弛豫铁电单晶压电性能及其尺寸效应的起源和优化研究

Relaxor ferroelectric single crystals were found to possess high longitudinal piezoelectric coefficient d33 and electromechanical coupling factor k33, being on the order of 2000pC/N and >90%, respectively, far out-perform PZT ceramics. From 1990s, the high performance crystals have been extensively studied for broad bandwidth and high frequency ultrasonic transducer applications, showing a great advantage over tranditional PZT based transducer, greatly improved the sensitivity of the medical ultrasound. With the development of new medical imaging techniques, which require broader bandwidth, higher operational frequency and higher sensitivity, piezoelectric elements with smaller dimension and higher performance are desired for the fabrication of the ultrasound probes. However, degradation of the macroscopic piezoelectric properties of the relaxor ferroelectric single crystals was observed to occur when the dimension is smaller than 100 microns. The piezoelectric d33 and electromechanical k33 were found to decrease to 800pC/N and 75% respectively, when the thickness of the 1-3 crystal composite is lower than 50 microns, corresponding to the transducer operational frequency of >20MHz, revealing a strong scaling effect. It is the topic of this research to explore the origin of high piezoelectric property and scaling effect of relaxor ferroelectric single crystals, to elucidate the size effects on piezoelectric, electromechanical coupling, elastic, dielectric, electrostrictive and mechanical properties of the crystals, to find new approaches to improve the properties of crystals with size being on the order of tens- hundreds microns, offering materials for high frequency, broad bandwidth ultrasonic transducer applications.

弛豫铁电单晶压电常数d33高达2000pC/N，机电耦合系数k33大于90%，相比于PZT陶瓷有大幅提高。自上世纪90年代，高性能弛豫铁电单晶被广泛用于宽带和高频超声换能器的研制和开发，具有显著的优势，极大地提升了医疗超声的探测能力。目前医学影像技术的发展需要更高的带宽、工作频率和灵敏度。为了满足这些需求，制作超声探头的压电元件需要更小的尺寸和更高的性能。然而，研究发现当弛豫铁电单晶的尺寸小于100微米时，晶体的压电性能出现大幅衰减。当换能器工作频率在20MHz以上，即当晶体复合材料厚度低于50微米时，d33和k33下降至800pC/N和75%，说明弛豫铁电单晶中存在着较强的尺寸效应。本项目的主要研究目标是探索弛豫铁电单晶高压电性能及尺寸效应的起源，揭示晶体尺寸对其压电性能影响的关键因素，寻求提高微米量级尺寸晶体性能的途径，推进高性能弛豫铁电单晶的发展，为高频超声换能器的研发提供材料保障。

本项目以二元体系PMN-PT和三元体系PIN-PMN-PT晶体为研究对象，针对弛豫铁电单晶的铁电相结构、畴结构以及机电耦合性能展开了研究工作。主要研究内容包括：（1）弛豫铁电单晶的电致伸缩效应研究；（2）利用偏光显微镜和透射电子显微镜的方法研究了样品厚度、温度对晶体相、畴结构的影响；（3）弛豫铁电单晶的最优极化条件研究；（4）弛豫铁电单晶的高频介电和压电性能研究。. 本项目主要取得的主要研究成果如下：. （1）成功生长了PMN-PT和PIN-PMN-PT弛豫铁电单晶，并利用XRD、偏光显微镜和高分辨透射电镜对其微观相畴结构进行了全面的表征工作。研究发现：弛豫铁电单晶在低温情况下没有异常的宏观相变，但有可能存在极性微区的变化。同时，研究还发现“大”畴中存在“针状”的小畴或极性微区，且这两种尺度电畴的对称性存在明显差异，这很可能是造成弛豫铁电单晶压电效应受温度影响较大的主要原因。. （2）基于对弛豫铁电单晶电致伸缩性能的深入研究，课题组提出了利用<111>方向四方铁电相晶体制作高频超声换能器。该类晶体不但具有高介电常数，同时其机电耦合性能具有良好的温度稳定性，可用于180摄氏度高温，相比于传统三方相弛豫铁电单晶有大幅提高（三方相晶体应用温度低于120摄氏度）。. （3）在弛豫铁电单晶性能与结构关系的研究工作中，课题组发现了弛豫铁电单晶的高介电、压电性能与晶体中的极性纳米微区有着密切的联系。且极性纳米微区的热动力学特性对晶体的高频介电压电特性有显著的影响。这一发现为今后优化弛豫铁电单晶的高频介电压电特性开拓了新方向。. （4）课题组发现了B位原子有序度与弛豫铁电单晶的电致伸缩特性息息相关，同时也间接影响了弛豫介电和压电特性。这一研究成果将促使我们在未来的研究工作中，更加重视对弛豫铁电单晶电致伸缩特性的研究，并从这一角度调控弛豫铁电单晶的介电、压电特性。. 本项目所取得的研究成果有望应用于医疗B超用高频超声换能器阵列，并提升相关器件的性能指标。