[发明专利]铁电单晶铌钇酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅及其制备和用途

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-y)Pb(Y_1/2Nb_1/2)O₃-x Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-y PbTiO₃，简记为PYN-PMN-PT，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

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－钛酸铅(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)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（T_C）有关，还和居里温度之下的三方——四方之间的相变温度（T_R-T）密切相关。当使用温度超过相变温度T_R-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（E_C）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[B′：Mg²⁺,Zn²⁺，In³⁺，Sc³⁺；B′′：Nb⁵⁺，Ta²⁺]弛豫铁电固溶体单晶，其端元组分Pb(B′B′′)O₃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(In_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃(PIN-PT)、(1-x)Pb(Yb_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃(PYN-PT)、(1-x)Pb(Sc_1/2Nb_1/2)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。