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Improved ferroelectric/piezoelectric properties and bright green/UC red emission in (Li,Ho)-doped CaBi4Ti4O15 multifunctional ceramics with excellent temperature stability and superior water-resistance performance

材料科学 铁电性 发光 居里温度 压电 陶瓷 兴奋剂 离子 铁电陶瓷 晶体结构 矿物学 结晶学 光电子学 电介质 凝聚态物理 化学 复合材料 冶金 物理 铁磁性 有机化学
作者
Ping Xiao,Yongquan Guo,Mijie Tian,Qiaoji Zheng,Na Jiang,Xiaodong Wu,Zhiguo Xia,Dunmin Lin
出处
期刊:Dalton Transactions [Royal Society of Chemistry]
卷期号:44 (39): 17366-17380 被引量:42
标识
DOI:10.1039/c5dt02728d
摘要

Multifunctional materials based on rare earth ion doped ferro/piezoelectrics have attracted considerable attention in recent years. In this work, new lead-free multifunctional ceramics of Ca1-x(LiHo)x/2Bi4Ti4O15 were prepared by a conventional solid-state reaction method. The great multi-improvement in ferroelectricity/piezoelectricity, down/up-conversion luminescence and temperature stability of the multifunctional properties is induced by the partial substitution of (Li0.5Ho0.5)(2+) for Ca(2+) ions in CaBi4Ti4O15. All the ceramics possess a bismuth-layer structure, and the crystal structure of the ceramics is changed from a four layered bismuth-layer structure to a three-layered structure with the level of (Li0.5Ho0.5)(2+) increasing. The ceramic with x = 0.1 exhibits simultaneously, high resistivity (R = 4.51 × 10(11)Ω cm), good piezoelectricity (d33 = 10.2 pC N(-1)), high Curie temperature (TC = 814 °C), strong ferroelectricity (Pr = 9.03 μC cm(-2)) and enhanced luminescence. These behaviours are greatly associated with the contribution of (Li0.5Ho0.5)(2+) in the ceramics. Under the excitation of 451 nm light, the ceramic with x = 0.1 exhibits a strong green emission peak centered at 545 nm, corresponding to the transition of the (5)S2→(5)I8 level in Ho(3+) ions, while a strong red up-conversion emission band located at 660 nm is observed under the near-infrared excitation of 980 nm at room temperature, arising from the transition of (5)F5→(5)I8 levels in Ho(3+) ions. Surprisingly, the excellent temperature stability of ferroelectricity/piezoelectricity/luminescence and superior water-resistance behaviors of piezoelectricity/luminescence are also obtained in the ceramic with x = 0.1. Our study suggests that the present ceramics may have potential applications in advanced multifunctional devices at high temperature.

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