[發明專利]壓電單晶、其制造方法及使用其的壓電及介電應用部件

在審

• 申請號: 202180082720.5
• 申請日: 2021-12-08
• 公開（公告）號: CN116569675A
• 公開（公告）日: 2023-08-08
• 發明（設計）人: 李壕用;白媛善;金蕫皓;金文贊
• 申請（專利權）人: 賽若樸有限公司
• 主分類號: H10N30/85
• 分類號: H10N30/85;C30B29/22;C30B1/02;H10N30/093
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 李棟修;龔澤亮

本發明涉及一種壓電單晶、壓電單晶的制造方法以及使用該壓電單晶的壓電和介電應用部件。本發明的壓電單晶，通過控制鈣鈦礦型晶體結構([A][B]O₃)中位于[A]處的離子的組成，使壓電單晶的特性最大化，并且，由于固相單晶生長方法，即使在復雜的化學組成的情況下，也可以提供沒有組成梯度的均一組成的單晶，特別是，本發明的壓電單晶顯示對機械沖擊的較大抗性，并且以容易機械加工的形式，因此壓電單晶可以有用地應用于使用壓電單晶的壓電應用部件和介電應用部件領域，包括超聲換能器、壓電致動器、壓電傳感器和介電電容器。

技術領域

本發明涉及一種壓電單晶及其制造方法，以及使用該壓電單晶的壓電和介電應用部件，更具體地說，涉及一種具有鈣鈦礦型晶體結構的壓電單晶、所述壓電單晶的制造方法和使用所述壓電單晶的壓電和介電應用部件，所述壓電單晶配置為通過控制鈣鈦礦型晶體結構([A][B]O₃)中位于[A]處的離子組成來改善壓電單晶特性，從而可以同時實現高介電常數(K₃^T≥4000至15000)、高壓電電荷常數(d₃₃≥1,400至6,000pC/N)和高矯頑電場(E_C≥4至12kV/cm)，并且所述壓電單晶通過固相單晶生長法制造，使得即使在組成的復雜的化學組成時也可以提供沒有組成梯度的均一的壓電單晶，并且同時實現機械特性。

背景技術

由于具有鈣鈦礦型晶體結構([A][B]O₃)的壓電單晶顯示的介電常數K₃^T、壓電電荷常數d₃₃和機電耦合系數k₃₃比現有壓電多晶材料所顯示的那些令人難以置信地高，期望將壓電單晶應用于如壓電致動器、超聲換能器、壓電傳感器、介電電容器等高性能部件，其實際應用也會將其引入各種薄膜元件用基材。

迄今為止開發的具有鈣鈦礦型晶體結構的壓電單晶的實例包括PMN-PT(Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃)、PZN-PT(Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃)、PInN-PT(Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-PbTiO₃)、PYbN-PT(Pb(Yb_1/2Nb_1/2)O₃-PbTiO₃)、PSN-PT(Pb(Sc_1/2Nb_1/2)O₃-PbTiO₃)、PMN-PInN-PT、PMN-PYbN-PT、BiScO₃-PbTiO₃(BS-PT)等。由于這些單晶在熔化時顯示出一致的熔化行為，因此通常通過作為現有的單晶生長方法的熔劑法(flux?method)、布里奇曼法等來制造它們。

然而，盡管之前開發的PMN-PT和PZN-PT壓電單晶具有在常溫下顯示出高介電和壓電特性(即K₃^T4,000，d₃₃1,400pC/N，k₃₃0.85)的優勢,由于如低相變溫度T_C和T_RT、低矯頑電場E_C、脆性等缺陷，在壓電單晶的工作溫度范圍或工作電壓條件以及應用壓電單晶的部件的生產條件等方面受到很大限制。

通常，已知具有鈣鈦礦型晶體結構的壓電單晶在菱方相與四方相之間的準同型相界(MPB)中相對于組成從相鄰邊界顯示出最高的介電和壓電特性。