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铌铟镁酸铅-钛酸铅铁电单晶的电学性能和钛酸钡微米片的制备
[2026-01-23]
【作者】 胡玉栋 中国科学院福建物质结构研究所
【导师】 龙西法 中国科学院福建物质结构研究所
Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)弛豫铁电单晶具有超高的压电、介电和机电耦合性能,是极有前途的制动器、换能器和传感器候选材料。相对于顶部籽晶法等方法,垂直布里奇曼法能够生长高质量大尺寸的单晶,这为大规模工业化应用提供了基础。但固有的组分偏析带来的性能差异化是不可避免的,为了提高晶体的性能,最大程度的利用垂直布里奇曼法生长的晶体,通过畴工程的方法来提升单晶的电学性能是最简便、经济和高效的方法。弛豫铁电单晶虽然具有较高的压电和机电等性能,但是生长过程带来的成分不均匀、生长加工成本高和形状尺寸加工困难等因素限制了大规模的商业化应用。随机多晶陶瓷虽然具有工艺简单、容易成型和成本低等优点,但高的压电性能往往带来较低的居里温度,使用温度的降低严重限制了应用。为了获得与单晶相似的压电性能,同时避免单晶存在的问题,通过特定方法使随机多晶陶瓷的晶粒进行定向排列获得织构陶瓷的工艺逐渐获得重视。织构压电陶瓷可以结合两者的优点,可以在不提高成本的条件下获得接近于单晶的压电性能,并且能够实现高的成分均匀性以及特定的成型。模板晶粒生长法(TGG)是制备织构陶瓷主要方法之一,而制备合适的片状模板则是获得织构陶瓷高织构度的关键之一。本文针对垂直布里奇曼法生长的PIN-PMN-PT晶体存在的组分偏析,系统的探讨了晶体沿生长方向上的组分偏析带来的性能变化及波动,使用DCP、ACP和ACP+DCP的极化方式探讨了晶体沿生长方向上电学性能的影响。结果表明对于布里奇曼生长的PIN-PMN-PT晶体,发现沿着生长方向PIN含量稳定在30%左右,PMN的含量先减少后增加,PT含量先升高随后降低,这使得从底部到顶部样品的相先靠近MPB区,随后远离,所有样品均为R相。经过不同条件极化后发现样品的d33和eT33/e0都呈现的是先增加后减少的情况,在3#和4#样品处达到最大值。在最佳极化条件(DCP(Ep=10 kV/cm)、ACP(Ep=10 kV/cm)和ACP+DCP(Ep=10 kV/cm,Ep=10 kV/cm,DCP升压时间10s,极化时间10s))极化后3#和4#样品在DCP、ACP、ACP+DCP的d33分别为1090 pC/N、1210 pC/N和1330 pC/N,1110 pC/N、1220 pC/N和1360 pC/N。整体上的d33,ACP比DCP提升10%左右,ACP+DCP分别比DCP和ACP提升22%和10%左右。3#-7#样品的tanδ 在ACP时比DCP降低15%左右,ACP+DCP分别比DCP和ACP降低60%和50%左右,3#和4#样品在ACP+DCP后的tanδ分别为0.28%和0.34%,这有利于在大功率器件中的应用以及在工业应用中实现节能增效。针对PIN-PMN-PT晶体晶片存在的组分偏析,本文研究了晶片和不同晶片间组分偏析带来的电学性能波动。结果表明W01和W02晶片的ACP样品的d33为1290 pC/N和1500 pC/N,比DCP样品高18%和23%。ACP样品在介电损耗方面表现出很大程度的下降。DCP和ACP后样品的d33和eT33/e0的波动率都小于10%。获得更好的d33和eT33/e0(小于5%)的均匀性是一个挑战。为了获得更好的d33的均匀性,以小于5%为例,最好的方法是减少极化电场。这项工作表明,ACP的弛豫-PT铁电单晶的性能均匀性较高,是可以应用的。针对模板晶粒生长法制备织构陶瓷中关键的BaTiO3微米片,本文系统的探讨了不同体系前驱体,不同尺寸及其他影响因素对BaTiO3微米片形貌的影响。主要结论包括以下几点:(1)在探讨合成前驱体Bi4Ti3O12发现熔盐配比为等质量时可以获得椭圆的形貌,相对来说尺寸更加均匀;在反应物的质量为10g,保温时间为1h,合成温度为1040℃和1080℃均可以获得的形貌俱佳的BIT前驱体,平均尺寸分别为4.9μm和6.8μm。(2)通过与反应物等质量的熔盐在1060℃,保温3h可以合成形状规则的BBT。在探讨合成过渡体BaBi4Ti4O15时发现BIT的形貌对BBT形貌的影响较大,若BIT的形貌不是规则的圆形或者椭圆形,不能得到规则的四边形的BBT;BIT的尺寸大小对BBT尺寸有着更为直接的影响,平均尺寸为4.9μm的BIT得到了平均尺寸为6.3μm的BBT,平均尺寸为6.8μm的BIT得到了平均尺寸为8.4μm的BBT。(3)三步法制备BT模板过程中发现不规则的BBT作为前驱体也能获得形貌较好的片状BT单晶,BBT的尺寸对BT尺寸和形貌的影响有限。单一的KCl作为熔盐不单单难以获得纯相,在形貌的贡献上也过于局限。当使用NaCl-KCl作为熔盐时,更容易获得较好的形貌,当以大尺寸的BBT为前驱体时在870℃保温2h时可以获得径厚比在10左右的BT微米片,可以作为织构陶瓷理想的模板。两步法制备BT模板过程中发现在860℃保温1h时得到的BT形貌和尺寸上可以媲美由三步法获得的BT微米片。(4)通过制备70PMN-30PT织构陶瓷证明由三步法制备的片状BT微米片可以很好的通过流延进行平铺,在70PMN-30PT中具有良好的化学稳定性和热学性质。在BT含量为4%时获得的织构陶瓷的织构度在80%以上。

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