极性纳米工程化的弛豫PbTiOi铁电晶体制造技术

公开了弛豫PT基压电晶体，其包括通式(Pb

Relaxor pbtioi ferroelectrics with polar Nano Engineering

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】极性纳米工程化的弛豫PbTiOi铁电晶体相关申请的交叉引用本申请要求于2017年9月1日提交的且名为PolarNanoregionsEngineeredRelaxor-PbTiO3FerroelectricCrystals的美国临时专利申请62/553,511的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
本申请涉及压电晶体和形成压电晶体的方法，更具体地，涉及二元/三元弛豫PT基压电晶体和形成二元/三元弛豫PT基压电晶体的方法。
技术介绍
在过去的60年中，由于其高介电、压电和机电耦合因子，钙钛矿Pb(ZrxTi1-x)O3(“PZT”)铁电陶瓷一直是诸如压电传感器、压电致动器和医用超声换能器等电子设备商用市场上的主要压电材料。具体而言，Pb(ZrxTi1-x)O3(x＝0.52)的变晶相界(“MPB”)附近的成分与三方和四方铁电相共存，表现出异常高的介电和压电特性，这是由于两个等效能态(即四方相和三方相)之间耦合而导致极化性增强的结果，从而在极化过程中实现了最佳的畴重定向。存在许多针对特定特性而工程化的PZT化学式，这些PZT化学式最终会增强其在许多应用中的用途。表1列出了示例性市售软PZT陶瓷的性能。表1.商用PZT5型陶瓷的压电和介电性能。1TRSTechnologiesInc.2CTSCorporation3PICeramicGmbH4Piezo-kineticsInc.5Ferroperm6MorganAdvancedMaterialsplc在1950年代后期，报道了具有化学式Pb(MI，MII)O3的复杂的钙钛矿不寻常的介电行为，其中MI是低价阳离子以及MII是高价阳离子，通常称为弛豫(relaxor)。具有这种化学结构的材料表现出频率分散的介电常数，这与极性纳米区域(“PNRs”)的存在有关。在发现的许多有趣的弛豫材料中，铌酸铅镁(“PMN”)在室温下表现出高介电常数和强非滞后电致伸缩效应。在1970年代后期，人们发现，通过添加有正常的铁电钙钛矿PbTiO3(“PT”)生成PMN固溶体，居里点(Curiepoint)和非滞后二次应变增加。这一发现之后迅速发现，随着PT组成水平的增加，PMN-PT的电致伸缩行为被更“经典”的铁电行为所取代，从而绘制了PMN-PT二元相图，该图示出了MPB分隔三方和四方相。类似于PZT，PMN-PT陶瓷的压电性能在MPB处达到峰值，约为700pC/N。尤其重要的是，某些弛豫PT材料可能容易长成单晶体，通过强的各向异性特性和工程畴结构大大增强了压电和介电性能。在过去的二十年中，诸如Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(“PMN-PT”)和Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb1/2)O3-PbTiO3(“PIN-PMN-PT”)的弛豫PT单晶体的优异压电性能引起了相当大的研究兴趣。具体而言，具有[001]极化工程畴结构的接近变晶相界(“MPB”)的单晶体成分表现出大于1500pC/N的纵向压电系数(d33)和大于0.90的机电耦合因子(参见ZhangandF.Li,HighPerformanceFerroelectricRelaxor-PTSingleCrystals：StatusandPerspective,J.Appl.Phys.111(2012)031301)。例如，两种成分的典型晶体性能列在表2的顶部。所有这些优异的性能使弛豫PT单晶体成为宽带和高灵敏度超声换能器、传感器和其他机电设备的有希望的候选(参见S.Zhang,F.Li,X.Jiang,J.Kim,J.Luo,X.Geng,AdvantagesandChallengesofRelaxor-PTFerroelectricCrystalsforElectroacousticTransducers-AReview,Prog.Mater.Sci.,68(2015)1-66；S.Zhang,F.Li,J.Luo,R.Sahul,T.Shrout,Relaxor-PTSingleCrystalsforVariousApplications,IEEETrans.Ultrason.,Ferro.,Freq.Control,60(2013)1572)。压电器件的创新一直是铁电材料新发展的驱动力。为了满足新开发的机电设备，与传统的PZT基和PMNT基材料相比，需要具有更高介电和压电性能的材料。例如，压电传感器和致动器需要更高的>3000pC/N的压电系数d33，而医学成像换能器则要求高(>0.9)的机电耦合因子k33，因为换能器的带宽和灵敏度与耦合因子的平方紧密相关。特别重要的是，由于介电常数与电阻率成反比，因此阵列换能器需要高的介电常数同时保持很高的机电耦合。为了减少功耗并减少噪声/串扰，换能器设备需要用于电阻抗匹配的压电材料的高介电常数，通常将其标准配置为50Ω。据报道，即使弛豫PT晶体具有非常高的>5000的自由介电常数，但由于高的机电耦合因子，钳位的介电常数低至1000(参见S.Zhang,F.Li,X.Jiang,J.Kim,J.Luo,X.Geng,AdvantagesandChallengesofRelaxor-PTFerroelectricCrystalsforElectroacousticTransducers-AReview,Prog.Mater.Sci.,68(2015)1--66)。先前的精力集中在同晶相边界设计上，建立三方晶到四方晶的组成相、和/或三方晶到斜方晶/单斜晶到四方晶的相边界，以增强压电和钳位介电性能，但仅取得了有限的成功。最近，从理论上将弛豫基铁电体中的极性纳米区域(“PNRs”)的贡献建模为弛豫基钙钛矿铁电体超高介电和压电活性的起源，占其各自室温值的50-80％(F.Lieiat.,TheOriginofUltrahighPiezoelectricityinRelaxor-FerroelectricSolidSolutionCrystals,NatureCommunications,7,13807(2016))。据报道，与PZT相似，具有MPB成分的弛豫PT固溶体具有良好的介电和压电性能，而弛豫成分中的PNR也有助于高介电常数，这可以通过4-PNR与铁电矩阵的“共线”状态来解释。因此，需要控制PNR的大小和体积，即控制对附近晶格的局部结构影响，以设计具有增强的介电性能的新材料系统。
技术实现思路
示例性实施例涉及弛豫PT基压电晶体及其形成方法。在一个示例性实施例中，弛豫PT基压电晶体包括通式(Pb1-1.5xMx){[(MI,MII)1-z(MI’,MII’)z]1-yTiy}O3，其中：M是稀土阳离子；MI选自由Mg2+、Zn2+、Yb3+、Sc3+、和In3+组成的组；MII是Nb5+；MI'选自由Mg2+、Zn2+、Yb3+、Sc3+、In3+、和Zr4+组成的组；MII’是Nb5+或Zr4+；0＜x≤0.05；0.02＜y＜0.7；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种弛豫PT基压电晶体，包括通式/n(Pb

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170901 US 62/553,5111.一种弛豫PT基压电晶体，包括通式
(Pb1-1.5xMx)
{[(MI,MII)1-z(MI’,MII’)z]1-yTiy}O3，
其中：
M是稀土阳离子；
MI选自由Mg2+、Zn2+、Yb3+、Sc3+和In3+组成的组；
MII是Nb5+；
MI’选自由Mg2+、Zn2+、Yb3+、Sc3+、In3+和Zr4+组成的组；
MII’是Nb5+或Zr4+；
0＜x≤0.05；
0.02＜y＜0.7；和
0≤z≤1，
如果MI’或MII’是Zr4+，则MI’和MII’是Zr4+。


2.根据权利要求1所述的晶体，其中z是0，晶体为二元晶体。


3.根据权利要求2所述的晶体，其中MI选自由Mg2+、Zn2+、Yb3+、Sc3+和In3+组成的组，以及MII是Nb5+。


4.根据权利要求1所述的晶体，其中z大于0，晶体为三元晶体。


5.根据权利要求4所述的晶体，其中MI选自由Mg2+、Zn2+、Yb3+、Sc3+和In3+组成的组，以及MII是Nb5+，以及MI’和MII’各自为Zr4+。


6.根据权利要求4所述的晶体，其中MI和MI’各自独立地选自由Mg2+、Zn2+、Yb3+、Sc3+和In3+组成的组，以及MII和MII’各自为Nb5+。


7.根据权利要求1所述的晶体，其中M选自由La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Lu3+和其组合组成的组。


8.根据权利要求7所述的晶体，其中M是Sm3+。


9.根据权利要求1所述的晶体，其中晶体是M改性Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(“PMNT”)。


10.根据权利要求1所述的晶体，其中晶体是M改性Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(“PIN-PMN-PT”)。


11.根据权利要求10所述的晶体，其中晶体是1mol％Sm:26PIN-PMN-28PT。


12.根据权利要求10所述的晶体，其中晶体是1mol％Sm:26PIN-PMN-30PT。


13.根据权利要求10所述的晶体，其中晶体是0.5mol％Sm:26PIN-PMN-30PT。


14.根据权利要求1所述的晶体，其中晶体包括选自由三方、正交、四方及其组合组成的组的相。


15.根据权利要求1所述的晶体，其中相对于具有比较式Pb{[(MI，MII)1-z(MI’，MII’)z]1-yTiy}O3的比较晶体，其中该比较晶体在极化后具有y、z、MI、MII、MI’、MII’的相同的选择和值以及相同的晶体对称性，所述晶体沿三方相截面表现出至少少25％的介电常数和压电系数的变化。


16.根据权利要求1所述的晶体，其中相对于具有比较式Pb{[(MI，MII)1-z(MI’，MII’)z]1-yTiy}O3的比较晶体，其中该比较...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗军，W·S·哈肯贝格尔，李飞，张书军，T·R·旭洛特，
申请(专利权)人：TRS技术股份有限公司，宾夕法尼亚州立大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：美国;US