[發(fā)明專利]巨場(chǎng)致應(yīng)變鈦酸鋇單晶的制備方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910198401.1
• 申請(qǐng)日: 2009-11-06
• 公開（公告）號(hào): CN102051688A
• 公開（公告）日: 2011-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅豪甦;周丹;趙祥永;李曉兵;林迪;張欽輝;徐海清;王升;狄文寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號(hào): C30B30/02
• 分類號(hào): C30B30/02;C30B15/00;C30B29/32
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及巨場(chǎng)致應(yīng)變鈦酸鋇單晶的制備方法。?

背景技術(shù)

通常的壓電材料因離子在電場(chǎng)中微動(dòng)而產(chǎn)生場(chǎng)致應(yīng)變。但這種普通壓電效應(yīng)的電致變形很小，制約了該材料的實(shí)際應(yīng)用性，在200V/mm的電場(chǎng)下，一般的PZT系壓電陶瓷的應(yīng)變不到0.02％。而且由于對(duì)人體健康的不利影響，這些如今仍然廣泛使用的含鉛壓電材料，已經(jīng)開始受到越來越多的限制。這樣，對(duì)于非含鉛壓電材料的研究則受到越來越多的重視，如鈦酸鋇單晶，利用90度疇的翻轉(zhuǎn)能產(chǎn)生巨大的形變，其應(yīng)變量可以比普通壓電材料的電致伸縮形變大1至2個(gè)數(shù)量級(jí)；但是，由于不同疇?wèi)B(tài)的能量相等，這種疇的翻轉(zhuǎn)只是一種不可逆的一次性效應(yīng)，只有外加驅(qū)動(dòng)力使得翻轉(zhuǎn)的疇能夠回復(fù)到初始狀態(tài)，才能使得這樣大的場(chǎng)致應(yīng)變具有可重復(fù)性。Eric?Burcsu等人對(duì)鈦酸鋇單晶施加一定的外力，使得晶體能夠回復(fù)到初始狀態(tài)，從而能夠產(chǎn)生可重復(fù)性的0.9％的場(chǎng)致應(yīng)變。但由于需要施加合適的外部壓力，限制了它的實(shí)際應(yīng)用。任曉兵及上海硅酸鹽所周丹等人報(bào)道了摻雜的鈦酸鋇單晶在老化后，無需外部的預(yù)壓應(yīng)力作用即可實(shí)現(xiàn)可逆的90度疇翻轉(zhuǎn)和可逆的巨大場(chǎng)致應(yīng)變。但這種老化方式耗時(shí)周期長(zhǎng)(如摻銠鈦酸鋇單晶在80℃老化20天以上才能見到效果)，并且重復(fù)性不高，可能與鈦酸鋇單晶中摻雜元素量的多少和分布等因素有關(guān)。?

發(fā)明內(nèi)容

為了解決四方相鐵電單晶中90度疇翻轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的巨大應(yīng)變只是不可逆的一次性效應(yīng)的問題，本發(fā)明提供一種制備鈦酸鋇鐵電單晶的方法，在進(jìn)行特定條件的處理后，很容易獲得可逆的巨大場(chǎng)致應(yīng)變效?應(yīng)。?

制備方法包括：a)溶化步驟，由碳酸鋇和二氧化鈦按照35∶30的摩爾數(shù)比混合，同時(shí)摻入微量的三價(jià)元素，加熱混合物，使其溶化；b)生長(zhǎng)步驟，采用[001]方向的鈦酸鋇單晶作為籽晶，在大氣環(huán)境的生長(zhǎng)氣氛中使籽晶接觸充分溶化的溶液，然后慢慢冷卻，在籽晶表面生長(zhǎng)出單晶；c)老化步驟，在居里溫度以下對(duì)生長(zhǎng)出的鈦酸鋇單晶進(jìn)行加溫加電場(chǎng)老化處理，控制單晶中的疇結(jié)構(gòu)和缺陷的取向和分布。?

根據(jù)本發(fā)明，在大氣氣氛中生長(zhǎng)鈦酸鋇單晶，摻入的微量三價(jià)離子取代晶格中四價(jià)鈦離子的位置，形成帶負(fù)電荷的缺陷，并與晶體中帶正電的氧空位缺陷共同組成缺陷偶極矩。本發(fā)明通過對(duì)鈦酸鋇單晶加溫加電場(chǎng)的老化處理過程，控制疇結(jié)構(gòu)以及缺陷偶極矩在疇中的極化方向和分布狀況，影響晶體在場(chǎng)致應(yīng)變時(shí)疇的翻轉(zhuǎn)情況，獲得可逆的由單晶中90度疇翻轉(zhuǎn)貢獻(xiàn)的巨大場(chǎng)致應(yīng)變。具體過程如圖1所示：老化處理之前，晶體中的缺陷偶極矩的自發(fā)極化方向雜亂無序排列，它們對(duì)晶體的作用各向同性，宏觀上不顯電極性。升高溫度，對(duì)晶體進(jìn)行老化處理，晶體中的缺陷偶極矩能夠發(fā)生緩慢的擴(kuò)散移動(dòng)，在老化過程中，施加一直流偏置電場(chǎng)，使得晶體中所有疇沿著電場(chǎng)方向排列，形成單疇化結(jié)構(gòu)，同時(shí)，缺陷偶極矩的極化方向也逐漸沿著電場(chǎng)排列。恢復(fù)到室溫，晶體中缺陷不易發(fā)生擴(kuò)散移動(dòng)而固定下來，缺陷偶極矩的電極化方向和疇的自發(fā)極化方向一致，也就是老化過程中施加的電場(chǎng)方向，缺陷偶極矩對(duì)晶體的單疇化結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)固作用。當(dāng)垂直于老化電場(chǎng)方向?qū)w施加電場(chǎng)，晶體內(nèi)部發(fā)生90度疇翻轉(zhuǎn)而產(chǎn)生巨大的場(chǎng)致應(yīng)變，而當(dāng)撤去電場(chǎng)時(shí)，翻轉(zhuǎn)的疇能夠在缺陷偶極矩的作用下，回復(fù)到初始位置，和缺陷偶極矩的電極化方向保持一致。當(dāng)再次施加垂直于老化方向的電場(chǎng)時(shí)，晶體仍能夠發(fā)生90度疇翻轉(zhuǎn)，因此這種巨大的場(chǎng)致應(yīng)變是可逆的過程，能夠帶來實(shí)際方面的應(yīng)用。?

附圖說明

圖1示出了通過老化時(shí)施加電場(chǎng)來形成單疇化結(jié)構(gòu)并且控制晶體中缺陷偶極矩的分布和取向，以實(shí)現(xiàn)可逆的巨大場(chǎng)致應(yīng)變。?

圖2示出了TSSG法大氣氣氛中生長(zhǎng)鈦酸鋇單晶的裝置示意圖。?

圖3示出了TSSG法大氣氣氛中生長(zhǎng)的鈦酸鋇單晶。?

圖4示出了用以提高電致伸縮性能的鈦酸鋇單晶的切型和電極面。?

圖5示出了施加電場(chǎng)升溫老化前后鈦酸鋇場(chǎng)致應(yīng)變的比較。?

具體實(shí)施方式

采用頂部籽晶溶液法(TSSG)來生長(zhǎng)鈦酸鋇單晶，生長(zhǎng)裝置如圖2所示，生長(zhǎng)氣氛為大氣環(huán)境。生長(zhǎng)原料配置為純度為99.99％的碳酸鋇和99.99％的二氧化鈦按照35∶30的摩爾數(shù)比混合，同時(shí)加入摻雜量為200ppm的氧化鐵。將配置好的原料裝入鉑金坩堝，放入單晶爐內(nèi)，緩慢升溫至1450℃到1480℃，將原料溶化，然后保溫12小時(shí)以上，使原料充分溶化均勻。?