[發明專利]富鈮摻鋰鉭鈮酸鉀單晶及其制備方法

無效

• 申請號: 201310636441.6
• 申請日: 2013-11-26
• 公開（公告）號: CN103603044A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發明（設計）人: 李均;李楊;周忠祥
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C30B29/30
• 分類號: C30B29/30;C30B15/00
• 代理公司: 哈爾濱市文洋專利代理事務所(普通合伙) 23210
• 代理人: 王艷萍

技術領域

本發明涉及鉭鈮酸鉀（KTN）晶體及其制備方法。

背景技術

作為人類社會發展的基礎產業，材料工業在國民經濟中占著舉足輕重的地位。而壓電、鐵電材料作為一類重要的功能材料，在超聲探測、超聲成像、高應變驅動器等電聲轉化器件上得到廣泛的應用。對環境無污染且對人類健康無損害的無鉛鐵電壓電材料的研究主要集中于陶瓷材料，而陶瓷由于其矯頑場較高，極化較困難，壓電性能受到限制，得不到很好的應用。鑒于鐵電單晶的壓電性能遠遠超出同類的陶瓷材料，同時鐵電單晶結構遠比陶瓷等多晶材料結構簡單、便于物理機理的研究，在材料物理等基礎研究中具有更為重要的學術意義。鉭鈮酸鉀（KTN）晶體作為最早被發現的光折變材料，KTN晶體被很多單位和研究人員成功地生長，但是現有的KTN晶體中的鈮與鉭的原子個數的比值小于1，鈮含量偏低，導致KTN晶體的居里溫度都是在室溫左右或小于室溫的，且已報道的研究工作大多數都集中在光學性能上。用現有的生長低鈮鉭鈮酸鉀晶體的方法生長富鈮KTN晶體，因為在室溫下富鈮KTN晶體為鐵電相，鐵電晶體易開裂，而且后期樣品處理過程中因為鐵電單晶在組分上的復雜性導致了晶體內部結構的多樣性共存，當受到環境的影響、特別是溫度的突變時，晶體內部各微結構變化朝著不同的方向變化、且不可調和，進而在宏觀上致使晶體開裂，因此生長富鈮KTN晶體一直是晶體研究者們面臨的困難。

發明內容

本發明的目的是要解決現有的低鈮鉭鈮酸鉀晶體居里溫度低，而用現有晶體生長方法無法得到富鈮鉭鈮酸鉀單晶，而提供富鈮摻鋰鉭鈮酸鉀單晶及其制備方法。

本發明的富鈮摻鋰鉭鈮酸鉀單晶，其表示式為K_0.95Li_0.05Ta_1-xNb_xO₃，其中x=0.50～0.90，該富鈮摻鋰鉭鈮酸鉀單晶在室溫下是四方鈣鈦礦型晶體結構。

本發明的富鈮摻鋰鉭鈮酸鉀單晶的制備方法，按以下步驟進行：

一、按碳酸鉀（K₂CO₃）、碳酸鋰（Li₂CO₃）、氧化鉭（Ta₂O₅）和氧化鈮（Nb₂O₅）的摩爾比為(1～1.25):0.05:(1-x):x，其中x=0.50～0.90，稱取碳酸鉀（K₂CO₃）、碳酸鋰（Li₂CO₃）、氧化鉭（Ta₂O₅）和氧化鈮（Nb₂O₅）粉末并混合均勻，得到混合粉末；

二、將步驟一得到的混合粉末進行球磨；

三、將經步驟二處理的混合粉末放入模具中，壓制成片，然后把片放在馬弗爐中以140～150℃/h的升溫速度升溫至880～920℃并保持4～5h，得到富鈮摻鋰鉭鈮酸鉀多晶片；

四、將富鈮摻鋰鉭鈮酸鉀多晶片搗碎，放在研缽中加入乙醇濕磨，得到生長單晶的原料；

五、將生長單晶的原料放入鉑金坩堝中，再將鉑金坩堝放入感應式晶體提拉生長爐內；以90～100℃/h的升溫速度升溫至1300～1350℃并保持5～6h，使混合粉末原料熔化并混合均勻；然后降溫至1200～1250℃，啟動籽晶桿旋轉功能，使固定有晶種的籽晶桿以8～12r/min的旋轉速度旋轉，接種籽晶；

六、待晶體在籽晶上開始結晶時，再啟動籽晶桿提拉功能，將籽晶桿以0.4～0.6mm/h速度進行提拉；待晶體生長到0.8～1.2mm時再對晶體進行放肩、收肩，放肩和收肩的過程重復3～5次；

七、待晶體生長至2～3mm時開始等徑生長，當晶體長至15～20mm時將其拉斷，再以10～20℃/h的降溫速度退火降溫至室溫，即得到富鈮摻鋰鉭鈮酸鉀單晶。

本發明的富鈮摻鋰鉭鈮酸鉀單晶具有四方鈣鈦礦型晶體結構，單晶中鈮與鉭的原子個數的比值為1～9，相變溫度為310～500K，鈮相對含量高，相變溫度相對于低鈮鉭鈮酸鉀提高了3.3～66.7%。通過過渡元素鋰的摻雜和壓片預燒，采用提拉法開創性地成功生長了大尺寸、高質量、不易開裂的富鈮摻鋰鉭鈮酸鉀單晶，而且能夠實現富鈮摻鋰鉭鈮酸鉀單晶的可控生長；另外該方法相對工藝比較簡單，不使用專用設備，不需要特殊氣氛生長，對環境無污染，可推動富鈮摻鋰鉭鈮酸鉀單晶的大規模制備，本發明的富鈮摻鋰鉭鈮酸鉀單晶可用在無鉛壓電鐵電器件中。

附圖說明