高压电常数弛豫铁电晶体的生长开题报告.docx

开题报告题目：铁电晶体的生长1毕业设计（论文）综述1・1题目背景及研究意义弛豫铁电单晶因其具有优异的压电和热释电性能而成为下一代高性能压电换能 器和红外热释电探测器用的多功能材料弛豫型铁电晶体生长已形成当前铁电材料领 域的国际前沿和研究热点，面临几十年不遇的重大机遇，这将为压电和电致伸缩应变 的器件与系统的高精技术实用化和产业化带来重大突破和注入新的活力［1］以其研究 铌镁酸铅-钛酸铅［Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3，简记为PMN-PT］弛豫型铁电单晶为热 点，高压电系数，高介电常数，高应变，高储能密度等一系列极其优异的性能立即引 起电子功能材料领域的科学家和大公司的广泛兴趣和极大反响这些性能指标较之现 在业已广泛应用的钛酸钡（BT ）和锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷高出几十倍，甚至 上百倍，这些优异的性能使其可以替代PZT陶瓷在医用超声探头、水下声纳、压电驱 动器等得到广泛应用因此，被认为是铁电材料自压电陶瓷问世五十多年以来一次激 动人心的重大突破，将在医学成像、通信和超声器件等众多应用方面将带来一次革命［2］随着大尺寸高质量晶体的成功生长，作为很有潜力的压电材料，将会越来越受到 重视［3］。

美国和日本投入了许多人力和物力进行弛豫型单晶铁电体材料制备研究和应 用开发的工作，纷纷看好铁电单晶材料的巨大压电换能器应用市场，由于弛豫型单晶 铁电体材料具有优异电声转换的压电性能，它可以使现有的超声成像系统分辨率大大 提咼［4,5］我们要进一步的生长大尺寸PMN-PT铁电材料，建立一定规模的弛豫铁电单 晶的生产能力，以满足机电换能器对高性能的压电材料的迫切需求所以研究高压电 常数弛豫铁电晶体生长有重要的意义［6,7］1.2国外研究现状1921年.法国人瓦拉塞克发现了罗息盐的特异介电性能，导致了“铁电性”概念的 出现，拉开了人类研究铁电体的序幕上世纪40年代末•苏联科学家在钛酸铅中发现了 铁电性，随后发现了一系列铅基钙钛矿型复合铁电体I960年，采用高温溶液法或溶 剂法首先生长出了PMN单晶，并观察了单晶的弛豫铁电行为1990年，美国宾州州立 大学的shrout等人生长出最大尺寸为15mm的PMN-PT单晶，并测得其d33达到 1500PC/N从1994年开始，日本Toshiba公司的Yamashite和Saitoh等人向美国连续申请 了几项专利，把弛豫铁电单晶应用于超声探头自此，弛豫铁电单晶PMN-PT的生长 与性能研究掀起了新的热潮，并在直接与商业应用相关的意义上展开了国际范围内的 激烈竞争。

近几年来，美国军方也非常重视有关新型压电单晶的研究，1997年5月， 美国海军研究办公室（OMR）举行了压电单晶发展计划研讨会1998年7月，美国国 防尖端研究项目署（DARPA）举行了压电研究队伍组织的研讨会，他们希望尽快用新 型压电单晶代替目前常用的压电陶瓷，发展新一代的声系统中的水声换能器，以其在 海军的声纳系统中得到首先的应用［8,9］1.3我国研究现状1996年，中国科学院上海硅酸盐研究所利用多年来在铁电陶瓷制备和晶体生长技 术方面的研究积累，在国际上率先用Bridgman方法直接从熔体中生长出了大尺寸、 高质量的PMNT单晶山东大学晶体所也利用改进的Bridgman法生长出了①30mm X50mm的较高质量的单晶［⑹目前国内仅有少数研究机构和大学开展了弛豫铁电单 晶生长的研究中科院上海硅酸盐研究所采用加籽晶的坩埚下降法生长出 xPMN-（1-x） PT单晶体（x=75〜65）中科院安徽光机所采用高温熔液法长出了 PZN-PT单 晶体西安工业学院和西安交通大学合作，采用Bridgman法与ACRT （坩埚加速旋转 技术）［11］相结合的方法生长出68PMN-32PT单晶体从我国研究的PMN-PT单晶的压 电性能要明显比弛豫电体陶瓷的要好，这种单晶将使原来利用压电陶瓷无法实现的一 些设想成为现实，用它代替压电陶瓷将大幅度提高器件及系统性能指标，获得前所未 有的优异性能，应该更近一步的推广这种单晶材料的应用［12］。

1.4 PMN-PT的结构性质及特点PMN为弛豫型铁电体，而PT是四方晶系的通常铁电PMN-PT［ （1-x） Pb （Mg1/3Nb2 /3）O3-xPbTiO3］单晶是复合钙钛矿结构的固溶体，高温相为顺电相结构（Pm 3m）， 温度降低的时候，随着PT含量的不同呈现三方相（R 3m）或四方铁电相（P 4mm）问 对生长的PMN-PT晶体的电滞回线进行了测量，发现材料的高温介电峰有一定的宽度 介电常数有一定的色散关系随着PT含量的增加，矫顽电场、剩余极化、高温介电峰 峰温几逐渐提高［⑷PMN-PT的压电性质，在MPB附近有优异的压电性能，根据测量， PMN-PT在（65 35）附近存在准同型相界，在67/33附近出现d33和kt的极大值PMN-PT 的性能与方向有很大的关系，不同方向的压电系数不同⑶PMN-PT晶体为三方结构， 具有铁电性能，其自发极化方向为［111］由于弛豫铁电体PMN-PT单晶，在［001］方向 施加比较低的电场时晶体的极化方向会从［111 ］向［001］方向旋转，使得弛豫铁电单晶 PMN-PT在［001］方向上有比较高的压电活性［15］1.5 PMN-PT的应用由于PMN-PT在相边界附近压电常数和机电耦合系数远大于目前常用的压电材 料,引起国内外研究者对其在医学成像设备、超声换能器、水声、压电驱动器等领域应用的极大兴趣，开展了大量研究工作，并取得了一些进展。

上海硅酸盐研究所使用计 算机模拟了 67/33组分比PMN-PT在超声换能器上的应用,发现介电和机械损耗越小， 换能器损耗也越小，介电损耗比机械损耗对换能器损耗的减小更有利［17］PMN-PT与 传统的PZT陶瓷相比性能有很大提高，很适合于制作医用超声换能器目前，国外许 多公司、企业已经利用PMN-PT制造出高性能的超声器件PMN-PT有望提高水声换 能器的效率、分辨率、灵敏度，增加声纳作用距离、降低检测阈值，展宽换能器及基 阵的工作频带，提高功率容量［16］PMN-PT此材料军用飞机智能结构中的各种压电传 感器和驱动器，提高飞机智能表层中的电子对抗功能和噪声控制及机翼振颤抑制，具 有强大的军事效益［17，18］2本课题研究的主要内容和拟釆用的研究方案、研究方法或措施2.1本课题研究的主要内容1)2)3)4)研究PMN-PT熔体凝固过程 分析晶体的相结构测试晶体的电学性能讨论晶体的生长机理2.2拟釆用的研究方案、研究方法或措施2.2.1研究方案图2.1研究技术路线2.2.2研究方法或措施(1) 确定组分配比本文采取PMN-PT的MPB组分配比为68:322) 预合成根据分子式进行原料的计算和称量后装入球磨罐中加入酒精(与原料的质量比为 1:1),放到球磨机中进行湿磨混料，24h后取出烘干放入电炉中合成。

合成 MN： (MgCO3)4・Mg(OH)2・6H2O + 5Nb2O5 = 5MgNb2O6 + 7H2O + 4CO2f工艺：以100°C/h从300°C升温至1100°C保温6h后随炉冷却至室温原料制备：y/3MgNb2O6 + (y+z) PbO + zTiO2 f yPMN-zPT由两元相图得出组分配比y：z后进行原料的计算、配料、球磨、烘干等步骤3) 热分析本文采用同步差热分析仪梅特勒•托利多TGA/DSC分析不同组分原料的熔点以及 凝固点将少量制备好PMN-PT原料粉末和参比物(热惰性物质)分别装入小铂金坩 埚内加盖密封后置于同一条件的炉体中，按给定程序等速升温或降温，当加热试样在 不同温度下产生物理、化学性质的变化(如相变，结晶构造转变，结晶作用，沸腾， 升华，气化，熔融，脱水，分解，氧化，还原及其他反应)时，伴随吸热或放热，试 样自身的温度低于或高于参比物质的温度，即两者之间产生温差温差的大小(反应 前和反应后二者的温差为零)和极性由热电偶检测，并转换为电能，经放大器放大输 入记录仪，记录下的曲线即为差热曲线程序设定为：以10°C/min从500C升温至 1350C保温5min后降至500°C。

4) 高温溶液法生长晶体高温溶液法又称熔盐法或助溶剂法，是指在高温下从熔融盐溶剂中生长单晶的方 法通过降低温度来增加过饱和度，使晶体在过饱和溶液中进行生长本文采用高温 溶液法生长PMN-PT晶体，选用PbO做助溶剂，由于PbO也做原料使用，并且在高 温下会挥发，所以在配料的过程中要加过量，PbO的摩尔质量均过量60%5) 提取晶体用高温溶液法生长晶体完成后，将铂金坩埚从电炉内取出后，先将坩埚外壁浸泡 在煮沸的硝酸溶液中，使外壁含有的晶体以及杂质等成分脱落，将外壁的混合物收集 好后再将整个坩埚置于煮沸的稀硝酸中，煮沸的目的是除掉多余的PbO,使晶体从坩 埚中分离出来把坩埚里面的所有物质煮出后，放入装有去离子水的烧杯中在超声波 清洗仪内多次洗涤混合物，除去各种盐溶液及生长晶体的残留物和生长余料，在烘箱 中干燥剩余混合物，所得大小不一的颗粒就是实验所要生长的晶体6) 结构分析1)形貌表征，本文采用体视显微镜观察不同方法生长出的晶体宏观形貌，不同组 分、不同颜色的晶粒放在坐标纸上分别进行观察，并测量大小，晶粒尺寸测量值实际 是晶粒中的亚晶粒尺寸，因为一个晶粒当中包含很多个亚晶粒本文采用FEI Quanta 400 FEG型环境扫描电镜对各组分晶体进行显微形貌的观察 以及所含元素进行分析。

将试样直接放入样品室内，从低倍到高倍放大观察，并对图 像所显示的特殊区域做EDS分析，进而得出特殊区域的成分组成2）相结构分析，本文采用日本生产的岛津XRD-6000型X射线衍射仪对不同方 法生长后得到的晶体颗粒所研成的粉末进行相结构分析晶体理想的衍射谱线在没有 消光现象的前提下，是布拉格方向上对应2 0处所产生的没有宽度的衍射线条但由 于实际晶体中存在缺陷等因素，破坏了晶体的完整性，导致衍射谱线的峰形变宽，峰 值强度也会有所降低，但不影响晶体材料的结构、成分的分析7）生长机理利用前期获得数据和结果结合晶体的生长，讨论生长机理3本课题前期已开展工作前期的工作主要是了解课题并进行文献查阅，制定实验方案，撰写开题报告4完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）第1-2周 做前期准备，查阅相关资料，完成开题报告第3周 开题答辩第4-7周 完善设计方案，准备材料，进行实验第8周 完成中期报告，中期答辩第9-10周 对晶体的结构进行分析，进行各种性能的测试第11-12周对实验结果进行分析第13-14周整理实验结果并写出完整的毕业论文第15周 毕业答辩指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日所在系审查意见系主管领导： 年 月 日参考文献[1] 赵祥永.弛豫型铁电单晶PMN-PT的介电.压电和热释电性能研究[D].中国科学院上海硅 酸盐研究所博士学位论文,2004.[2] 许桂生.新型压电单晶PMNT的生长与铁电性能研究[D].中国科学院上海硅酸盐研究所 博士学位论文,1999.[3] 戴振国,董胜明,尹振华.PMN-PT晶体的生长、性质和应用进展[J].人工晶体学 报,2005,12(6),10-11.[4] 李飞,张树君,李振荣，等.弛豫铁电单晶的研究进展一压电效应的起源研究[J].物理学进 展,2012,32(4):178-198.[5] 曹虎,方必军.四方 PMN-PT 铁电单晶的弹性、介电、压电和机电性能 [J] .无机材料学 报,2003,18(2):465-4。