[發明專利]一種壓電材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201610540195.8
• 申請日: 2016-07-11
• 公開（公告）號: CN107611251A
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 何超;龍西法;李修芝;王祖建
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: H01L41/18
• 分類號: H01L41/18;H01L41/187;H01L41/35;H01L41/41;C30B29/22;C30B33/04
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司11540
• 代理人: 張瑩

技術領域

本申請涉及壓電材料，特別涉及其壓電性能具有高溫度穩定性的鐵電壓電材料及相關的制造方法。

背景技術

鈣鈦礦鐵電材料是一類重要的功能材料，廣泛應用于傳感器、制動器、驅動器、執行器等壓電器件領域。近年來，隨著我國在能源、航空航天、電子信息等領域的發展，對高溫下穩定、可靠的壓電元器件需求日益迫切，需要壓電器件能穩定運行，壓電材料有良好的溫度穩定性。目前廣泛使用的是ABO₃型的單相或復合鈣鈦礦結構的鐵電壓電材料。這些材料具有優異的壓電性能，但另一方面由于材料的壓電性能強烈的依賴于溫度，隨著使用溫度的提高存在嚴重的退極化，導致壓電性能降低，溫度穩定性差，從而影響器件的穩定性。例如對于Pb(Zr_xTi_1-x)O₃(PZT)基的壓電材料而言，其使用溫度基本都在居里溫度的一半以下，嚴重的限制了其的應用。研究表明造成鐵電壓電材料的壓電性能溫度穩定性差的主要原因是材料在低溫用電場極化處理后，其極化隨著溫度的升高，本來在低溫極化后有序排列的電疇向無序化轉變而造成退極化，因而引起壓電性能在遠低于鐵電材料居里溫度時大大減弱甚至消失，使得鐵電壓電材料的實際使用溫度遠遠低于居里溫度。

發明內容

為解決上述鐵電壓電材料的熱穩定性問題，本申請的發明人對于壓電材料壓電性能的溫度穩定性進行了深入研究，通過在材料中引入穩定自發極化或穩定有序疇排列的因子，即在電場極化后的鐵電壓電材料，提供穩定極化方向的一種驅動力和極化向無序轉變的一種回復力，解決了壓電性能溫度穩定性差的問題，提高了壓電材料壓電性能的溫度穩定性。

根據本申請的一個方面，提供一種鐵電壓電材料，其特征在于，所述鐵電壓電材料選自具有點缺陷的鈣鈦礦型晶體材料中的至少一種；所述缺陷極化方向與鈣鈦礦型晶體材料自發極化的方向一致。

其中，所述“缺陷極化方向與鈣鈦礦型晶體材料自發極化的方向一致”指鐵電壓電材料中所有缺陷極化和鈣鈦礦型晶體材料中所有自發極化均向著相同的方向，呈一致性。即，不僅在一個鈣鈦礦晶胞內，缺陷極化方向與晶體本身的極化方向一致，并且所有晶胞的極化方向(連同缺陷極化方向)均一致，呈高度有序性排列。

具有點缺陷的鈣鈦礦型晶體材料中的點缺陷產生的方法主要有：(1)在制備過程中存在元素的變價、揮發等行為，為了電價平衡而出現點缺陷，例如氧空位等；(2)通過向ABO₃型鈣鈦礦的A位或B位添加摻雜離子，從而引入點缺陷，例如各種空位。

優選地，所述具有點缺陷的鈣鈦礦型晶體材料的化學式為：

A(B_xM_y)O₃；

其中，x＝0.7～1，y＝0～0.3且x+y＝1；

A選自Ba和/或Pb；

B選自Zr、Ti、Mg、Zn、Ni、Sc、Yb、Y、Lu、Ho、In、Ta、W中的至少一種；M為摻雜元素，選自Sn、Mn、Fe中的至少一種；B和M占據相同的晶體學位置。

A(B_xM_y)O₃由摻雜元素M向ABO₃中摻雜元素M得到，摻雜元素部分替代鈣鈦礦型晶體材料ABO₃中B的位置。

作為一種實施方式，所述ABO₃中是BaTiO₃、Pb(Zr,Ti)O₃或Pb(B₁,B₂)O₃；其中B₁選自Mg、Zn、Ni、Sc、Yb、Y、Lu、Ho、In中的至少一種；B₂選自Nb、Ta、W中的至少一種。

優選地，所述具有點缺陷的鈣鈦礦型晶體材料的結構為三方晶系和/或四方晶系。

所述鐵電壓電材料包括但不限于單晶材料、多晶材料、陶瓷或膜。

所述鐵電壓電材料的使用溫度最高可達居里溫度。

根據本申請的又一個方面，提供上述鐵電壓電材料的制備方法，其特征在于，至少包括以下步驟：

a)得到具有點缺陷的鈣鈦礦型晶體材料；

b)通過外加電場的方法，使缺陷極化方向與鈣鈦礦晶體材料的極化方向一致。

所述缺陷極化方向與鈣鈦礦晶體材料的極化方向呈高度有序排列。