新型多元高性能铁电压电晶体材料研究

新型弛豫铁电单晶材料近年来成为新兴起的深具潜力的新型压电材料，被称为铁电学领域的重大突破。本项目立足于Pb(In1/2Nb1/2)O3- Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（PIMNT）体系致力于对新型高居里点弛豫铁电压电单晶材料进行系统研究。研究单相无成分损失PIMNT原料的合成方法，探索PIMNT的最佳配料组分及晶相转变条件及规律。采用改进Bridgman法研究PIMNT晶体生长技术，生长高质量高性能PIMNT晶体。确定PIMNT晶体的凝固分凝规律，研究成分偏离对PIMNT晶体结构及性能的影响及其相互之间的关系。对PIMNT晶体的常温常压、等静压及高温高压和电场下的介电、压电、电致应变及机电耦合系数等物性进行测试分析，研究PIMNT晶体性能与温度、压力、频率、电场等的关系。研究PIMNT晶体的相结构及畴结构，以及畴结构的显微特征和变化，研究温度和电场对畴组态的调制作用。

新型弛豫铁电单晶材料近年来成为新兴起的深具潜力的新型压电材料，被称为铁电学领域的重大突破。本项目立足于Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTO3（PIMNT）体系致力于对新型高居里点弛豫铁电压电单晶材料进行系统研究。研究了PIMNT原料合成过程中合成温度、MgO过量、先驱体合成等因素，确定了PIMNT原料的最佳合成方法以及配料组分和晶相转变规律。采用改进Bridgman法研究PIMNT晶体生长技术。掌握了PIMNT晶体生长技术，目前可以生长直径55mm的＜011＞籽晶引导PIMNT晶体和直径30mm的＜001＞籽晶引导PIMNT晶体。研究了PIMNT晶体的凝固分凝规律。确定对于直径为55mm的PIMNT晶体，其Ti在PIMNT晶锭中的分凝系数约为0.84，而直径为30mm的PIMNT晶体中Ti在PIMNT晶锭中的分凝系数约为0.91，沿着PIMNT晶体的径向方向，Ti的浓度几乎保持不变，从晶片中心到边缘，Ti的摩尔数的最大变化量不超过0.015。研究了成分偏离对PIMNT晶体结构及性能的影响。由于PIMNT晶体生长过程中的分凝偏析及PIMNT晶体结构对成分的敏感性，沿着生长方向（轴向）PIMNT晶锭呈现不同的相结构，晶锭下部为三方相结构，中部为单斜相结构，而上部为四方相结构。沿着PIMNT晶体生长方向，随着成分偏离，PIMNT晶体的介电常数、介电损耗和压电常数呈现出先增大，再减小的趋势。研究了PIMNT晶体的性能及其与外场（温度、电场等）的影响。室温下所生长PIMNT晶体的压电常数约在1700-2200pC/N之间，介电常数约在4500-6000，三方/四方相变温度＞120oC，居里温度约为170-190oC，矫顽场约为4.35-6kV/cm，介电损耗小于0.5%。PIMNT晶体的介电温度谱表现出了典型的介电弛豫特征，PIMNT晶体的电滞回线比较狭长，损耗较小，滞后效应也比较小。测量了<001>极化的PIMNT25/44/31晶体的全套电学性能参数。研究PIMNT晶体的相结构和畴结构。从低温到高温，PIMNT晶体经历的相结构变化为：RMTC。随着温度升高，畴形貌发生了重组，畴壁宽度明显出现了宽化长大和畴壁平直化的趋势。极化后，三方相PIMNT晶体的畴结构由于电场调制变得更明显，规则，畴带的平行程度增加，连续性变好。