[發明專利]反鐵電晶體鈮镥酸鉛-鈦酸鉛及其制備方法

在審

• 申請號: 201310689956.2
• 申請日: 2013-12-16
• 公開（公告）號: CN103710756A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 劉穎;龍西法;李修芝;王祖建;何超;林菊
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: C30B29/30
• 分類號: C30B29/30;C30B29/32;C30B11/00;H01L41/08
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技術領域

本發明涉及一種新型反鐵電晶體及其制備方法。具體而言，本發明涉及到具有鈣鈦礦結構且居里溫度相對較高、儲能密度較大的反鐵電單晶材料(1-x)Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃，簡記為PLN-PT或PLNT，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、點火器、電容器、驅動器、存儲器、探測器等，在國民經濟與國防安全中發揮著不可替代的重要作用。1950年日本人首次提出反鐵電體的概念，1952年美國人預言了反鐵電體的存在。目前已經發現的反鐵電材料約有40多種，鋯酸鉛(PbZrO₃)是最早發現的反鐵電體，它的居里點Tc為230℃。由其延伸的具有復合鈣鈦礦結構的PZT(PbZrO₃-PbTiO₃)基反鐵電材料是一類最有發展潛力的反鐵電材料。反鐵電材料在相變時具有大應變量和高密度電荷瞬間釋放特性，通過場誘相變還提供了可開關、可調變的介電、壓電和熱釋電性能，并具有可逆的增強效應。因此反鐵電材料成為智能傳感和致動系統中的關鍵材料，其可能應用的領域包括高密度儲能電容器、大位移致動器、換能器和可開關、可調變壓電和熱釋電探測器等。與傳統的壓電換能材料相比，由于反鐵電材料利用的是結構的相變機制，可以一次性釋放出儲存的全部電能，其轉換效率遠遠大于壓電換能器。

鈮镥酸鉛Pb(Ln_1/2Nb_1/2)O₃(PLN)是一種介于有序無序的鈣鈦礦結構。有序PLN是正交鈣鈦礦相反鐵電體，無序PLN是贗立方鈣鈦礦弛豫鐵電體。鈮镥酸鉛PLN和鈦酸鉛PbTiO₃(PT)形成的固溶體應該具備和PZT相似的性質，優異的壓電性能，并且具有高居里溫度。鑒于以上的考慮，為了尋找一種具有高儲能密度且具有高居里溫度的反鐵電晶體材料，我們開展對(1-x)Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃(PLN-PT)固溶體系的研究。研究二元體系PLN-PT在PT含量較低組分的晶體的制備方法、結構和電學性能，為壓電儲能領域提供一種新型且能用于高能存儲器件的高居里溫度高性能反鐵電晶體。

發明內容

本發明的目的在于針對上述提出的問題尋找一種新型的反鐵電晶體并研究其制備工藝，以解決現有反鐵電晶體難生長和沒有較好的適用于儲能器件的反鐵電晶體材料，為反鐵電晶體材料增加一種新產品。該反鐵電晶體材料能廣泛用于壓電儲能器件領域。

本發明提供的一種新型的反鐵電晶體材料，晶體的化學組成為：(1-x)Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃，其中，0<x<0.3，簡寫為：PLN-PT，屬于鈣鈦礦結構。所述的化學組成優選選為：0.93PLN-0.07PT。

本發明所述的反鐵電晶體材料可通過以下兩種技術方案與已實現：

1.基于該體系適合生長的高溫溶液法，包括如下具體步驟：

a)將初始原料PbO或Pb₃O₄、Fe₂O₃、TiO₂、Yb₂O₃、Nb₂O₅按晶體的化學組成進行配比；

b)助溶劑采用PbO或Pb₃O₄和H₃BO₃或B₂O₃復合助溶劑；

c)將晶體原料和助溶劑在容器中攪拌混合研磨；

d)將混合均勻的粉料裝入鉑金坩堝中，并把鉑金坩堝置于晶體生長爐中化料；

e)在晶體生長過程中將原料加熱至過飽和溫度以上（900-1200℃之間），恒溫一定時間，然后以每天1-20℃的速率降溫。生長結束，以5-40℃/h降溫退火，后取出晶體。