四方相铌酸钠基无铅压电单晶的电学性能及电畴结构

【摘要】：压电材料是一种重要的功能材料,传统的含铅压电材料,由于含铅量过高,容易对环境和人类健康造成危害,因此,研制新型无铅材料是当今压电学研究的热点。由于压电单晶具有高取向性、结构简单的特点,便于进行物理机理的研究。在无铅压电研究中,铌酸钾钠((K,Na)Nb03,简称KNN)基单晶的研究少之又少,且集中于相变或正交相的研究,四方相晶体的研究更少。因此,本论文对四方相KNN基单晶的生长、电学性能及电畴结构进行系统的研究。对KNN基单晶的生长及结构进行研究。通过对不同生长方法的比较,选取顶部籽晶提拉法生长四方相KNN基单晶,此方法可以时刻观察生长过程中晶体的变化,是探索性生长晶体的最佳选择。通过不断优化实验参数,生长出大尺寸、高质量的四方相Li、Ta以及Li、Ta、Sb掺杂的KNN基单晶,为了解决晶体容易开裂的问题,通过设定合适的退火程序,得到不开裂的晶体。通过X射线衍射能谱以及EDS能谱测试,证明所生长的晶体为纯钙钛矿结构,且组分均匀,无分凝现象发生。对KNN基单晶的电学性能进行系统的研究。通过对铁电性能进行研究,表明由于生长过程中KNLNT单晶有大量的氧空位缺陷产生,造成了晶体的质量下降,高电场下漏电现象明显,Sb元素的掺杂有效的降低了漏电流,使得晶体可以显示较为饱和的电滞回线,了解了晶体的漏电流机制;通过对晶体的压电性能研究,表明在非自发极化方向[011]c极化后,晶体的压电性能远大于白发极化方向,同工程畴结构可以有效提高压电性能的物理原理相吻合;运用瑞利分析模型,对晶体的介电非本征效应进行研究,结果表明KNLNTS单晶介电性能的提高主要是由于非本征效应的增大引起的,是晶体电学性能提高的有效手段之一;通过对晶体压电性能随温度的变化规律进行研究,结果表明由于晶体的晶格常数比(c/a)随着温度的升高而减小,自发极化减小,是导致温度稳定性降低的根本所在。对单晶的电畴结构进行研究。通过采用偏光显微镜和压电力显微镜对KNLNTS单晶的电畴结构随极化电场和温度的变化进行了原位观察。首先,研究电畴结构对极化电场的响应,在自发极化[001]c方向,高极化电场无法将四方相结构单晶极化为单畴结构,其物理原因在于KNLNTS晶体具有较大的弹性劲度系数,内应力较大,使得KNLNTS单晶很难极化为单畴结构;通过对宏观介电性能计算可知,极化后约25.2%体积分数的电畴未翻转到极化方向,对自发极化翻转进行了量化分析;在非自发极化[011]C方向,在电场作用下,自发极化向电场方向翻转,形成“2T”工程畴。随着电场强度的增加,可以看到,电畴的尺寸也随之增大,当施加电场撤去时,可以看到电畴结构稳定。电畴结构随电场强度的变化,直接影响晶体的宏观性能,同电畴的变化规律相同,所以,晶体电畴结构特征是电学性能差异的决定因素之一,也是改善晶体性能的关键因素。