无铅铌酸钾钠基铁电晶体电畴尺寸效应与压电热稳定性研究

Lead free piezoelectric material is a hot topic in the field of piezoelectric ferroelectric materials because of the significant environmental value and application prospect; however, the piezoelectric property, application temperature and piezoelectric thermal stability et al. are still not comprehensive higher than the traditional lead zirconate titanate (PZT) ceramic. In this study, ferroelectric domain engineering method will be used to improve the piezoelectric property; meanwhile the Curie temperature and ferroelectric phase transition temperature will be maintained in lead free crystal, offering a new way to develop high performance lead free piezoelectric material. The main research content include: (1) the Li, Sb and Ca doped (KxNa1-x)NbO3 crystals will be grown by flux method, and the piezoelectric property will be measured in the crystal with various compositions; (2) the size effect of micro scale domain will be investigated in the crystals with ferroelectric domain pattern controlled by field cooled method; (3) nano-scale domain will be fabricated in lead free potassium sodium niobate ferroelectric crystals using ferroelectric domain patterning techniques, and the related effect of nano scale domain will be investigated by atomic force microscope (AFM); (4) piezoelectric thermal stability will be investigated in lead free potassium sodium niobate ferroelectric crystals, the domain structure with optimal piezoelectric property will be found, and the effect mechanism of nano domain in temperature stability will be investigated.

无铅压电材料因具有重要的环境价值和应用前景而成为压电铁电材料领域的研究热点，但在压电性能、温度使用范围和压电热稳定性等方面，无铅压电材料仍不能全面优于传统的锆钛酸铅（PZT）陶瓷材料。本课题拟采用畴工程化方法提高无铅铌酸钾钠基铁电晶体的压电性能，同时保持居里温度和铁电相变温度不变，为开发高性能无铅压电材料提供一种新途径。主要研究内容包括：（1）采用助熔剂法生长Li、Sb和Ca掺杂的(KxNa1-x)NbO3晶体，并表征出不同组分晶体的压电性能；（2）采用场冷极化法调制铁电晶体电畴结构，研究微米级电畴尺寸效应；（3）采用铁电畴图形化技术在无铅铌酸钾钠基晶体中制作纳米尺度电畴，使用原子力显微镜（AFM）研究纳米电畴尺寸效应；（4）表征畴工程化无铅铌酸钾钠基铁电晶体的压电热稳定性，获得最优压电性能对应的电畴结构，研究纳米电畴对温度稳定性的影响机制。

压电材料广泛应用于医用超声换能器、水声换能器、驱动器、超声马达、热释电器件、精密位移控制器件以及能量收集等领域。 由于PZT、PMN-PT和PZN-PT等铅基材料在制备过程中，伴随着氧化铅挥发，而对环境造成污染。从人类生存环境的保护和长远发展战略出发，研究和开发高性能的无铅压电陶瓷及晶体成为一项非常重要的工作。.本项目围绕铌酸钾钠（KNN）基无铅压电单晶，主要开展了：1、无铅铌酸钾钠基铁电晶体生长，选取锂和锰离子掺杂的铌酸钾钠体系作为进一步微结构和电学性能研究对象；2、外场作用对电畴结构的影响；3、 场冷极化法调控微米级电畴结构，本课题使用场冷极化法，通过优化极化温度、改变电场和降温速率等方法实现微米级电畴尺寸可控；4、纳米电畴尺寸效应，在多畴晶体中，通过消除微米级电畴畴壁的方式，将电畴尺寸减小至纳米量级；5、电学性能与压电热稳定性研究，揭示无铅铌酸钾钠基铁电晶体内部电畴结构变化对晶体电学性能的影响，表征电畴工程化无铅铌酸钾钠基铁电晶体的压电热稳定性，研究纳米电畴对压电热稳定性的影响机理。.通过以上研究过程，主要得到以下结果：采用助熔剂法生长出尺寸为2*6*8mm3的无铅铌酸钾钠单晶；采用纳米电畴工程化方法，将[001]晶向的锂/锰共掺杂铌酸钾钠晶体的电畴尺寸从20微米减小至0.5微米，其压电常数d33提高至560pC/N，其居里温度为450度；温度稳定性测试表明：在室温至150度范围内，其压电性能衰减小于10%；Rayleigh测试结果表明：随电畴尺寸减小，外部电畴对压电响应贡献增加至20%。.本项目提出了一种对块材无铅铌酸钾钠基铁电晶体纳米电畴工程化的自组装方法，与铁电畴图形化技术相比，该方法更高效，具有进一步研究意义；采用纳米电畴工程化方法将无铅铌酸钾钠基铁电晶体的压电性能提高一倍，同时其居里温度几乎不变，为获得与传统铅基PZT陶瓷材料可媲美的具有高压电性和宽温度使用范围的无铅铌酸钾钠基压电材料提供了新途径。