[发明专利]一种钛酸钡基无铅压电发光材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无铅压电材料和光电材料交叉领域，具体涉及一种稀土铒掺杂的锆钛酸钡钙无铅压电发光材料及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷作为一种将机械能与电能相互转换的重要功能材料, 广泛应用于基于压电等效电路的振荡器、滤波器和传感器, 各种类型的水声、超声、电声换能器等, 遍及日常生活、工业生产以及军事等领域。随着电子信息技术的飞速发展, 现在对电子元器件的小型化、功能化、低成本、高稳定性的要求更高, 压电陶瓷材料及其应用研究也正在加深, 期望得到具有性能好、品种多、增值高、污染少等优点的压电陶瓷材料。目前，以锆钛酸铅(PZT)为代表的铅基压电陶瓷在商业应用上一直占据主导地位，但PZT陶瓷的铅含量高达60%以上，在制备、使用和废弃过程中对生态环境和人类健康造成严重危害。因此，寻找能够代替PZT的无铅压电材料成为电子材料领域的紧迫任务之一（硅酸盐通报，2010,29（3）：616-626；四川师范大学学报，2010,33（1）：117-131）。根据PZT的研究经验，为了提高无铅压电陶瓷的压电性能，研究主要集中在三方－四方准同型相界上（Physical Review Letters, 2009,103: 257602; Applied Physics Letters, 2011,99: 122901）。然而研究表明，钛酸钡基压电陶瓷的准同型相界实际上是多晶型相变过程中的正交－四方两相共存，或者正交－四方－立方三相共存，即通过改变样品组分或烧结温度将样品的相变温度调节到室温附近，从而得到了室温下较高的压电性能。并且在多晶型相变过程中，随着温度的升高或降低，多晶相共存结构逐渐转变为单一晶相结构，高压电性能随之迅速降低。也就是说，多晶型相变存在的温度区间较窄，温度稳定性差，提高温度稳定性总是以降低样品的压电性能为代价的。据所查到的相关专利中，未见稀土铒掺杂的锆钛酸钡钙陶瓷的制备和高压电活性的温度稳定性研究。

公开号为102584227A（申请号201210010669.X）的中国专利文献公开了一种稀土氧化物钇掺杂的锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷及其制备工艺，其分子式为Ba_0.99-xCa_0.01Y_xTi_0.98Zr_0.02O₃，其中x＝0～0.8%，该稀土氧化物钇掺杂锆钛酸钡钙陶瓷具有较高的温度稳定性。公开号为102531578A（申请号201210013996.0）的中国专利文献公开了一种钛酸钡钙-锆钛酸钡-锡钛酸钡三元系无铅压电陶瓷，材料组成为Ba_0.8-xCa_xTi_0.8O₃-0.1BaTi_0.9Sn_0.1O₃-0.1BaTi_0.8Zr_0.2O₃，其中x＝0.005～0.06，该体系为钙钛矿相，x＝0.005～0.04时材料处于准同型相界区域，具有良好的压电性能，材料的压电常数d₃₃值可达420pC/N，机电耦合系数k_p可达44%。

上转换发光材料是一种在红外激光激发下能够发射出可见光的材料，在防伪、红外探测、三位立体显示、短波长全固态激光器、生物标记等领域均有广泛的应用。上转换发光基质材料主要有氟化物、氯化物、氧化物等（《一种上转换荧光基质材料NaYF₄纳米晶的制备方法》，中国发明专利，公开号CN1935938）。但是其制备工艺复杂，成本高，环境要求苛刻，且氟化物有毒性，热稳定性和化学稳定性较差，在合成器件时难于集成。近期，人们在热稳定性和化学稳定性较好且无毒性的BaTiO₃、Na_0.5Bi_0.5TiO₃钙钛矿结构氧化物中开展了上转换发光的研究（Optics Express, 2011,19(3):1842-1829; Journal of the American Ceramic Society,2007,90(2):664-666），取得了初步成果，但是极大的牺牲了材料的压电性能，并且发光效率较低，在一定程度上限制了其应用。

根据调研，到目前为止还没有兼具高压电性能和强光致发光性能的多功能压电光电材料的报道。

发明内容