[发明专利]正交相锂钽掺杂铌酸钾钠基无铅压电单晶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种功能单晶材料及其制备方法。

背景技术

压电材料是一类重要的功能材料，但目前占压电材料主导地位的仍然是铅基复合物，如锆钛酸铅，铌镁酸铅等。在这些铅基压电材料中，氧化铅的重量百分比高达70％左右，在制备、使用及废弃处理过程中给环境和人类带来很大危害。世界各国已经相继立法限制铅在电子材料与元器件中的使用。因此，发展环境协调性能好的无铅压电材料体系是一项紧迫且具有重大实用意义的课题。

铌酸钾钠((K，Na)NbO₃，简写为KNN)基无铅压电材料同时具有较好的压电性能和较高的居里温度，是一类比较理想的无铅压电材料。近几年来，国内外针对铌酸钾钠基无铅压电材料开展了大量的研究，研究多集中在铌酸钾钠基陶瓷方面，对单晶的研究较少。由于铌酸钾钠是非一致熔融化合物，且K、Na容易挥发，因此生长铌酸钾钠基单晶十分困难。近年来国内外学者分别使用固相反应法、坩埚下降法和助溶剂法生长了纯的或Li、Ta、Mn等元素掺杂的铌酸钾钠基压电单晶，这些方法生长的铌酸钾钠基压电单晶尺寸较小(仅几毫米尺度)，压电性能也有很大的提升空间。因此，探索一种适当的生长方法，能够生长出尺寸较大、质量均匀、性能良好的铌酸钾钠基压电单晶具有及其重要的意义。

提拉法是一种比较常见的单晶生长方法，这种生长方法有如下几个优点：一、可以方便的观察单晶的生长过程；二、使用定向籽晶可以获得所需取向的晶体；三、使用“缩颈”工艺可以减少晶体中的缺陷；四、便于生长较大尺寸单晶。目前使用提拉法生长铌酸钾钠基压电单晶的报道非常罕见。因此，提拉法是一种非常值得尝试的生长铌酸钾钠基压电单晶的方法。

发明内容

本发明解决了铌酸钾钠基压电单晶生长困难、尺寸小、压电性能低的技术问题，提供了一种正交相锂钽掺杂铌酸钾钠基无铅压电单晶及其制备方法。

正交相锂钽掺杂铌酸钾钠基无铅压电单晶的化学式为(K_1-x-yNa_xLi_y)(Nb_1-zTa_z)O₃，其结构为钙钛矿结构，其中0.3＜x＜0.6，0.01＜y＜0.03，0.1＜z＜0.2。

正交相锂钽掺杂铌酸钾钠基无铅压电单晶的制备方法如下：

一、依照化学式(K_1-x-yNa_xLi_y)(Nb_1-zTa_z)O₃，按K元素、Na元素和Li元素之和与Nb元素和Ta元素之和的摩尔比为1.1～1.4∶1的比例称取K₂CO₃、Na₂CO₃、Li₂CO₃、Ta₂O₅和Nb₂O₅，其中K元素与K元素、Na元素和Li元素之和的摩尔比为0.6～0.8∶1，Li元素与K元素、Na元素和Li元素之和的摩尔比为0.04～0.07∶1，Ta元素与Nb元素和Ta元素之和的摩尔比为0.06～0.12∶1，然后将K₂CO₃、Na₂CO₃、Li₂CO₃、Ta₂O₅和Nb₂O₅装入聚乙烯球磨罐中，以氧化锆球和酒精为媒质，在球磨机转速为200r/min的条件下球磨12h，得到料浆；

二、将料浆在90℃下烘干，然后在80MPa的条件下压制成直径为60mm的圆片，在850℃～950℃下保温4h～6h，合成多晶；

三、化料：将多晶放入铂金坩埚，并将铂金坩埚放入单晶提拉炉中，以200℃/h的速率升温至1000℃，然后以100℃/h的速率升温至1250℃，保温1h，再降温至1100℃～1170℃，得到多晶溶液；

四、缩颈：将籽晶浸入多晶溶液1h，在籽晶杆转速为4.5r/min～10r/min、籽晶杆提拉速度为0.4mm/h～0.8mm/h的条件下，提拉缩颈，直至籽晶拉长1mm～2mm；