[发明专利]一种三元系弛豫铁电压电晶体及其多温区生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，涉及一种弛豫铁电压电晶体的多温区生长方法，具体涉及一种三元系弛豫铁电压电晶体及其多温区生长方法。

背景技术

众所周知，压电材料由于其优异的压电性能在电声、水声及超声等领域获得了广泛应用。近年来，弛豫铁电压电晶体材料更是由于其相对于压电陶瓷高出几十倍、甚至上百倍的压电性能而被高度关注。弛豫铁电压电晶体材料的压电常数可达2000～3000pC/N，室温介电常数高达4000～6000，机电耦合系数大于90％，最大应变量可达1.0～2.0％，贮能密度达到130J/kg。与二元系弛豫铁电压电晶体材料相比，三元系弛豫铁电压电晶体材料具有更高的应用温度范围、耐电压强度性能以及容易生长等特点。因此，在医学超声成像、水声通信系统、高应变执行系统、高贮能密度系统、机敏系统及微电子机械加工等领域具有广泛的应用前景。

成功生长高质量的弛豫铁电压电晶体是相应器件制备的关键技术。如上所述，三元系弛豫铁电压电晶体大大地扩展了器件的应用范围和需求，使得弛豫铁电压电晶体在更多领域的应用真正地成为了可能，这就需要能够生长出高质量的弛豫铁电压电晶体材料。目前，除了弛豫铁电压电晶体的生长成功率和生长效率备受关注外，晶体的完整性、开裂、力学强度以及缺陷等也在制约着弛豫铁电压电晶体的应用。为了解决这一系列问题，弛豫铁电压电晶体的生长技术至关重要，尤其是对于大功率器件上的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三元系弛豫铁电压电晶体及其多温区生长方法，该方法能够有效解决弛豫铁电压电晶体生长中晶体质量和性能的问题，为成功生长弛豫铁电晶体材料打下坚实基础。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种三元系弛豫铁电压电晶体的多温区生长方法，包括以下步骤：

1)选择PIMNT单晶，经定向切割、机械抛光，制作得到籽晶，将制得的籽晶腐蚀、清洗后吹干备用；其中，PIMNT单晶化学组成为xPb(In_1/2Nb_1/2)O₃-yPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-zPbTiO₃，其中，0<x≤0.7，0<y≤0.7，z＝1-x-y；

2)将经步骤1)处理的籽晶置于Pt坩埚底部的籽晶袋中，且将籽晶的引晶生长面朝上，再加入PIMNT晶体原料，然后将焊封后的Pt坩埚置于刚玉衬锅中；

3)将内置有焊封Pt坩埚的刚玉衬锅置于多温区改进型Bridgman晶体生长设备中，在18～20小时内将高温区的温度升至1340～1450℃，低温区温度升至1050～1100℃，达到目标温度后，再过热10～15小时，然后以每小时0.2～0.8mm的速度下降支撑杆，直至完成晶体生长过程；

4)晶体生长完成后，将高温区和低温区温度降至1000～1050℃进行原位退火，然后再缓慢降温至室温，制得三元系弛豫铁电压电晶体。

步骤1)所述的籽晶为<011>、<111>或<001>晶向籽晶。

步骤1)所述的将籽晶腐蚀、清洗的操作，具体为：用腐蚀液将籽晶腐蚀3～4min后，用无水乙醇超声清洗5～10min；腐蚀液为HCl与HF按体积比为(4:1)～(3:1)配制而成。

步骤1)所述的吹干是将经腐蚀、清洗后的籽晶用N₂气吹干。

步骤2)所述的籽晶袋比籽晶的长度长出5～10mm。

步骤2)所述PIMNT晶体原料以陶瓷块状形式装填在Pt坩埚中。

一种三元系弛豫铁电压电晶体，该三元系弛豫铁电压电晶体在室温下的纵向压电系数d₃₃为1400～2500pC/N，纵向机电耦合系数k₃₃为90～95％；单轴抗压强度为550～650MPa，晶片中残余应力值低于50MPa，缺陷密度低于 10⁸cm^-2；且该弛豫铁电压电晶体的三方-四方相变温度为110～130℃，居里温度为160～210℃，矫顽场为4～7kV/cm，室温下介电常数为4000～6000，在居里温度相变点介电常数为27000～28000。