铌酸钾钠基压电单晶的本征和非本征压电、介电效应及其调控性研究

The exploration of environmental friendly lead-free piezoelectric materials have attracted much attention. (K, Na)NbO3 (KNN) based materials are considered as one of the most promising lead-free piezoelectric systems. However, in most cases, improvements in dielectric and piezoelectric properties are achieved by sacrificing thermal stability. In this work, comprehensive study will be carried out on KNN-based single crystals. Electrical properties will be improved by optimizing both intrinsic and extrinsic dielectric and piezoelectric properties, while at the same time the good thermal stability will be maintained. First, the temperature dependence of intrinsic response will be investigated, and variations will be explained from the viewpoint of free energy and structure. The contributions of different types of domains and charged domain walls to extrinsic properties will also be studied, and the relationship between the extrinsic response and domain configurations would be understood. Then the relevance between intrinsic and extrinsic properties will be conducted, base on which a new way would be found to improve both of the intrinsic and extrinsic response. The implementation of this project will provide experimental and theoretical guidance for further research of KNN-based materials, and also is of great significance for the practical application of lead-free piezoelectric materials.

开发环境友好型的无铅压电材料是当前材料研究领域的热点。铌酸钾钠（KNN）基压电材料是一类非常具有应用前景的无铅材料体系。目前KNN材料压电、介电性能的提高往往以牺牲温度稳定性为代价，其综合性能仍然难以满足实际应用的需求。本项目拟以KNN基单晶为研究对象，在保持材料温度稳定性的基础上，通过优化本征和非本征压电、介电性能的方法提高其电学性能。首先研究KNN基单晶本征压电、介电效应随温度的变化规律，从能量和结构角度诠释影响本征效应的本质因素；然后研究各种类型电畴及带电畴壁对非本征压电、介电效应的贡献，确定电畴结构和非本征效应的关联性；进一步研究本征和非本征效应之间的相互关系，寻找途径实现本征和非本征效应的共同优化，获得同时具有高压电、介电性能和良好温度稳定性的可实用化的KNN单晶。本项目工作的开展可为KNN材料的进一步改性提供理论和实验依据，对促进无铅压电材料的实用化具有重要意义。

当前铅基压电材料仍然在压电材料市场中占据主导地位。铅基材料对环境有一定污染，因此研发性能优良的无铅压电材料是一项紧迫的任务。铌酸钾钠(KNN)基无铅压电材料由于其优良的压电性能和高居里温度而备受关注。本项目旨在揭示正交-四方相变附近KNN基材料高压电性能的物理机制，进而实现材料性能的突破，并对其实际应用做初步尝试。项目主要研究内容如下：(i) 利用顶部籽晶助溶剂法生长出了不同组分、不同相结构的高质量大尺寸KNN基无铅压电单晶，熟练掌握了KNN单晶的生长工艺，并可通过化学掺杂等手段调控其相变温度和相结构；(ii) 研究了正交-四方相变对单晶本征和非本征效应的影响规律，发现相变处压电效应的提高源自于本征和非本征效应两者的共同提高。其中本征效应的提高源自于晶格软化，而非本征效应的提高源自于畴壁运动活性的增加。通过优化本征和非本征效应，获得了室温下d33>700 pC/N的KNN基单晶；(iii) 开发了一种利用单个样品测试单晶变温全矩阵参数的方法——超声阻抗谱法。该测试方法简单、精确度高、使用样品少，并可以实现变温全矩阵参数的测试；(iv) 基于KNN基单晶制备了高频超声换能器，成像效果良好。这是首个基于KNN基无铅单晶的电子器件。本项目完善并发展了无铅压电单晶制备科学，揭示了KNN基单晶相变温度附近高性能的物理机制，实现了其性能的突破，优化了压电材料的表征手段，并将KNN单晶应用于实际器件中。本项目研究工作对于KNN单晶乃至其他新型单晶的开发、生长、优化及应用提供了重要的实验数据和理论依据，极大地促进了无铅压电材料的实用化进程。