铁电压电单晶铌钬酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅及制备与用途制造技术

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及铁电压电单晶铌钬酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅及其制备与用途。该晶体材料采用顶部籽晶法生长制备，属钙钛矿型结构，其化学式为(1-x-y)Pb(Ho1/2Nb1/2)O3-xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3，简记为PHN-PMN-PT或者PHMNT。PHN-PMN-PT固溶体单晶的准同型相界（MPB）区位于0<x<0.8时，0.20<y<0.50，位于MPB区及其附近的居里温度Tc可在110～170℃之间，三方-四方相变温度TRT在70～110℃之间，矫顽场Ec（2.5-5kV/cm），压电系数d33（1100-3915pC/N），机电耦合系数k33最高可达94.4%。【专利说明】
本专利技术涉及一种新型铁电压电单晶及其制备与用途。具体而言，本专利技术涉及到具有准同型相界（MPB)结构且居里温度相对较高，具有超高压电性能的铁电压电单晶材料(1-x-y) Pb (Hol72Nbl72) 03_x Pb (Mg1/3Nb2/3) 03-y PbTiO3,简记为 PHN-PMN-PT 或 PHMNT，以及晶体的制备方法、结构和电学性能，属于晶体技术和功能材料学领域。
技术介绍
铅基钙钛矿结构固溶体，尤其是以钛酸铅作为一种端元组分的弛豫铁电单晶材料，由于具有优异的压电性能而在机电耦合领域如水声、超声、传感和微机械系统尤其是国防建设等方面有着广泛而且重要的应用，是目前备受关注的重要功能铁电材料。作为弛豫铁电单晶的典型代表，铌镁酸铅一钛酸铅（1-x) Pb (Mgl73Nb273) O3-XPbTiO3 (PMN-PT)已经成为新一代高性能的水声换能器、医用超声换能器、传感器和驱动器的核心压电材料。PMN-PT单晶的压电性能除了跟居里温度（Tc)有关，还和居里温度之下的三方——四方之间的相变温度（Tk_t)密切相关。当使用温度超过相变温度Tk_t时，其压电系数和机电耦合系数都会明显下降导致压电性能大大衰减。此外，PMN-PT单晶的矫顽电场（Ee)也比较低（2-3kV/cm)，限制了其在大功率超声换能器中的应用。这些本征缺陷限制了 PMN-PT单晶在很多方面尤其是较高温度范围的应用。如果能探索出新型弛豫铁电单晶，在保持PMN-PT单晶的优良压电和机电耦合性能的同时，还能提高材料的居里温度、三方——四方相变温度和矫顽场强，就可以有效地弥补PMN-PT单晶的本征不足，使其电学性能表现出较好的温度稳定性，扩大该类材料的实际应用范围。因此，探索新的高居里温度、高性能弛豫铁电单晶材料就成为发展新一代铁电压电器件亟待解决的关键问题。以PMN-PT为代表的具有复合钙钛矿型结构的（1-x)Pb (B' B" ) O3-XPbTiO3弛豫铁电固溶体单晶，其端元组分Pb (B' B" )03和PbTiO3分别属于三方(赝立方）和四方对称性，随着PT组分的变化，在固溶体系内存在着一个多相共存的所谓准同型相界（MPB)区域，在该区域内，固溶体材料一般具有良好的压电和机电耦合性能。自从PMN-PT类弛豫铁电陶瓷在1957年由前苏联科学家首先发现以来，人们陆续发现了一系列的具有MPB结构的弛豫铁电体陶瓷体系，如一些二元系铅基铁电材料(1-x) Pb (Inl72Nbl72) O3-XPbTiO3 (PIN-PT), (1-x) Pb (Yb1/2Nb1/2) O3-XPbTiO3 (PYN-PT), (1-x)Pb (Scl72Nbl72) O3-XPbTiO3 (PSN-PT)、BiScO3-PbTiO3(BS-PT)等都具有较高的居里温度，且有较好的压电性能和机电耦合性能，可以大大拓宽弛豫铁电单晶实际使用的温度和功率范围。由于这些二元体系的熔点相对于PMN-PT较高，增加了生长的难度。同时由于这类二元体系均为无限混溶体系，从熔体中直接生长单晶，容易出现组分分凝现象。相比较之下，三元系铅基铁电材料具有熔点低、相对容易生长的优势，如铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅（PIN-PMN-PT)、铌镱酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅（PYbN-PMN-PT)、铌钪酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅（PSN-PMN-PT)、铌镁酸铅-锆酸铅-钛酸铅（PMN-PZT)等，其优良的压电、机电耦合性能尤其是相对较高的居里温度使得该类材料有望成为新一代的压电材料。随着研究的深入，国际国内铁电材料领域对三元系铁电单晶给予了越来越多的关注，三元系铁电单晶成为弛豫铁电材料领域的一个热点。铌钦酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅（PHN-PMN-PT)也属于复合钙钛矿结构，在全组分范围内完全混溶，也同样存在一个准同型相界（MPB)区域，在准同型相界区域，表现出了非常优异的压电性能。研究三元体系PHN-PMN-PT单晶的制备方法、结构和电学性能，可以为压电领域提供一种新型且能用于大功率器件的高居里温度高性能铁电压电单晶。
技术实现思路
本专利技术的目的在于公开一种新型三元铁电固溶体单晶并研究其制备工艺，以解决现有高居里温度铁电压电单晶难生长和没有较好的适用于大功率器件的问题，为铁电压电单晶材料增加一种新产品。该晶体材料能广泛用于压电器件领域。本专利技术提供的一种新型的铁电压电单晶材料，其特征在于：主成分化合物由（1-x-y)Pb (Ho1/2Nb1/2) O3-X Pb (Mg1/3Nb2/3) 03-yPbTiO3(PHN-PMN-PT)表示，式中，0〈x〈l，0〈y〈l，属于典型的钙钛矿结构。该固溶体存在准同型相界（MPB)区，准同型相区位于0〈x〈0. 8时，0. 20〈y〈0. 50。本专利技术所述的铁电压电晶体材料的制备方法，是基于能生长大尺寸的顶部籽晶法，其特征在于包括如下具体步骤：a)将初始原料 PbO、TiO2, Ho203、MgO, Nb2O5 按晶体的化学式（l-x-y)Pb (Y1/2Nb1/2)O3-X Pb (Mgl73Nb273) 03-y PbTiO3 进行配比，其中 0〈x〈l，0〈y〈l ；b)助熔剂采用PbO和Pb3O4其中一种，及H3BO3和B2O3其中一种作为复合助熔剂，PHN-PMN-PT与助熔剂的摩尔比为I :1~10 ;c)将晶体原料和助熔剂在容器中混合研磨；d)将混合均匀的粉料装入钼金坩埚中，并把钼金坩埚置于晶体生长炉中化料；e)将晶体生长炉升温至混合粉料呈熔融状态，恒温一定时间；以适当降温速率降温，然后用PMN-PT籽晶找到过饱和温度，在过饱和温度引入籽晶生长，生长过程中旋转籽晶，适当降温，并根据生长晶体的快慢调节降温速率。当生长晶体满足要求时，从熔体中提起晶体，降温退火，在室温取出晶体；将取出的晶体定向后，切割出柱状晶体作为下一步晶体生长的籽晶；f)用步骤（5)生长出的晶体作为籽晶找到过饱和温度，在过饱和温度引入籽晶生长，生长过程中旋转籽晶，适当降温，并根据生长晶体的快慢调节降温速率；当生长晶体满足要求时，从熔体中提起晶体，降温退火，在室温取出晶体。所采用的钼金坩埚为圆柱型坩埚。籽晶生长方向为（001)或（110)或（111)方向。所采用的晶体生长炉为为垂直管式炉或箱式炉，加热原件为电阻丝、硅碳棒或硅钥棒。本专利技术所述晶体的制备方法均采用助溶剂，PbO和Pb3O4其中一种，及H3BO3和B2O3其中一种作为复本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁电压电单晶材料铌钬酸铅‑铌镁酸铅‑钛酸铅，其特征在于：所述化合物由(1‑x‑y)Pb(Ho1/2Nb1/2)O3‑x Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑y PbTiO3表示，其中，0

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李修芝，龙西法，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建;35