铌镁酸铅和铌锌酸铅基铁电单晶中声表面波传播特性研究

【摘要】：新型弛豫铁电－正常铁电型固溶体单晶在最近十几年中受到了很大的重视。这是由于和传统的压电材料相比较，新型弛豫型铁电单晶铌镁酸铅－钛酸铅(1-x)Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-xPbTiO_3（PMN-PT，又简写为PMN-xPT，其中x指晶体中PbTiO_3含量）和铌锌酸铅－钛酸铅(1-x)Pb(Zn_(1/3)Nb_(2/3))O_3-xPbTiO_3（PZN-PT，又简写为PZN-xPT，其中x指晶体中PbTiO_3含量）等表现出良好的压电、介电、光学和声学性能，这种新型晶体在各种机电设备中具有广泛的应用前景，如医学超声换能器，大位移压电驱动器和超声电机等。PMN-PT、PZN-PT等弛豫铁电单晶对于声表面波器件同样是非常有应用前景的压电材料。虽然有研究者测量了个别晶体的SAW相速度，然而并没有对该晶体的声表面波性能进行系统的理论分析。为了未来的潜在应用，我们研究了PMN-PT、PZN-PT及铌镁铟酸铅－钛酸铅(PIN-PMN-PT)系列晶体的声表面波传播特性，希望能对声表面波器件的设计有所帮助。 首先，本论文利用实验已测得的多种组分的[001]c极化PMN-PT弛豫铁电单晶的弹性、介电和压电参数，求解了半无限大条件下的克里斯托夫方程，理论上首先详细讨论了三方相、四方相和处于准同型相界的PMN-PT单晶的声表面波传播特性。分析了晶体具有优异声表面波性能的原因。理论计算结果表明三方相、准同型相界和四方相PMN-PT晶体均具有比较优异的声表面波特性。声表面波相速度都比较小，都具有声表面波机电耦合系数比较大的切型，能流角均明显小于传统压电材料。这些特性将有助于减小声表面波器件尺寸，增加器件工作带宽，降低能量损耗。与其他组分晶体相比，处于准同型相界的PMN-33%PT晶体的声表面波特性最为优异。k2值高达33.46%，同时声表面波相速度不超过1800m/s，能流角小于1.5o。PMN-33%PT单晶具有优异的声表面波机电性能的内部机理是PMN-33%PT单晶处于准同型相界附近，极化后PMN-33%PT晶体内存在三方—四方两相共存区，等效的极性畴对称地靠近极化方向分布形成工程化的畴结构。工程化的畴结构改变了晶体的宏观对称性，产生较大应变。同时畴壁的运动受到抑制，场致应变的回滞很小。对比发现四方相PMN-38%PT晶体的SAW性能略逊色于PMN-33%PT，同时四方相PMN-38%PT晶体的各向异性强于三方相晶体。PMN-PT单晶虽然具有很好的SAW性能，但其不太好的温度稳定性限制了单晶的应用范围。 此外，研究了极化方向和晶体成分变化对PMN-PT晶体声表面波性能的影响。结果表明，组分相同但极化方向不同时，PMN-PT晶体的声表面波性能不同。沿[001]c方向极化和[111]c方向极化的PMN-33%PT晶体的声表面波性能接近但并不相同。这说明在铁电单晶材料中，铁电畴的取向效应在晶体的SAW性能中起重要作用，因此可以通过改变畴的结构和取向来优化铁电单晶的SAW性能。加入铟可以有效的提高弛豫铁电晶体的SAW性能，本论文初步讨论了加入铟对PMN-PT晶体SAW性能的影响。对比0.71PMN-0.29PT晶体对0.26PIN-0.46PMN-0.28PT晶体的声表面波传播特性进行了研究。结果发现，铟的加入在提高晶体稳定性的同时，牺牲了部分SAW性能。但综合来看，[011]c极化0.26PIN-0.46PMN-0.28PT单晶仍具有相对传统压电材料比较优异的SAW性能和较好的温度稳定性。 由于PZN-PT晶体的温度稳定性好于PMN-PT单晶，本论文讨论了接近准同型相界的三方相、远离准同型相界的三方相和四方相PZN-PT晶体的声表面波传播特性。在我们所研究的各种组分的PZN-PT晶体中，接近准同型相界的三方相PZN-7%PT晶体的声表面波性能最好。PZN-8%PT晶体的SAW性能与PZN-7%PT晶体接近。相比其它组分PZN-PT晶体PZN-7%PT和PZN-8%PT单晶具有较好SAW性能的原因是三方相的PZN-PT晶体的自发极化方向为[111]c，当沿[001]c极化后晶体具有工程畴结构。而工程畴组态的单晶具有更高的电学活性，压电性能远远高于其单畴态。而四方相PZN-PT晶体的自发极化方向为[001]c，当沿[001]c极化时晶体为单畴结构。因而沿[001]c极化的PZN-12%PT晶体的声表面波性能低于同样沿[001]c极化的三方相PZN-PT晶体。如PZN-12%PT晶体声表面波k2最大值仅为6.97%，远低于PZN-7%PT(14.3%)、PZN-8%PT(13.8%)和PZN-4.5%PT(12.54%)。组分相同时，沿不同方向极化的PZN-PT晶体的SAW性能同样存在较大差异。沿[011]c方向极化的具有mm2宏观对称性的PZN-7%PT单晶的SAW性能要优于沿[001]c极化的PZN-7%PT单晶。如[011]c极化的PZN-7%PT单晶声表面波k2最大值可达24.16%，远高于[001]c极化的PZN-7%PT单晶。