Li、Sb、Ta掺杂(K,Na)NbO3基无铅压电单晶的性能及温度稳定性研究

研发性能良好的无铅压电材料是当今材料研究领域的一项迫切任务。(K,Na)NbO3(简写为KNN)基无铅压电材料被认为是铅基压电材料的替代产品之一。本项目借鉴KNN陶瓷的改性研究，拟用顶部籽晶助溶剂法生长Li、Sb、Ta掺杂的KNN单晶，并对其性能进行研究。首先通过调节原料配比，优化生长参数制备出尺寸大、质量好的单晶；然后测试沿不同晶体学取向极化的单晶性能，建立组分、极化方向和性能之间的关系，并表征单晶的全矩阵参数；另外，研究单晶的相结构、电畴形态、极化方向等因素与压电性能温度稳定性的内在联系，揭示正交-四方相变温度附近温度稳定性较低的物理机制，并进一步优化相关工艺，在保证压电性能的同时提高材料的温度稳定性。本项目工作的开展可对KNN基压电材料的进一步改性提供理论指导，对促进无铅压电材料的实用化具有重要的意义。

研发性能良好的无铅压电材料是当今材料研究领域的一项迫切任务。(K,Na)NbO3(简写为KNN)基无铅压电材料被认为是铅基压电材料的替代产品之一。本项目研究内容主要为生长KNN基单晶，并针对其性能展开深入研究。.项目执行过程中按照研究计划如期进行，圆满完成了项目计划的研究内容，主要结果及研究结论如下：一、单晶生长研究。通过优化生长工艺，成功使用顶部籽晶助溶剂法生长出了尺寸较大、质量良好的正交相(K, Na)(Nb, Ta)O3（KNNT）、(K, Na, Li)(Nb, Ta)O3（KNLNT）、(K, Na, Li)(Nb, Ta)O3:Mn（KNLNT:Mn）单晶和四方相(K, Na, Li)(Nb, Sb, Ta)O3（KNLNST）单晶，了解生长过程中各元素的分凝情况，熟练握了KNN基单晶的生长工艺。二、KNN基单晶室温性能研究。单晶的铁电性能研究表明KNN基单晶的自发极化在电场作用下难以翻转。测试了KNNT、KNLNT和KNLNT:Mn单晶[001]C方向的介电、压电、弹性全矩阵参数，这是目前为止唯一的关于KNN基单晶全矩阵参数的报道。正交相KNN基单晶具有非常高的机电耦合性能。Li的引入可以非常有效的提高材料的压电和介电性能，其中KNLNT:Mn性能最优（d33~545pC/N，k33~95%）。另外，测试了[011]C方向极化的KNNT-2单畴单晶的全矩阵参数。基于这一组单畴全矩阵参数，计算了晶体学取向对压电、介电、弹性和机电耦合性能的影响。结果表明 d33*、 *和 k33*均在[001]C方向附近取得最大值。三、KNN基单晶温度稳定性研究。以KNNT单晶为例研究了材料的压电、介电和机电耦合性能在正交相，经历正交-四方相变过程，进入四方相这一过程中随温度的变化规律，并研究了相应温度范围内单晶电畴结构的变化。结果表明，相变温度附近电畴结构的剧烈变化是导致性能改变的重要因素。.本项目工作的开展使研究者对KNN这一材料体系有了更深入的认识，为KNN 基压电材料的进一步改性提供理论指导，对促进无铅压电材料的实用化具有重要的意义。