Li、Ta掺杂KNN无铅压电单晶的TSSG法生长及压电性能研究

无铅压电材料是当前国际压电铁电材料研究领域的前沿和热点。铌酸钾钠（KNN）体系材料被认为是最有望替代PZT压电陶瓷的无铅压电材料之一，且Li、Ta掺杂能够大幅度提升KNN的压电性能。本项目拟以Li、Ta掺杂KNN单晶为研究对象，通过改进的顶部籽晶助溶剂法（TSSG）生长单晶，研究晶体生长过程中的析晶行为和组分分凝规律，并通过优化生长参数来获得组分均匀的高质量Li、Ta掺杂KNN单晶；通过对不同掺杂浓度、不同取向单晶的结构、介电及压电性能的系统研究，建立Li、Ta掺杂KNN单晶的组分、结构、晶体学取向与其压电性能之间的关系，揭示Li、Ta掺杂对KNN单晶性能影响的规律，探索KNN基单晶的A、B位取代改性机理。本项目有助于发展高性能无铅压电单晶的制备科学，为KNN体系材料的掺杂改性奠定坚实的实验和理论基础，对推动无铅压电单晶的应用具有重要意义。

无铅压电材料是当前国际压电铁电材料研究领域的前沿和热点。铌酸钾钠（KNN）体系材料被认为是最有望替代PZT压电陶瓷的无铅压电材料之一，且Li、Ta掺杂能够大幅度提升KNN的压电性能。本项目采用改进的顶部籽晶助溶剂法（TSSG）生长了Li、Ta掺杂KNN单晶，研究了晶体生长过程中的析晶行为和组分分凝规律，并通过优化生长参数获得了组分均匀的高质量Li、Ta掺杂KNN单晶；通过对晶体性能的系统研究，得到了Li、Ta掺杂对KNN单晶性能影响的规律。研究结果表明：1、采用TSSG法生长，宜选择氧化钾和氧化钠作为自助溶剂；2、助溶剂的含量对晶体的外形以及晶体质量影响很大，因此助溶剂的含量应该控制在适当的范围内，当助溶剂含量过多是易产生缺陷；3、当溶液中K/Na比值控制在9~1范围内时，析出晶体皆为钙钛矿结构，不存在其它杂项；4、纯KNN生长过程中，存在K、Na元素的分凝，因此应根据相图控制溶液中K、Na元素的比值，实现KNN晶体的生长；5、Ta掺杂KNN生长过程中，Ta、Nb元素分凝严重，因此宜采用多得原料生长相对较小的晶体，来控制晶体的均匀性；6、KNN单晶生长过程中，温度区间较小，Ta掺杂KNN生长过程中温度区间较大；7，经过实验研究和测试，掺杂KNN单晶生长的合适参数为拉速0.1-1mm/小时，转速控制在5-30rpm；8、Ta掺杂对晶体性能影响较大，Ta含量不同晶体在室温下以正交、四方和立方相存在；9、在正交-四方相界附近，晶体的压电性能突出，压电系数d33超过40pC/N；10、在四方-立方相界附近，晶体的电致伸缩效应明显，电致伸缩系数与高性能铅基电致伸缩材料相近。本项目有助于发展高性能无铅压电单晶的制备科学，为KNN体系材料的掺杂改性奠定坚实的实验和理论基础，对推动无铅压电单晶的应用具有重要意义。