一种钛酸铋钠-钛酸铅压电单晶的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛酸铋钠-钛酸铅压电单晶的制备方法，所述方法为坩埚下降法，包括制备单晶生长起始料、采用坩埚下降法进行单晶生长及生长结束，降温至室温等步骤。本发明专利技术首次采用坩埚下降法制得了具有高居里温度和去极化温度的钛酸铋钠-钛酸铅压电单晶(NBT-PT)，不仅可使所制得的NBT-PT单晶尺寸达到Ф20mm×70mm，而且使所制得的NBT-PT单晶表现出优异的压电性能和良好的电场稳定性，居里温度可达300℃，退极化温度可达176℃，压电常数d33可达280pC/N，机电耦合系数kt可达52%，具有广阔的使用温度范围；而且含铅量极低，符合我国及国际环保需求，因此其应用前景十分广阔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种弛豫铁电单晶的制备方法，具体说，是涉及一种钛酸铋钠-钛酸铅压电单晶的制备方法，属于单晶生长

技术介绍
以PMNT、PZNT为代表的铅基复合钙钛矿型结构弛豫铁电单晶以其优异的压电性能而备受瞩目，其d33和k33分别可以达到2500pC/N和92% 以上，最大应变量高达I. 7%以上，在超声换能器、压电变压器、滤波器和超声马达等有着广泛的应用，作为一类重要的功能材料在电子材料领域占据相当大的比重。但是，尽管这些材料具有非常优异的电学性能，其较低的居里温度和三方-四方相变温度限制了其温度使用范围。而且在铅基材料中，铅的含量超过了 60%，对环境和生态带来了严重危害。因此，提高压电材料的居里温度和三方-四方相变温度，研究和开发无铅或少铅弛豫铁电单晶材料成为世界各国所关心的热点课题。钛酸铋钠Naa5Bia5TiO3 (简写为NBT)是室温为三方结构钙钛矿型铁电体，具有铁电性强(剩余极化强度匕达到38μ C/cm2)、介电常数小及声学性能好等特征，适用于高频超声换能器、工业探伤及医用超声工程等领域。但是其较高的矫顽电场、较低的去极化温度制约了其的应用。钛酸铋钠-钛酸钡(NBT-BT)固溶体系的出现有效的提高了其压电性能，尤其在准同型相界(MPB)附近，但其漏电流较大，极化过程仍旧较困难。而近期的研究表明，一种新型的钛酸铋钠-钛酸铅(NBT-PT)体系具有在准同型相界x=0. 11附近的居里温度和去极化温度分别达到340°C和200°C，比NBT-BT体系高达约80°C。然而，迄今为止未见采用坩埚下降法制备大尺寸NBT-PT单晶的相关技术报道。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种采用坩埚下降法制备大尺寸钛酸铋钠-钛酸铅压电单晶的方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下，为坩埚下降法，包括如下具体步骤a)按照通式(1-x)Naa5Bia5TiO3-XPbTiO3，其中0〈χ〈1，精确称取化学计量比的碳酸钠、氧化铋、二氧化钛和氧化铅各原料，制备单晶生长起始料；b)将制得的单晶生长起始料装入坩埚中，加入籽晶，采用坩埚下降法进行单晶生长控制单晶生长炉温为1380 1500°C，熔料保温时间为3 10小时，晶体生长过程中的炉温升温速率为O TC /日，坩埚下降速率为O. 2 lmm/h，固液界面的温度梯度为5 IO0C /mm，i甘祸下降方向的最大温度梯度为I 7V /mm ；c)生长结束，降温至室温。作为一种优选方案，制备单晶生长起始料的操作如下按照通式(1-x) Naa5Bia5TiO3-XPbTiO3，其中0〈χ〈1，精确称取化学计量比的碳酸钠、氧化铋、二氧化钛和氧化铅各原料，球磨使充分混匀，然后经冷等静压成块或不等静压成块后作为单晶生长起始料。作为另一种优选方案，制备单晶生长起始料的操作如下按照通式(1-x) Naa5Bia5TiO3-XPbTiO3,其中0〈χ〈1，精确称取化学计量比的碳酸钠、氧化铋、二氧化钛和氧化铅各原料，球磨使充分混匀，然后在1000±100°C下进行4 6小时的固相反应，烧结成NBT-PT的混合料，再细磨，经冷等静压成块或不等静压成块后作为单晶生长起始料。作为另一种优选方案，制备单晶生长起始料的操作如下I)按照化学式Naa5Bia5TiO3准确称取化学计量比的碳酸钠和氧化铋，球磨使混合均匀，然后在1000±100°c下进行4 6小时的固相反应，烧结成NBT的多晶料；2)按照化学式PbTiO3 (简写为PT)准确称取化学计量比的二氧化钛和氧化铅，球·磨使混合均匀，然后在1000±100°C进行4 6小时的固相反应，烧结成PT的多晶料；3)按照通式(1-x)Naa5Bia5TiO3-XPbTiO3,其中0〈χ〈1，精确称取化学计量比的NBT和PT多晶料，球磨使混合均匀，然后在1000±100°C进行4 6小时的固相反应，烧结成NBT-PT的混合料，再细磨，经冷等静压成块或不等静压成块后作为单晶生长起始料。作为进一步优选方案，所述的碳酸钠、氧化铋、二氧化钛和氧化铅各原料纯度均大于 99. 99%ο作为进一步优选方案，所述坩埚为钼金坩埚。作为更进一步优选方案，所述坩埚是密封的单层或双层或三层结构，每层厚度为O. 10 O. 20mm。作为进一步优选方案，所述籽晶为NBT-PT单晶或晶格结构相似的铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)单晶，籽晶的取向为〈111〉、〈110〉或〈100〉。作为更进一步优选方案，所述籽晶为〈110〉取向的NBT-PT单晶。作为进一步优选方案，所述籽晶尺寸为Φ (19 20)mmX50mm。作为进一步优选方案，当坩埚下降5cm时停止生长，然后以50 200°C /h的降温速率降温至室温。作为进一步优选方案，所述通式(I-X)Naa5Bia5TiO3-XPbTiO3中的O.01 彡 X 彡 O. 14，以 X=O. 09 最佳。与现有技术相比，本专利技术首次采用坩埚下降法制得了具有高居里温度和去极化温度的钛酸铋钠-钛酸铅压电单晶(NBT-PT)，不仅可使所制得的NBT-PT单晶尺寸达到Φ20mmX 70mm,而且使所制得的NBT-PT单晶表现出优异的压电性能和良好的电场稳定性，居里温度可达300°C，退极化温度可达176°C，压电常数d33可达280pC/N，机电耦合系数kt可达52%，具有广阔的使用温度范围；而且含铅量极低，符合我国及国际环保需求，因此其应用前景十分广阔。附图说明图I是实施例I制得的钛酸铋钠-钛酸铅压电单晶的XRD图谱；图2是实施例I制得的钛酸铋钠-钛酸铅压电单晶的介电常数(ε r)、介电损耗(tan δ )与温度(V )间的函数关系曲线图3是实施例I制得的钛酸铋钠-钛酸铅压电单晶的电滞回线图和双向应变回线图；图4是实施例I制得的钛酸铋钠-钛酸铅压电单晶厚度振动模式的阻抗(Ω )、相角(° )与频率(Hz)之间的函数关系曲线图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细、完整地说明。本专利技术所涉及的压电系数d33是用中国科学院声学研究所制造的ZJ-3A型d33测试仪直接测定得到；介电常数是用HP4192A型阻抗分析仪测量样品电容后换算得到；机电耦合系数kt的测量是根据IEEE176-78标准，用HP4294A型阻抗分析仪测定不同频率下的阻抗后，按照公式片=|· + ·极计算得到，其中Af = fp_fs ;电滞回线和场致应变回 Jp V JpJ线是用Aixacct TF-1000型铁电分析系统测定得到。实施例I按照通式O. 9INa0.5Bi0.5Ti03_0. 09PbTi03准确称取化学计量比的纯度均大于99. 99%、经充分干燥后的碳酸钠、氧化铋、二氧化钛和氧化铅各粉体原料，球磨24小时使混合均匀；然后置入加盖的钼金坩埚中，在1000°c烧结6小时；将烧结产物经粉碎、细磨、过筛、经冷等静压成块后作为单晶生长起始料；选用单层的Φ20ι πιΧ200mm的钼金 甘祸作为生长 甘祸，以尺寸为C>19.5mmX50mm的〈110〉取向的NBT-PT单晶作为籽晶；装入籽晶和单晶生长起始料后密封坩埚，然后置入生长炉内(本专利技术对生长设备没有严格限制，只要具有温梯的生长炉装置均可用于本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛酸铋钠？钛酸铅压电单晶的制备方法，其特征在于，为坩埚下降法，包括如下具体步骤：a)按照通式(1？x)Na0.5Bi0.5TiO3？xPbTiO3，其中0

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建伟，罗豪甦，赵祥永，李晓兵，张海武，徐海清，王升，王西安，林迪，任博，狄文宁，邓昊，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：