PIMNT单晶生长用多晶料的固相合成【文献综述】.doc

宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格 PAGE 1 文献综述 应用化学 PIMNT单晶生长用多晶料的固相合成 一、研究背景 压电材料是一类基于压电效应的重要功能材料，主要有压电晶体与压电陶瓷两大类。压电陶瓷以其工艺成熟、性能参数可调、价格低廉等诸多优势，广泛应用于压电变压器、压电原件、压电滤波器等领域。经过几十年的发展，以锆钛酸铅（PZT）陶瓷为主体的压电陶瓷已在压电材料领域占据了主导地位。通过掺杂和传统工艺制备的PZT基陶瓷，其发展以接近极限，很难再提高其性能。 九十年代后期以来，日、美科学家首先发现弛豫铁电单晶铌锌酸铅-钛酸铅（PZNT）和铌镁酸铅-钛酸铅（PMNT），准同型相界成分的PZNT、PMNT具有非常高的压电常数，跟传统的压电材料PZT铁电陶瓷相比，其压电常数d33、机电耦合系数K33从600 pC/N和70%左右分别提高到2000pC/N和90%，且其应变量高达1%以上，比通常应变为0.1%左右的压电材料高1个数量级。 驰豫铁电体是指具有弥散性-顺电相变的一类特殊铁电体，主要有钙钛矿和钨青铜矿2大类。钙钛矿结构可用化学式A(B′B″)O3表示，其中A原子通常是Pb，B原子有2种占位，B′为Mg，Zn，Fe，Sc，Ni，In等，而B″为Nb，Tb或W。1961年苏联科学家在Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN) 单晶中首次观察到了驰豫行为。1969年Nomura等人报道了在驰豫铁电体Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 (PZN)与普通铁电体PbTiO3（PT）形成的赝二元固溶体中存在准同型相界（morphotropic phase boundary, MPB）。在准同型相界附近，驰豫铁电体具有较大的压电系数和较高的机电耦合系数。例如，PZN是典型的驰豫铁电体，其弥散相变温度在140oC，PT是普通铁电体，其居里温度为490 oC；这2种铁电体成分在一定范围内可以形成完全互溶的固溶体，可用(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-x PbTiO3表示，其准同型相界成分在x = 0.09附近，相应的机电耦合系数可高达94%，也就是说此材料制作的换能器，理论上其机械能转换为电能的效率可高达94%。由于此类弛豫铁电单晶材料的优异性能，使其在医学超声成像、声纳技术、工业无损探伤等声电转换技术领域具有广阔应用前景。 二、国内外研究现状 20世纪90年代中期以来，新型驰豫铁电单晶材料以其优异的压电性能引起了人们的极大关注，研究表明，以铌镁酸铅-钛酸铅[Pb（Mg1/2Nb2/3）-PbTiO3]，简称[PMNT]和铌锌酸铅-钛酸铅[Pb（Zn1/2Nb2/3）-PbTiO3]，简称[PZNT]为代表的新型驰豫铁电单晶具有复合钙钛矿结构，其压电系数d33，机电耦合系数k33分别高达2000 pC/N和90%，其应变量达到1.7%。这些性能指标远远高于目前医用B超器件普遍使用的PZT陶瓷材料。1997年3月，《Science》杂志介绍了美国宾州大学生长了新型压电单晶材料PZNT，2000年月，《Nature》杂志也报道了该类晶体的研究进展。鉴于新型驰豫铁电单晶十分诱人的应用前景，目前全球有几十个研究小组从事这些新型驰豫铁电单晶的生长、器件以及相关基础研究，新型驰豫铁电单晶已经成为国际铁电学及压电器件领域的一个研究热点。 为了尽快推进驰豫铁电单晶为基础的超声成像仪器的商业化应用，目前国内外相关研究机构正在致力于相关铁电材料及其器件的研究开发。综合国内外研究现状来看，制约相关技术走向商业化应用的瓶颈在于能否批量提供高品质大尺寸驰豫铁电单晶材料，即亟待突破该类铁电单晶材料的制备技术，同时寻求改进驰豫铁电单晶材料的性能。在驰豫铁电单晶材料的制备技术方面，目前中科院上海硅酸盐研究所和美国宾州大学在该领域中的研究处于国际前沿的领先地位，已生长出大尺寸的PZNT和PMNT晶体，但此类高含铅铁电晶体生长存在坩埚侵蚀、熔点较高、晶体均匀性等固有技术难题，尚难以实现此类晶体的稳定批量生长。从性能角度看，PZNT和PMNT晶体的居里温度分别为150oC、160oC，属于居里温度偏低，在某些实际使用环境下其温度稳定性不够，导致器件会逐渐老化，通常其使用温度不宜超过85oC。近年来材料学家还试图寻找居里温度更高的驰豫铁电单晶，稍后发现了铌铟酸铅-钛酸铅（PINT），其居里温度高达240oC，然而，PINT晶体须从添加大量助熔剂PbO的体系中进行生长，熔体对任何材料的坩埚的侵蚀作用都极其严重，且晶体生长的排杂过程也相当困难，造成所生长晶体尺寸小，且晶体均匀性很差。 近年来宁波大学开展了驰豫铁电单晶生长与性能的研究。鉴于PZNT和PMNT晶体的居里温度偏低，而 PINT晶体生长又极其困难的现状，我们尝试将PMNT晶体与PINT晶体加以混合，以生长准