铅基复合钙钛矿弛豫铁电材料的制备、结构和性能

Kobi982

铅基复合钙钛矿弛豫铁电材料在准同型相界（MPB）附近由于具有优异的压电性能，高的介电常数，大的机电耦合系数而广泛应用于执行器和机电传感器等压电领域。用固相合成法制备了Pb(Yb1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（PYN- PMN-PT）和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 -PbSnO3-PbTiO3（PMN-PSn-PT）陶瓷，用顶部籽晶法生长了PYN-PMN-PT和Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3（PIN-PT）铁电单晶，用助溶剂法生长了Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-Pb(Yb1/2Nb1/2)O3-PbTiO3（PFN-PYN-PT）和PMN- PSn-PT铁电晶体。研究了以上体系的结构、介电、铁电和压电性能。 对PYN-PMN-PT铁电陶瓷，确定了PYN-PMN-PT固溶体系的MPB区域不是一条直线。进而确定了PYN-PMN-PT三元固溶体系室温下的MPB相图，并研究了其介电、铁电和压电性能随组分的变化关系。 用顶部籽晶法生长了PYN-PMN-PT三元铁电单晶。得到了大尺寸的单晶并研究了其性能，例如得到的PYN-PMN-PT (15/53/32)单晶的居里温度TC达205 ºC，三方-四方相变温度TRT为50 ºC，剩余极化Pr为27.8 µC/cm2，矫顽场Ec为7 kV/cm，机电耦合耦合系数k33为90%，压电系数d33的值为1980 pC/N。对MPB区域内的PYN-PMN-PT单晶的电学性能的组分依赖性做了详细的研究。随着PYN 含量的增加，PYN-PMN-PT晶体的晶胞参数a，矫顽场Ec，居里温度TC，三方-四方相变温度TRT不断增大。所有的生长的晶体均表现出优异的压电性能。特别是对于组分为0.20PYN-0.40PMN-0.40PT晶体，其性能如下：TC = 180 ºC, TRT = 130 ºC, k33 = 90%, d33 = 2240-2580 pC/N, Pr = 28.4 µC/cm2, Ec = 5.4 kV/cm。 对PMN-PSn-PT三元铁电陶瓷，分析了Sn在合成过程中的变化和作用，根据XRD数据确定了室温下PMN-PSn-PT三元固溶体系的MPB相图。系统研究了合成组分的介电、铁电、压电性能。 发现了PMN-PSn-PT单晶具有奇特的铁电压电响应行为。不同于普通铁电体的铁电压电响应行为，在PMN-PSn-PT单晶中存在超乎寻常的内建场，在很高的电场下才发生极化翻转，特别是其在没有外电场的作用下都显示优异的压电性能，并且在高于居里温度热处理后压电性能并不退化，显示一种稳定的类似单畴的结构。利用点缺陷对称原理对PMN-PSn-PT晶体的奇特的铁电压电响应行为给出了合理的解释。 研究了PFN-PYN-PT (10/38/52)晶体的性能。PFN-PYN-PT (10/38/52)晶体室温下具有三方钙钛矿结构，其高居里温度TC 为325 ºC，三方-四方相变温度TRT 达155 ºC，室温下介电常数ε´为1620，压电系数d33达到1100 pC/N，机电耦合系数k33为70%，机械品质因子Qm为110，剩余极化Pr和矫顽场Ec分别为25.8 µC/cm2和10.3 kV/cm。 第一次用顶部籽晶法生长高居里温度的PIN-PT弛豫铁电单晶获得成功。得到的PIN-PT (65.5/34.5)单晶的尺寸达21×21×8 mm3。PIN-PT (65.5/34.5)晶体的居里温度TC，三方-四方相变温度TRT，压电系数d33，机电耦合系数k33，剩余极化Pr和矫顽场Ec分别为290 ºC，150 ºC，1720 pC/N，88%，30 µC/cm2和9.0 kV/cm。更重要的是当温度升高到120 ºC时，PIN-PT (65.5/34.5)晶体的压电性能仍然没有退化，表现出好的温度稳定性。