镓铝酸锶钕系列新压电晶体的生长、高温压电及零频率温度特性研究

Piezoelectric crystals are widely used in making sensor, resonator, transducer, and filter, which have important application value in technology field, such as laser, infrared, electro-optic and underwater acoustic. The applications in the area of aerospace, geological exploration and nuclear industry, require piezoelectric devices working under high temperature conditions and possessing stable performance, therefore, we need to prepare new piezoelectric crystal material which is suitable for high temperature environment..In melilite-type crystals, SrNdGa3O7 is one kind of crystal material with excellent and stable high temperature piezoelectric properties, in piezoelectric crystals, studies show that the replacement of Ga by Al in piezoelectric crystals of gallate, may could improve the high temperature piezoelectric properties and reduce the cost of crystals, we intend to introduce Al into SrNdGa3O7 crystal and grow strontium neodymium gallate/aluminate [SrNdGa3-xAlxO7 (x=0~3)] series new crystals, investigate their crystal growth, structure, thermal and piezoelectric properties, especially zero frequency temperature and high temperature piezoelectric properties; Study the numerical relationship and interaction of ingredient/structure and properties, furthermore, optimize and evaluate the crystal comprehensive properties, ultimately, obtain crystal which has excellent high temperature piezoelectric properties and zero frequency temperature cuts, then assess their potential application prospect.

压电晶体广泛用于制作传感器、谐振器、换能器和滤波器，在激光、红外、电光、水声等领域中有重要应用价值。航空航天、地质勘探及核工业等重要领域的应用，要求压电器件在高温条件下工作，并要求其性能稳定，因此需要制备出适用于高温环境的新压电晶体材料。.在黄长石系列晶体中，SrNdGa3O7是一种性能优良且稳定的高温压电晶体材料。研究表明，在镓酸盐一类压电晶体中，以Al取代Ga，可以改善晶体的高温压电性能并降低成本。因此，本项目拟在SrNdGa3O7晶体中引入Al，生长镓铝酸锶钕[SrNdGa3-xAlxO7 (x=0~3)]系列新晶体，研究晶体生长、结构、热学和压电性能，尤其是高温压电性能和零频率温度特性；研究组分/结构与性能量化关系及作用规律，优化晶体性能并全面评价综合性能，获得高温压电性能最优并最好具有零频率温度切型的特定组分的晶体，评估其潜在应用前景。

功能晶体材料是实现各种能量形式转换的介质，利用其可以制备各种功能晶体器件。压电晶体就是机械能和电能相互转换的介质材料，一直是压电应用的三大主要材料之一，广泛用于制作传感器、谐振器、换能器和滤波器，在激光、红外、电光、水声等领域中有重要应用价值。本项目研究了功能晶体中压电晶体的压电性能和零频率温度性能，并研究了压电晶体作为功能晶体的热学、光学等一些其它性能。研究内容、重要研究结果及其意义简述为:. (1)研究了多种黄长石型晶体SrGdGa3O7、SrLaGa3O7、SrNdGa3O7、BaLaGa3O7、CaNdGa3O7、Ca2MgSi2O7和Ca2Ga2SiO7的零频率温度特性。已经在三种晶体中得到零/近零频率温度切型，包括SrGdGa3O7晶体的X-cut、XYt45o切型（频率温度系数分别为-10 ppm/oC， -17 ppm/oC），Ca2MgSi2O7晶体的XYt85o切型（频率温度系数为-24 ppm/oC），Ca2Ga2SiO7晶体的XYt5o切型（频率温度系数为-21 ppm/oC）。.(2)通过熔体提拉法生长了与SrNdGa3O7晶体具有相同层状结构的大尺寸Ba2TiSi2O8单晶，通过坐标变换法，系统研究了该晶体压电常数的方向依赖性，发现与实验测试结果一致。研究发现，ZXl50o样品的具有较大的压电常数d33=9.1 pC/N和较高的温度稳定性（25~600oC范围内变化率小于5%），本工作对Ba2TiSi2O8晶体的压电性能在二维和三维空间的理论研究和器件设计提供了重要的参考价值。. (3)成功生长了黄长石型Nd:Ca2Ga2SiO7晶体，研究了该晶体的压电（d14=6.8 pC/N）和激光性能（光转换效率 =14.2%，斜效率 =16.7%），该晶体是一种综合性能优良的压电和激光晶体。. (4)首次研究了Ba2TiSi2O8晶体的受激拉曼散射性能。研究发现，该晶体除了具有优良的高温压电性能外，也是一种新型的受激拉曼散射活性材料。.(5)研究了硅酸钛钡晶体的光学性能，Z-扫描测得功率密度为16.4GW/cm2时，该晶体的非线性吸收系数仅为0.257cm/GW，这可以有效增加转换效率，降低光损伤阈值。该晶体既是性能优良的高温压电材料，也是一种光学材料。