无籽固相法生长的铌酸钾钠单晶的机械、电学损耗机理与压电性能研究

As a type of functional materials which may realize the exchange between the electrical and mechanical energy, piezoelectric materials have been widely used in the field of sensor, transducer, transformer, filter, communication devices and so on. The single crystal has an ideal crystal structure. However, the traditional single crystal growth techniques are complicated, or lack of repeatability. Recently, our research group developed a seed-free solid state crystal growth technology. K0.5Na0.5NbO3 (KNN) lead-free piezoelectric single crystal with a centimeter grade has been fabricated successfully by this technology. Our previous studies indicate that this single crystal has a stable and single phase structure, and high piezoelectric constant. However, its high dielectric loss limits its applications in industry. In 2015, the journal Materials Science and Engineering R reported that the researches aiming at energy loss behavior of ferroelectric crystal materials are poor. The complex energy loss behavior in ferroelectrics is far from being fully understood. This study on the loss mechanism of single crystal KNN system grown by the seed-free solid state crystal growth technology is also a new topic. In this project, we will conduct studies on the origin and mechanism of mechanical, electrical loss of KNN single crystal. We will also try to develop some methods to decrease the mechanical and electrical losses and improve the piezoelectric properties of the KNN single crystal. Based on the above studies, the macro mechanical and electrical performance of KNN crystals can be optimized, which will improve the design and application of relative electromechanical devices and facilitate the further studies.

作为一种实现机电能互换的功能材料，压电材料广泛应用于传感器、换能器、变压器和通讯等领域。单晶具有理想的结构，但传统的制备手段较复杂或重复性差。最近本课题组发展了一种无籽固相晶体生长技术，生长出厘米级的K0.5Na0.5NbO3(KNN)单晶。研究发现该单晶的结构稳定、晶相单一、具有高压电常数，但高损耗阻碍了其应用。2015年，《Materials Science and Engineering R：Reports》杂志报道：目前针对铁电晶体能量损耗行为的研究很少。主要原因是损耗机理复杂，人们对该类晶体的能量损耗动力学和根源认识不清。针对本课题组制备的KNN单晶体系损耗机理的研究，更是崭新的课题。本项目以KNN单晶为研究体系，研究晶体的机械、电学损耗起源机理，找到降低晶体的机械和电学损耗、提高压电性能的理论和方法，优化晶体的宏观电机性能，为指导该单晶的电机器件设计、应用和进一步研究提供支撑。

作为一种能实现机-电能互换的功能材料，压电材料广泛应用于传感器、换能器、变压器和通讯等领域。单晶具有理想的结构，但传统的制备手段较复杂或重复性差。本项目采用原创的、与陶瓷工艺几乎完全相同的一种无籽固相晶体生长技术制备了一系列KNN基单晶，着重研究了晶体的损耗机理以及降低损耗的方法。通过对KNN晶体进行各种元素掺杂，如Cu、Mn、Li、Bi和Mg等元素单一或共掺，以及KNN晶体中的K/Na原子比调控等，以及晶体生长工艺优化及气氛退火处理等研究，发现KNN基单晶的介电损耗机制主要是空间电荷限制的导电机制，主要来源于晶粒内部导电；通过Cu和Mn等元素的掺杂以及优化生长工艺参数、气氛退火等手段可以有效抑制晶体中的漏导，有效降低介电损耗。同时，本项目采用无籽固相晶体生长技术制得Mn、Bi和Li多元素共掺KNN晶体，它的压电常数d33高达1050 pC/N，当施加10 kV/cm外加电场时晶体的逆压电系数也高达2290 pm/V。该晶体的压电常数比纯KNN陶瓷大一个数量级以上，且可媲美于PZT基单晶的压电性能。本项目对晶体的高压电性能的本质原因进行了初步的研究探讨，对KNN基晶体的无籽固相生长机制也进行了初步的分析研究。此外，本项目为了研究晶体生长规律以及温度场对它的影响，还对不同尺寸、不同形状的坯体和不同放置方式对晶体生长特性的影响规律进行了初步研究，等等。通过本项目研究，大力推动了固相晶体生长技术和KNN基无铅压电材料的发展，为进一步的研究和应用打下了较扎实的基础。总之，该项目圆满地完成了各项研究任务，取得了较好的成果。针对所研究的现象与问题，尚存在一些更深层的科学问题和面向应用的关键问题，需要今后继续深入研究、厘清。