钾量为0.15成分的薄膜中存在三方相和四方相共存的准同相界，两相相互转化导致晶体结构不稳定引起高的相对介电常数[8]。

图3 NBT-KBT100x铁电薄膜相对介电常数与电场的关系曲线

4 NBT-KBT100x铁电薄膜的压电性能

4.1 压电响应

在测量有效压电系数deff33过程中，采用逆压电效应局部扫描法，扫描范围为300×300nm2，薄膜的表面有十个点被选择为扫描点，用SPM探针记录下这十个点的D-E曲线[9]。

为了消除D-E曲线相对于坐标原点的偏移量，我们对D-E曲线作出了一定的修正，具体方法如式3所示[10]。

其中，D1和E1分别表示曲线交点的电位移和电场强度。

4.2 压电系数

NBT-KBT100x五种不同成分的铁电薄膜的电位移-电场强度曲线（D-E）和有效压电系数-电场强度曲线（deff33-E）回线如图4所示。由图4可知，D-E曲线的交点偏离了坐标原点，相X轴正向漂移，引起这种现象的主要原因是由于铁电薄膜和其上所镀电极不对称造成的。其中具有准同相界的NBT-KBT15铁电薄膜压电系数的deff33值在90～100pm/V以内，这个值与PZT铁电薄膜相当[11]，而PZT是一种含铅的铁电薄膜，对环境有害，NBT-KBT铁电薄膜不含铅，是一种理想的PZT铁电材料的替代材料。同时NBT-KBT15铁电薄膜压电系数的deff33值也远大于Bi0.5(Na0.7k0.2Li0.1)0.5TiO3铁电薄膜材料的压电系数[12]。从图中容易看出，在这五个组份的NBT-KBT铁电薄膜薄膜中，NBT-KBT15具有最优的压电性能。随着人们对环境保护的日益重视，NBTKBT15无铅铁电薄膜将具有越来越广阔的应用前景。

图4 NBT-KBT100x薄膜的压电响应曲线

5 NBT-KBT100x铁电薄膜的电致伸缩性能

5.1 电致伸缩效应

在铁电薄膜中电致伸缩效应为一种次级机电效应，其大小可以用公式表示为[6]

在外电场为零的情况下，铁电材料中的正负电荷中心重合于一点，因此对外并不表现出压电效应。在外加电场作用下，材料的正负电荷中心不再重合，发生了一定量的偏移，呈现出非对称结构，对外显示出压电效应。压电效应与电致伸缩效应之间具有一定的关系，具体可以用唯象理论的公式表示[8]。

其中，ε33是绝对介电常数值。将方程（1）和（3）代入方程（2）中，S3能表示为

其中，ε33=ε0ε，ε0和ε是真空介电常数和相对介电常数。

5.2 电致伸缩性能

根据公式（3）的可以计算出含钾量分别为0.13、0.15、0.18、0.20、0.25的五种不同组分的薄膜Q33-E3的关系曲线，如图5所示。当电场强度为±（150～250）kV/cm范围内时，铁电薄膜的电致伸缩系数相对稳定，含钾量分别为0.13、0.15、0.18、0.20、0.25的五种不同组分的薄膜电致伸缩系数的平均值在0.019～0.025m4/C2范围内，与PMN-PT铁电薄膜的电致伸缩系数大致相当[8]。通过对比这五条曲线可以发现，含钾量为0.15的铁电薄膜具有最大的电致伸缩系数，其大小为0.025m4/C2，也就是说具有准同相界的0.15成分的铁电薄膜具有最佳的电致伸缩性能。

通过公式（4）可以计算出含钾量分别为0.13、0.15、0.18、0.20、0.25的五种不同组分的薄膜的电致伸缩应变S3，如图6所示。从图中可以看出，电致伸缩应变和电致伸缩系数随着含钾量的变化趋势是相同的，都是先增加，后减小。五个组份薄膜的最大的电致伸缩应变值在0.12%～0.26%范围内，这也与经典的PMN-PT100x电致伸缩体有相同的数量级[8]。通过比较不难发现，含钾量为0.15的NBT-KBT15薄膜具有最大的电致伸缩应变值。这也说明了准同相界附近成分的薄膜具有最优的电致伸缩性能。

图5 NBT-KBT100x的电致伸缩系数与电场的曲线

图6 NBT-KBT100x的电致伸缩应变

5.3 压电应变与电致伸缩应变

为了比较压电效应和电致伸缩效应的大小关系，我们计算出了五种不同成分的铁电薄膜的压电应变和电致伸缩应变值，并且绘制子图7中进行比较。从图7可以看出，压电应变和电致伸缩应变的值呈现出相同的变化趋势，即随着含钾量的增加先增大后减小。两个值分别在含钾量为0.15处达到顶峰。从图中也可以看出，电致伸缩应变的值（Electrostrictive strain）从整体上是要大于比压电应变值（Piezoelectric strain）的。这说明当电场强度较大时，电致伸缩效应要大于压电效应[7]。图7再次说明了含钾量为0.15成分的铁电薄膜具有最佳的电致伸缩效应和压电效应。

图7 NBT-KBT100x薄膜的压电应变与电致伸缩应变比较

6 结语

为了验证NBT-KBT100x中不同含钾量对铁电薄膜机电性能的影响，我们分别对含钾量为0.13、0.15、0.18、0.20和0.25的五个组份铁电薄膜性能进行了表征与分析。

（1）通过XRD图谱的分析得出NBT-KBT15组分的薄膜存在准同相界，通过测试和计算压电系数、电致伸缩系数证明了准同相界附近成分的铁电薄膜具有最优的机电性能。

（2）利用唯象理论计算了0.15成分铁电薄膜的电致伸缩系数，发现其大小与PZT铁电薄膜的值接近。而NBTKBT15不含铅，具有良好的环境友好性，将可能取代目前使用的含铅铁电薄膜材料而具有广阔的应用前景。

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