高居里温度弛豫铁电晶体的生长与结构性能研究

大尺寸弛豫铁电单晶的诞生是铁电领域自压电陶瓷问世以来的一次重大突破，但目前生长成功的几种弛豫铁电单晶的居里温度Tc较低，不能满足大功率密度超声、水声传感器和驱动器的工作温度要求，为此，本项目拟将铌钪酸铅（PSN）引入铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）伪二元固溶体弛豫铁电材料体系，在不降低压电和介电性能的前提下，提高材料的居里温度。主要研究PMN-PSN-PT伪三元体系熔体的凝固规律，搞清熔体状态、凝固条件与凝固组织、晶体缺陷之间的内在联系；探索PMN-PSN-PT伪三元固溶体晶体的生长技术，生长出钙钛矿结构的PMN-PSN-PT弛豫铁电晶体；表征该晶体的相结构、电畴组态、介电性能、压电性能及其之间的关系。

目前生长成功的几种大尺寸二元弛豫铁电单晶的居里温度Tc较低，特别是其三方-四方相变温度Trt在100℃以下，不能满足大功率密度超声、水声传感器和驱动器的工作温度要求，而最近生长成功的大尺寸三元弛豫铁电单晶虽然把Trt提高到100℃以上，但压电常数d33牺牲很多，一般在2000pC/N以下。基于此背景，本项目研究了PMN-PSN-PT三元铁电单晶及其制备技术，取得了以下主要研究结果：①在PMN-PSN-PT三元体系中找到了性能最优的组分配比。该组分晶体为钙钛矿结构，其(001) 方向的d33 达2571pC/N，Trt达到142℃，接近其居里温度Tc（148℃）。与PMN-PT相比，该晶体保持优异d33的同时，极大地提高了Trt。②建立了大尺寸PMN-PSN-PT铁电单晶的生长技术。该技术为一种不需加籽晶的布里奇曼法。通过研究掌握了长晶工艺参数，包括熔料温度、温度梯度、坩埚下降速度、晶体退火区温度、冷却速度等的可变化范围和最佳配合，能够稳定生长ø25×80mm的PMN-PSN-PT铁电单晶。③研究发现，预先合成前驱体ScNbO4和MgNb2O6，再与其它原料混合所配制的晶体原料不论采用布里奇曼法还是高温溶液法生长PMN-PSN-PT单晶，均能够完全避免焦绿石相的产生，获得纯钙钛矿结构的晶体。.在更高居里温度的Bi层状高温压电材料方面通过研究确定了晶格畸变对（BiNa）改性的SBN体系压电和铁电性能的有益贡献。研究表明：(BiNa)取代可以有效的提高体系的居里温度、压电性能、铁电性能以及压电性能的温度稳定性；体系的晶格畸变是体系电学性能提高的主要原因。确定了氧空位缺陷对(LiCe)改性的SBNBN体系压电性能的有益贡献。研究表明：体系压电性能的增强取决于体系晶格畸变和氧空位浓度的共同作用。确定了变价金属对（LiCe）改性SBNBN体系电学性能的影响。研究表明：取代离子的实际取代位置取决于原料中金属离子的价态；金属离子的实际取代位置决定了金属离子对体系电学性能的影响规律。