[發明專利]一種鐵電單晶鈮鐵酸鉛-鈮鐿酸鉛-鈦酸鉛及其制備方法

在審

• 申請號: 201110308093.0
• 申請日: 2011-10-12
• 公開（公告）號: CN103046138A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 何超;龍西法;李修芝;王祖建;劉穎
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: C30B29/32
• 分類號: C30B29/32;C30B29/30;C30B9/06
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技術領域

本發明涉及一種新型鐵電單晶及其制備方法。具體而言，本發明涉及到具有準同型相界(MPB)結構且居里溫度相對較高的鐵電單晶材料(1-x-y)Pb(Fe_1/2Nb_1/2)O₃-xPb(Yb_1/2Nb_1/2)O₃-yPbTiO₃，簡記為PFN-PYN-PT，以及晶體的制備方法、結構和電學性能，屬于晶體技術和功能材料學領域。

背景技術

鐵電/壓電材料由于具備優良的機電轉換性能、響應速度快等優點，廣泛應用于各種功能器件，如傳感器、換能器、聲納、驅動器、濾波器、微揚聲器等，在國民經濟與國防安全中發揮著不可替代的重要作用。上世紀40年代發現BaTiO₃壓電材料，50年代發現了Pb(Zr_1-xTi_x)O₃，簡稱PZT。PZT陶瓷材料是一種廣泛用于換能器(transducer)和執行器(actuator)的傳統壓電材料，一直在壓電應用領域中占據主導地位。該材料存在準同型相界(morphotropic?phase?boundary)，簡記為MPB。PZT在MPB處表現壓電性能，PZT壓電陶瓷的壓電系數d₃₃～700pC/N，機電耦合系數k₃₃～70％。隨著對MPB的研究，弛豫鐵電體(relaxor?ferroelectric)被發現。近年來，具有鈣鈦礦結構在MPB附近的弛豫鐵電體由于具有高的壓電性而廣泛用于執行器和超聲傳感器上。弛豫鐵電體具有復合鈣鈦礦結構，結構通式為：Pb(B₁，B₂)O₃(B₁＝Mg²⁺，Zn²⁺，Sc³⁺，In³⁺…，B₂＝Nb⁵⁺，Ta⁵⁺，W⁶⁺…)。弛豫鐵電體和PbTiO₃形成的固溶體表現出比PZT材料更優良的介電和壓電性能。其中比較典型的就是(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)-xPbTiO₃(PMNT)和(1-x)Pb(Zn_1/3Nb_2/3)-xPbTiO₃(PZNT)體系。該類單晶材料組分在MPB附近表現出高的機電耦合系數(k₃₃＞90％)、超高壓電系數(d₃₃＞2000pC/N)和大的應變(＞1％)而成為新一代的超聲換能器、傳感器和驅動器的核心壓電材料。因此，有關弛豫鐵電單晶制備、壓電性能和應用研究已經成為鐵電材料中的一個熱點。雖然PMNT和PZNT結構穩定，性能優異，但是此類材料有幾類缺陷。MPB組分的PMNT單晶表現出低的居里溫度T_C低(＜170℃)和低的退極化溫度(T_rt＜100℃)，降低了介電和壓電性能的穩定性，導致容易退極化，實際應用的溫度范圍窄。特別是在換能器制備過程中，溫度變化會降低材料的介電、壓電性能，甚至出現退極化現象，直接影響到器件的性能、穩定性和一致性。另外就是PMNT矯頑場小(2-3kV/cm)，使其不適合應用于高電場。更重要的是，PMNT和PZNT的機械品質因子小(Q～50)。以上這些缺點都使PMNT和PZNT不適用于大功率和較高溫度。因此，我們希望探索一種新型的高居里點、高性能的弛豫鐵電單晶用于大功率器件，以適用當前鐵電材料的發展要求。近年來，(1-x)Pb(Yb_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃(PYN-PT)、(1-x)Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃(PIN-PT)、(1-x)Pb(Sc_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃(PSN-PT)高居里溫度的弛豫鐵電單晶已經報道，但這類弛豫鐵電單晶生長困難，很難獲得高質量的大塊單晶。所以，我們希望找到一種居里點高、性能好且能生長出高質量大塊的新型弛豫鐵電單晶。