[发明专利]一种铁电单晶铌镥酸铅-钛酸铅及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型铁电单晶及其制备方法。具体而言，本发明涉及到具有准同型相界(MPB)结构且居里温度相对较高的铁电单晶材料(1-x)Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃，简记为PLN-PT或PLNT，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。

背景技术

铁电/压电材料由于具备优良的机电转换性能、响应速度快等优点，广泛应用于各种功能器件，如传感器、换能器、点火器、电容器、驱动器、存储器、探测器等，在国民经济与国防安全中发挥着不可替代的重要作用。上世纪40年代发现BaTiO₃压电材料，50年代发现了Pb(Zr_1-xTi_x)O₃，简称PZT。PZT陶瓷材料是一种广泛用于换能器和执行器的传统压电材料，一直在压电应用领域中占据主导地位。该材料存在准同型相界(morphotropic phase boundary)，简记为MPB。PZT在MPB处表现压电性能，PZT压电陶瓷的压电系数d₃₃～700pC/N，机电耦合系数k₃₃～70％。随着对MPB的研究，弛豫铁电体(relaxor ferroelectric)被发现。近年来，具有钙钛矿结构在MPB附近的弛豫铁电体由于具有高的压电性而广泛用于执行器和超声传感器上。弛豫铁电体具有复合钙钛矿结构，结构通式为：Pb(B₁，B₂)O₃(B₁＝Mg²⁺，Zn²⁺，Sc³⁺，In³⁺，Yb³⁺…，B₂＝Nb⁵⁺，Ta⁵⁺，W⁶⁺…)。弛豫铁电体和PbTiO₃形成的固溶体表现出比PZT材料更优良的介电和压电性能。其中比较典型的就是(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)-xPbTiO₃(PMNT)和(1-x)Pb(Zn_1/3Nb_2/3)-xPbTiO₃(PZNT)体系。该类单晶材料组分在MPB附近表现出高的机电耦合系数(k₃₃＞90％)、超高压电系数(d₃₃＞2000pC/N)和大的应变(＞1％)而成为新一代的超声换能器、传感器和驱动器的核心压电材料。因此，有关弛豫铁电单晶制备、压电性能和应用研究已经成为铁电材料中的一个热点。虽然PMNT和PZNT结构稳定，性能优异，然而此类材料却有几方面缺陷。MPB组分的PMNT单晶表现出低的居里温度T_C低(＜170℃)和低的退极化温度(T_RT＜100℃)，降低了介电和压电性能的稳定性，导致容易退极化，实际应用的温度范围窄。特别是在换能器制备过程中，温度变化会降低材料的介电、压电性能，甚至出现退极化现象，直接影响到器件的性能、稳定性和一致性。另外，PMNT矫顽场小(2-3kV/cm)，使其不适合高电场下的应用。更重要的是，PMNT和PZNT的机械品质因子小(Q～50)。以上这些缺点都使PMNT和PZNT不适用于大功率和较高温度。因此，我们希望探索一种新型的高居里点、高性能的弛豫铁电单晶用于大功率器件，以适用当前铁电材料的发展要求。近年来，(1-x)Pb(Yb_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃(PYN-PT)、(1-x)Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃(PIN-PT)、(1-x)Pb(Sc_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃(PSN-PT)高居里温度的弛豫铁电单晶已经报道，但这类弛豫铁电单晶生长困难，很难获得高质量的大块单晶。所以，我们希望找到一种居里点高、性能好且能生长出高质量大块的新型弛豫铁电单晶。