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铌锌酸铅—钛酸铅和铌镁铟酸铅—钛酸铅单晶的物性研究

孙恩伟  
【摘要】:近十年来,弛豫铁电-正常铁电型固溶体单晶,如铌锌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)和铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT),由于具有非常优异的压电与机电、光学、声学和铁电性能引起了人们的普遍关注,并已在新一代超声波换能器和高性能微驱动器中发挥了巨大作用。接近准同型相界组分的PZN-0.07PT单晶具有单一相结构、高度组分均匀性、高晶体质量和高宏观物理性能等特点,其压电与机电方面的应用现已进入器件的研制开发阶段。另外,PZN-0.07PT单晶可以沿其自发极化方向极化成非常好的单畴态,在光学器件领域也具有非常诱人的应用前景,但其很多光学性质还未见报道,所以研究PZN-0.07PT单畴单晶的光学性能具有非常重要的实际应用价值。而随着晶体生长技术的不断成熟,在近期人们又生长出大体积的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅(PIN-PMN-PT)单晶,它具有比PMN-PT单晶更高的矫顽场和相变温度,更适合应用于大驱动电压的机电器件,并拥有更宽的工作温度范围,因此对PIN-PMN-PT这种新型铁电单晶的基本机电性能的研究对此类单晶材料的机电器件应用十分重要。 本文首先将PZN-0.07PT单晶极化成单畴态,然后使用布儒斯特角法测量了单晶的线性折射率,确定了单晶属于正单轴晶体。使用改进的马赫-曾德尔干涉法测量了晶体的线性电光系数,发现其有效电光系数比传统的电光晶体铌酸锂高出两倍。使用折射率椭球理论研究了铁电晶体的逆压电效应对其电光相位和强度调制系统半波电压的影响,发现铁电单晶的逆压电效应在电光调制应用时不可忽略,而横向压电应变可以大大降低电光调制的半波电压值。通过紫外-可见-近红外吸收光谱和偏振拉曼光谱相结合的方法,研究了PZN-0.07PT单畴单晶的光学吸收边和带隙宽度。对晶体内部的直接跃迁和间接跃迁性质进行了详细的研究,确定了在光学间接跃迁过程中起主要贡献的声子对应于Nb-O-Zn伸缩振动模式。另外,PZN-0.07PT单畴单晶在可见光区具有高的光学透过率,可以达到制作光学器件的要求。 本论文还研究了PIN-PMN-PT铁电单晶在不同极化状态下的介电、压电、弹性和机电耦合性质。测量得到若干组自洽的全矩阵宏观机电参数。[011]c方向极化的PIN-PMN-PT单晶具有非常可观的横向和剪切压电性能。研究了PIN-PMN-PT单晶的介电常数的温度和频率依赖关系,其矫顽场和相变温度比PMN-PT单晶都有明显的提高。首次测得了一组无偏压条件下PIN-PMN-PT单畴单晶的全矩阵宏观机电参数,并利用坐标变换方法研究了铁电单晶宏观机电性能的取向效应,发现铁电畴的取向效应在晶体的宏观机电性能中起主要作用。 利用超声波谱的方法测量了25-100 MHz超声频率范围内沿[001]c方向极化的PIN-0.45PMN-0.31PT工程畴单晶的高频超声色散和衰减特性,进而得到其弹性常数的实部和虚部的高频超声色散关系,并对测量结果进行了详细的误差分析,得到了准确可靠的实验数据。使用克拉默斯-克勒尼希关系对测量得到的声速和衰减的色散关系进行了验证,实验测量的结果与克拉默斯-克勒尼希关系符合很好。另外,我们发现[001]c方向极化的PIN-0.45PMN-0.31PT单晶在100 MHz频率时的衰减系数仅为[001]c方向极化的PMN-0.32PT单晶的40%,更是远远低于传统PZT压电陶瓷的衰减,这表明PIN-PMN-PT铁电单晶不但可以应用于大功率机电器件,也非常适合用于制作高频超声换能器件。


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