[发明专利]一种钛酸铋钠-钛酸铅压电单晶的制备方法

说明书

技术领域

本发明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[(1-x)Na_0.5Bi_0.5TiO₃-x PbTiO₃，简写为NBT-PT]的制备方法，属于单晶生长技术领域。

背景技术

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1.7%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Na_0.5Bi_0.5TiO₃（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P_r达到38μC/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℃和200℃，比NBT-BT体系高达约80℃。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。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明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。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种钛酸铋钠-钛酸铅压电单晶的制备方法，为坩埚下降法，包括如下具体步骤：

a)按照通式(1-x)Na_0.5Bi_0.5TiO₃-xPbTiO₃，其中0<x<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℃，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0～3℃/日，坩埚下降速率为0.2～1mm/h，固液界面的温度梯度为5～10℃/mm，坩埚下降方向的最大温度梯度为1～7℃/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)Na_0.5Bi_0.5TiO₃-xPbTiO₃，其中0<x<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)Na_0.5Bi_0.5TiO₃-xPbTiO₃，其中0<x<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℃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：

1)按照化学式Na_0.5Bi_0.5TiO₃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℃下进行4～6小时的固相反应，烧结成NBT的多晶料；