准同型相界(Na1/2Bi1/2)TiO3-(K1/2Bi1/2)TiO3无铅压电晶体的生长及结构与性能关系研究

(Na1/2Bi1/2)TiO3-(K1/2Bi1/2)TiO3（简称NBT-KBT）体系具有很高的压电、铁电性能，被认为是最有可能替代PZT的无铅压电材料，预计在准同型相界成分附近，NBT-KBT晶体将表现出比同类陶瓷更为优越的压电性能，因此，开展NBT-KBT晶体的生长及结构性能关系研究在基础理论及应用方面都具有重要意义。本项目拟采用顶部籽晶助熔剂法生长NBT-KBT体系晶体，采用逐步淘汰法培育NBT-KBT籽晶，通过调整生长速度、籽晶旋转速率、Bi2O3:KF:NaF助熔剂添加比例等晶体生长工艺参数，弄清晶体生长中组分分凝规律，以期最终生长出直径大于10mm、完整性好、高质量的NBT-KBT体系以及Mn改性NBT-KBT晶体，并将对所获得晶体的压电、铁电、介电等性能进行系统研究。采用实验和第一性原理相结合方法研究晶体组分、结构、功能基元与压电铁电性能的关系，揭示其高压电活性的本质。

(Na1/2Bi1/2)TiO3-(K1/2Bi1/2)TiO3（简称NBT-KBT）系材料被认为是非常有潜力的无铅压电材料，然而，该材料的研究大都集中在陶瓷方面，对单晶的研究较少。本项目组采用顶部籽晶助熔剂法(TSSG)，生长出了高性能、大尺寸NBT-KBT、(Na1/2Bi1/2)TiO3-BaTiO3（简称NBT-BT）铁电晶体。TSSG法生长晶体直径大于4cm，厚度为1cm。开展了单晶的压电、铁电、介电等性能的研究，建立详细的NBT与KBT化合物间两元体系的组成－相结构－性能数据库，研究了其相结构和压电性能的变化规律，得到了压电常数d33达213pC/N，机电耦合系数kt达到0.52，居里温度超过314℃的NBT-KBT单晶材料；所获得准同型相界处的NBT-BT单晶压电性能高达360pC/N，性能远超过了同类陶瓷水平；结合第一性原理开展了NBT-KBT晶体的理论计算研究，获得了NBT-KBT晶体的能带结构、电子密度与介电函数等微观基础理论数据；另外，还开展NBT-KBT与铋层状基压电陶瓷材料的研究，发现NBT-KBT-BM三元体系陶瓷具有优异的压电性能，为加快无铅压电材料的应用提供了技术保障。