【摘 要】
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铁电压电单晶材料通常不仅具有非常高的压电系数和机电耦合系数,同时还具有非常低的介电损耗和较高的机械品质因数,所以在医用超声成像仪、水声换能器以及压电驱动器等领域有着广泛的应用。本论文对钽铌酸钾（K（Ta,Nb）O3,KTN）基单晶和铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）系单晶的物理性质进行研究。系统研究了 KTN系单晶的结构特性、应变特性、介电性能和压电性能,研究了交流极化对不同取向、不同组分和Mn掺杂
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铁电压电单晶材料通常不仅具有非常高的压电系数和机电耦合系数,同时还具有非常低的介电损耗和较高的机械品质因数,所以在医用超声成像仪、水声换能器以及压电驱动器等领域有着广泛的应用。本论文对钽铌酸钾（K（Ta,Nb）O3,KTN）基单晶和铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）系单晶的物理性质进行研究。系统研究了 KTN系单晶的结构特性、应变特性、介电性能和压电性能,研究了交流极化对不同取向、不同组分和Mn掺杂的PMN-PT系单晶性能的影响。一、本论文对大尺寸（25×25×37mm3）KTN单晶的结构、压电性质、介电性质、弹性性质和机电耦合性质进行全面的测试与分析。用超声和谐振相结合的方法测试KTN单晶的全矩阵参数,发现KTN单晶的d15高于其d33。随后通过坐标变换得到压电系数d33*、机电耦合系数k33*和弹性系数s33E*在三维空间和（100）C面内的分布情况,发现以上参数都沿[001]c方向取得最大值,说明四方相KTN单晶沿[001]C方向极化压电性能、机电耦合性能和弹性性能最优。通过电滞回线测试发现KTN单晶存在较大的内偏场（Ei）,并分析其Ei主要来源于组分梯度。二、全面研究了大尺寸（25×25×18mm3）Sn:KTN单晶的组分均匀性、全矩阵参数和应变特性。通过电子探针（EPMA）测试、能量色散谱（EDS）测试和介电温谱测试验证了铌（Nb）元素在Sn:KTN单晶内分布均匀。测试了 Sn:KTN单晶的全矩阵参数,随后通过坐标变换得到ε33T*、d33*、k33*和s33E*在三维空间和（100）C面内的分布情况,发现以上所有参数的最大值均沿[001]C方向。通过Rayleigh分析发现Sn:KTN单晶的介电响应的本征贡献远高于非本征贡献。最后通过对比Sn:KTN、KNNLT和KTN单晶的d33*在（100）C面内的分布情况,发现室温靠近正交-四方相变温度（TO-T）的KNNLT单晶的d15比d33高,而靠近居里温度（TC）的Sn:KTN单晶d33比d15高。这是由于TO-T附近极化旋转路径自由能分布平坦化,极化旋转更容易,所以d15值较大。而TC附近的极化伸长/收缩路径自由能分布平坦化,有利于极化伸长/收缩,从而表现出较大的d33。同时本文还测试了 Sn:KTN单晶在大电场下的应变曲线,并对其电畴翻转情况进行了分析。三、探索了 PMN-PT系和Cu:KNNT无铅压电单晶的交流极化工艺,并通过Rayleigh分析和电畴观察研究交流极化对单晶性能的影响。本工作通过对比[001]C取向的PMN-26PT、PMN-32PT、Mn:PIN-PMN-PT、Cu:KNNT 和[011]C 取向的 PMN-26PT 单晶的交流极化效果,发现交流极化能显著提高[001]C取向的PMN-PT系单晶的压电系数和介电系数,但对[001]C取向的Cu:KNNT和[011]C取向的PMN-26PT单晶无效,说明交流极化有一定的适用范围。通过对比交流极化方法对不同PMN-PT系弛豫铁电单晶压电、介电性能影响的结果可知,交流极化方法提升压电、介电性能的关键因素为本征晶格畸变的贡献。瑞利分析结果和微观畴结构解析可知,交流极化方法通过使PMN-PT系基弛豫铁电单晶的畴壁能量降低、微观畴结构更加规则的方式,提升其畴壁运动贡献和本征晶格畸变贡献,从而使得压电、介电性能存在大幅度的提升
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