[发明专利]一种铌酸钾铅压电单晶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于物理学领域，涉及一种压电单晶，具体来说是一种铌酸钾铅压电单晶 的制备方法。

背景技术

上世纪60年代末期，声表面波(SAW)逐渐发展起来并成为一种新兴科学技术，它是 超声学和电子学相结合的一门科学。由于声表面波器件实现了小型化和多功能化，从而在 雷达、导航、电子和识别领域得到了广泛应用。对于声表面波器件来说，有两个重要的参数， 一个是与其稳定性相关的时延温度系数，另一个是与其效率相关的机电耦合系数。常用的 基片材料是铌酸锂单晶和α石英，但铌酸锂单晶的温度系数较差，α石英的机电耦合系数相 当差，这给器件的有效使用带来了严重的问题。钨青铜(T.B)系铁电单晶因具有优良的光 电、热电、压电性能、时延温度系数为零的切型以及高机电耦合系数等优点，而得到人们的 广泛关注，其中机电耦合系数最高的为铌酸钾铅（Pb₂KNb₅O₁₅）单晶。

铌酸钾铅单晶是发展起来的一种新型压电单晶，也是很有前途的声表面波（SAW） 器件的基片材料。近些年来，国内外众多大学、研究机构开展了对四方乌青铜结构铌酸钾铅 单晶的生长与应用研究。T.Yamada等首先利用提拉法生长了铌酸钾铅单晶，但由于坩埚是 开放的，氧化铅在1200℃很容易挥发致使组分偏析，不可能制得均匀的理想配比铌酸钾铅 单晶，而且生长出的单晶仍然存在裂纹和孪晶等缺陷。P.K.Pandey等人又发现顶部籽晶法 制备铌酸钾铅单晶时，虽然晶体组分偏析小，但晶体粘附在坩埚壁上，很难将其从熔体拉 出。可见，这些晶体生长方法很难解决高质量铌酸钾铅压电单晶制备的难题。

坩埚下降法因使用密封的坩埚、坩埚形状根据要求可变、固液界面温度梯度和下 降速率根据实际情况调控、一炉多根高效率等众多优点被广泛的应用制备一些极难制备的 单晶，比如四硼酸锂单晶、弛豫铁电单晶等。1999年中科院上海硅酸盐研究所范世马岂教授 以<110>取向籽晶，固液界面温度梯度设置为10~15℃，利用坩埚下降法成功制备出高质量 的铌酸钾铅压电单晶，但使用<001>和<100>取向籽晶时，生长出的铌酸钾铅压电单晶仍然 出现裂纹等缺陷，这是由于温场不够稳定，使得快速生长引起的振动容易破坏固液界面温 度梯度，同时生长工艺未得到更好的优化，使晶体很容易因热膨胀系数的各向异性而在降 温过程中出现裂纹。

采用提拉法、顶部籽晶植晶法、传统坩埚下降法等方法制备出的铌酸钾铅单晶，存 在难接种、坩埚漏料、组分严重偏析、晶体内含有裂纹和包裹物等问题，成品率只有不到 30%。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种铌酸钾铅压电单晶的制备方 法，所述的这种铌酸钾铅压电单晶的制备方法要解决现有技术的方法制备的铌酸钾铅压电 单晶存在难接种、坩埚漏料、组分严重偏析、晶体内含有裂纹和包裹的技术问题。

本发明提供了一种铌酸钾铅压电单晶的制备方法，包括如下步骤：

1)一个合成原料块的步骤：称量PbO，在550~650℃的空气气氛中干燥1~3小时；待自然 冷却到室温后取出PbO，充分研磨后，再将粉末置于550~650℃的空气气氛中干燥1~3小时； 然后将干燥的PbO粉末、K₂CO₃和Nb₂O₅按摩尔质量比4:1:5称量，在无水酒精环境下充分研 磨，使粉体混合均匀，将得到的粉末放入刚玉坩埚中，置于马弗炉内，在1100~1300℃的空气 气氛中灼烧5~15h，第一次烧结结束后，待多晶料自然冷却到室温后取出，进行充分研磨后， 再将粉末置于马弗炉内，在1100~1300℃的空气气氛中灼烧5~15小时，第二次烧结后，降至 室温，得到铌酸钾铅多晶料；将多晶料粉在水压或静压机上压成致密的块状，即得原料块；

2)一个晶体生长的步骤：选择不同取向的高质量铌酸钾铅单晶作为籽晶，将籽晶装入 坩埚底部的种井部位，然后将原料块装入坩埚，调整位置，使原料块处于炉膛内高温区，炉 温控制在1360~1390℃，保持固液界面温度梯度为6~10℃/cm，保温3~7小时使铌酸钾铅多晶 料原料块充分熔融，以速率为0.2~0.5mm/h开始下降坩埚；