【摘 要】
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弛豫铁电单晶材料,例如Pb(Mg1/3Nb2/3)-Pb Ti O3（PMN-PT）,Pb(Zn1/3Nb2/3)-Pb Ti O3（PZN-PT）和Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb Ti O3（PIN-PMN-PT）由于具有优异的压电、介电、机电性能使其在下一代压电换能器、传感器的应用方面具有巨大的潜力。近年来,高质量、大尺寸的PMN-PT和PIN-PMN
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弛豫铁电单晶材料,例如Pb(Mg1/3Nb2/3)-Pb Ti O3（PMN-PT）,Pb(Zn1/3Nb2/3)-Pb Ti O3（PZN-PT）和Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb Ti O3（PIN-PMN-PT）由于具有优异的压电、介电、机电性能使其在下一代压电换能器、传感器的应用方面具有巨大的潜力。近年来,高质量、大尺寸的PMN-PT和PIN-PMN-PT单晶相继被通过坩埚下降法成功生长,这也推进了它们的应用。然而,在用坩埚下降法生长PMN-PT和PIN-PMN-PT单晶的过程中总会存在着组分偏析,从而造成单晶沿生长方向从底部到顶部的组分差异和电学性能变化。在坩埚下降法生长晶体的过程中,采用合适籽晶对于生长出高质量和高均匀性的单晶至关重要。常用的籽晶方向有和方向,采用不同方向籽晶以及不同体系的晶体生长过程中的组分偏析往往存在着一定的差异。研究PMN-PT和PIN-PMN-PT单晶通过坩埚下降法生长过程中的组分偏析和性能变化对于指导其生长和推进其应用具有重要的意义。研究表明,铁电单晶的性能可以通过采用不同的极化方式和条件等畴工程技术来实现调控;对于组分偏析后不同组分的单晶可以通过不同的极化方式和条件来实现性能的均匀性。所以,本文系统地研究了采用取向籽晶生长的PMN-PT和PIN-PMN-PT单晶以及采用取向籽晶生长的PIN-PMN-PT单晶沿生长方向的组分偏析和性能变化;并研究了不同直流极化电场强度对取向生长的PIN-PMN-PT单晶沿生长方向不同组分的性能影响。在本文中,我们通过垂直坩埚下降法采用取向籽晶和取向籽晶成功沿籽晶方向生长了长度大于100mm直径约70mm的高质量的PMN-PT和PIN-PMN-PT单晶。分别研究了取向生长的PMN-PT和PIN-PMN-PT单晶沿生长方向从底部到顶部的组分变化和性能变化规律;结果表明PMN-PT和PIN-PMN-PT单晶组分和性能变化规律相似,PMN含量分别从73.81 mol%和43.12mol%减少到69.75 mol%和40.94 mol%,PT含量分别从26.19 mol%和23.13 mol%增加到30.25 mol%和26.86 mol%,加入PIN后对组分偏析有一定的抑制作用。在电学性能方面,沿生长方向从底部到顶部,PMN-PT单晶的电学性能在整体上呈升高的趋势,压电常数和介电常数分别从1435p C/N和4600升高到1885p C/N和5700;PIN-PMN-PT单晶的介电和压电等电学性能在整体上呈先升高后震荡再降低的变化趋势,压电常数和介电常数的变化范围分别为1140-1720p C/N和3800-4570。研究了取向生长的PIN-PMN-PT单晶沿生长方向的组分和性能变化;结果表明偏析规律和取向生长的PIN-PMN-PT单晶相同,PIN含量基本稳定在24 mol%,PMN含量从45 mol%减少到42 mol%,PT含量从31 mol%增加到35 mol%。在性能变化上,相变温度和居里温度逐渐升高,压电和介电常数呈现先升高后缓慢降低的趋势。研究了直流极化电场强度与不同组分晶体的介电和压电性能的关系,通过改进传统一致的极化方式,提升了取向生长的PIN-PMN-PT单晶从底部到顶部的介电和压电性能均匀性。改进极化后,约有80%的晶体的介电常数和压电常数能够分别维持在4500-5000和1700-1900p C/N。优异的压电和介电性能的均匀性更有利于PIN-PMN-PT单晶的商业应用。
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