弛豫铁电单晶PZNT的结构相变与热释电性能研究

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弛豫铁电单晶Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZNT)因为具有优异的介电、压电和铁电性能成为铁电领域的研究热点之一,有望在机电领域大放异彩。  本论文使用的PZNT单晶是使用异质同构的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3单晶做籽晶、通过改进的Bridgman法生长,研究不同组成的PZNT单晶(PZNT85/15、PZNT91/9、PZNT95/5)的介电性能、压电性能、铁电性能、热释电性能、电畴组态及光学性能。  不同组成的 PZNT单晶都呈现较纯的钙钛矿结构,没有杂相存在。随着 PbTiO3(PT)含量的增加,PZNT单晶发生成分诱导的结构相变,晶体结构从三方相结构、经过MPB向四方相结构连续变化。  室温下,准同型相界附近的PZNT91/9单晶的介电常数最大,介电损耗最小。PZNT95/5单晶的介电温谱只有一个较宽的介电峰,显示出明显的频率弥散现象,接近于弛豫铁电体。PZNT91/9单晶的介电温谱出现了两个介电峰,说明存在三方-四方、四方-立方两个结构相变。PZNT85/15单晶的介电温谱只有一个较尖锐的介电峰,没有明显的频率色散现象,接近于正常铁电体。PZNT单晶极化后诱导出新的介电峰,与极化样品升温过程的电畴取向或微畴-宏畴转变有关。  PZNT85/15单晶的电滞回线接近矩形,剩余极化和矫顽场较大。PZNT95/5单晶的电滞回线较为狭长,有较大的剩余极化强度和较小的矫顽场。PZNT91/9单晶的电滞回线介于两者之间。PZNT85/15单晶(001)晶片的 d33为530-570pC/N,PZNT95/5单晶(001)晶片的 d33为1120-1180pC/N,PZNT91/9单晶(001)晶片的d33为2500pC/N,远优于其他两种组分,表明准同型相界附近的组成具有优异的压电性能。  PZNT单晶室温性能稳定,易于加工,作为热释电材料使用时最高使用温度可以达到70℃。室温下 PZNT95/5、PZNT91/9、PZNT85/15单晶的热释电系数分别为458、1713、460μC/m2·K。随着温度的升高,热释电系数几乎线性增加,表明热稳定性有待改善。  PZNT91/9单晶中三方相和四方相共存,随着温度的升高,出现三方相-四方相的电畴转变,当温度高于居里温度时,电畴消失。  在红外区间,不同组成的 PZNT单晶产生不同的吸收中心。高频区间的吸收带是非对称的,存在高频拖尾现象,半峰宽较宽,与[Zn1/3Nb2/3]/Ti-O的正常“stretching”振动有关。低频区间的吸收带,与[Zn1/3Nb2/3]/Ti-O的正常“bending”振动有关。由于晶体组分的变化,红外吸收中心、吸收带发生变化,与(Zn1/3Nb2/3)4+取代Ti4+导致的晶胞参数、晶体结构及晶格能的变化有关。PZNT单晶在紫外-可见光区呈现较高的透过率,不同组成的PZNT单晶在480nm以上都没有明显的吸收,透射吸收边在380nm左右,对应着较低的电子能带间隙~3.16eV。PZNT单晶的升温红外光谱对应着B-O键或B-O-B键的振动。随着温度的升高,红外吸收峰的数量、位置、形状、相对强度发生连续的变化,与温度诱导的结构相变有关。不同组成、不同位置的 PZNT单晶呈现相似的拉曼吸收光谱,表明生长的PZNT单晶具有较高的均匀性。中心峰位于~270cm-1、~600cm-1和~770cm-1的弥散拉曼峰分别归属于F2g[TiO6]的弯曲振动、A1g[TiO6]的伸缩振动及弯曲和伸缩振动混合的“软模”振动。
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