稀土掺杂无铅KNN铁电单晶的生长性能与结构研究

Lead-Free Ferroelectric materials has been a hot topic in recent years. By Rare earth doping, the piezoelectric and fluorescence performance of ferroelectric materials will be enhanced at the same time. In this project, we propose to conduct research on the growth of rare earth-doped KNN ferroelectric single crystals and the influence of hierarchical structure on the properties of these single crystals. The focus will be on the design and fabrication of lead-free ferroelectric materials with high piezoelectric property, high temperature stability, high fluorescence activity and tenability, with the control mechanism of structure and properties demonstrated. The effect of rare earth doping on hierarchical structure (lattice level→polar nano regions→domains→phase) and finally to the optical and electronic properties will be probed by rare earth with methods such as fluorescence, Raman, XRD, PFM, EIS, etc.. The evolution of piezoelectric properties and structure under external field would also be revealed, to achieve the effective control of properties and structure for KNN lead-free ferroelectric systems.

无铅铁电材料近年来成为研究的热点，通过对无铅铁电材料进行稀土离子掺杂，在压电性能和发光性能两方面都可以获得较大提升。本项目围绕稀土掺杂的铌酸钾钠（KNN）基钙钛矿型无铅铁电单晶的结构与性能之间的联系，包括高压电性能、温度稳定性、高荧光活性及可调性铁电材料的设计与制备，及性能与结构的调控机理研究，开展稀土掺杂KNN铁电单晶的生长研究和多层次结构对性能影响规律研究。以稀土离子为探针，结合荧光光谱、拉曼光谱、XRD、压电力显微镜、电化学阻抗谱等多种手段，研究稀土离子掺杂对铁电单晶多层次（晶格-极性纳米微区-畴-相）结构和光学电学性能的影响规律，揭示其在外场作用下结构与压电性能变化规律，从而实现对KNN体系无铅压电材料结构和性能的有效调控。

系统地研究了稀土掺杂KNN铁电单晶的生长与上转换荧光性能。通过对单晶生长以及后处理工艺的优化利用顶部籽晶生长法成功生长出了未掺杂和Er3+掺杂KNN 单晶，并研究了晶体的压电、介电性能及上转换荧光。研究发现Er3+ 掺杂KNN 单晶具有良好的上转换发光性能。通过不同退火气氛及温度对上转换发光的研究，发现Er3+掺杂KNN 单晶的上转换发光特性与氧空位密度紧密相关。研究表明在未退火和还原气氛退火样品中存在大量的氧空位，并导致了Nb4+的产生。氧空位和Nb4+吸收了980nm的激发光子，导致荧光猝灭。而在高温氧气退火后氧空位减少同时Nb4+被氧化为Nb5+，且温度越高氧空位含量越低。这一特性可以作为稀土掺杂KNN铁电单晶在非接触式氧气传感器研发的基础。另外我们研究了同一样品不同温度的上转换发光光谱，并发现526 nm和548 nm两个绿光峰的相对强度仅与温度相关，并且两个绿光峰强度之比与1/T 呈线性关系。利用这一特征不仅可以将Er3+ 掺杂KNN 晶体应用于温度传感器，并且可以实现不同温度下氧传感器的工作曲线校正，为Er3+ 掺杂KNN 材料在氧气和温度传感器中的应用打下了基础。