弛豫性铁电压电单晶体

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铁电晶体的结构与性质

铁电晶体的结构与性质

铁电晶体的的结构及性质饶燕生摘要:铁电材料具有介电性、压电性、热释电性、铁电性以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要特性,可用于制作铁电存储器、热释电红外探测器、空间光调制器、光波导、介质移相器、压控滤波器等重要的新型元器件。

这些元器件在航空航天、通信、家电、国防等领域具有广泛的应用前景[]。

本文第一章介绍了晶体的介电性质,包括压电效应及逆压电效应、热释电效应和铁电效应以及相应的基本特点。

然后简要介绍了铁电晶体的发展情况。

第二章主要是关于铁电晶体的基本概念及性质:首先是自发极化的现象及产生,以及铁电体中电畴的概念,简要解释了产生铁电效应的基本前提及要求;然后介绍了铁电体的最基本特性—电滞回线,包括电滞回线的基本含义及相关参数和电滞回线的测量;接着是铁电相的转变温度即居里点;最后简要介绍了关于铁电晶体的分类。

第三章主要是关于铁电晶体的相变即居里点附近非平衡电子对相变的影响。

首先从热力学出发写出了铁电半导体的自由能一般表达式;然后从自由能上分别分析了铁电晶体的二级相变和一级相变以及相变过程中相应参数的变化,最后简要考虑了非平衡电子对相变的影响,包括对居里点、自发极化、介电和压电性质以及潜热和热容量的突变的影响。

目录摘要:......................................................................... 错误!未指定书签。

第一章绪论 ............................................................. 错误!未指定书签。

引言..................................................................... 错误!未指定书签。

晶体的介电性质 ................................................ 错误!未指定书签。

功能陶瓷材料的制备与研究进展

功能陶瓷材料的制备与研究进展

功能陶瓷材料的制备与研究进展摘要:该文重点介绍了三种功能陶瓷的发展和制备情况,并针对我国功能陶瓷的研究存在的问题提出应对方法,以期为我国未来功能陶瓷的研究提供参考。

关键词:功能陶瓷制备研究功能陶瓷自20世纪30年代发展以来,经历了电介质陶瓷到高温超导陶瓷的发展历程,目前功能陶瓷在计算机技术、微电子技术、光电子技术等领域应用广泛,成为推动我国科技发展的重要功能性材料。

1 功能陶瓷情况介绍1.1 微波介质陶瓷微波介质陶瓷主要应用于现代通讯设备中,尤其在介质天线、滤波器、谐振器等设备中发挥着至关重要的作用。

在现代通讯技术影响下,我国十分重视微波介质陶瓷的研究和发展。

微波介质陶瓷研究对其基本要求如下。

为了实现微波元器件小型化发展要求,在使用的微波波段中微波介质陶瓷介电常数ε应尽可能的大;为了保证较好的通讯质量和良好的滤波性质,微波介质陶瓷的品质因数Q应尽可能的小;应保证谐振频率的温度系数可调节或者最大限度的小。

除此之外,还应充分分析微波介质陶瓷的绝缘电阻、传热系数等参数。

目前对微波介质陶瓷的研究、开发主要集中在以下方面。

首先,高品质因数和低介电常数的微波介质陶瓷,这类材料主要以BaO-ZnO-Nb2O5、BaO-ZnO-Ta2O5、BaO-MgO-Ta2O5或者它们之间的复合材料为代表。

当满足f≥10?GHz,Q=(1-3)×104,ε=25-30,谐振温度系数几乎为零时,可广泛应用于毫米、厘米波段的卫星直播通信系统中。

其次,中等的Q和ε微波介质陶瓷,其组成材料主要有Ba2TiO20、(Zr,Sn)TiO4以及BaTi4O9等。

当满足f≤3-4?GHz,Q=(6-9)×104,ε≈40,谐振温度系数小于等于5×10-6/℃,可作为微波军用雷达通信系统的重要器件。

最后,低Q和高ε微波介质陶瓷,以BaO、TiO2、Ln2O3为主要组成材料,该类陶瓷在目前微波介质陶瓷研究中受到人们的广泛关注。

大尺寸PMT-PT单晶生长、结构与电学性能

大尺寸PMT-PT单晶生长、结构与电学性能

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2021.04.002http://xb.xatu.edu.cn大尺寸PMT PT单晶生长、结构与电学性能朱乾隆,惠增哲,李晓娟,陈怡菲,龙 伟(西安工业大学材料与化工学院/陕西光电功能材料与器件重点实验室,西安710021)摘 要: 为了探究大尺寸PMT?PT单晶生长、结构与电学性能,本文采用高温溶液法成功生长了大尺寸(7mm×7mm×5mm)钙钛矿型弛豫铁电单晶(1?狓)(Pb(Mg1/3Ta2/3)O3?狓Pb TiO3(PMT狓PT),研究了晶体的成分、结构、介电、压电以及铁电性能。

研究结果表明,所生长晶体的为三方相,组分为PMT?30PT。

室温下晶体居里温度(犜c)约为53℃,压电常数约为犱33=230pC/N。

该晶体在较低的温度下表现出优异的电学性能:介电常数εr=3600,剩余极化强度犘r为25μC·cm-2,矫顽场犈c约为9.8kV·cm-1,拓展了铁电材料在低温环境的应用。

关键词: PMT?PT弛豫铁电晶体;晶体生长;钙钛矿;电学性能中图号: TM221;O782 文献标志码: A文章编号: 1673 9965(2021)04 0397 05犌狉狅狑狋犺,犛狋狉狌犮狋狌狉犲犪狀犱犈犾犲犮狋狉犻犮犪犾犘狉狅狆犲狉狋犻犲狊狅犳犔犪狉犵犲犛犻狕犲犱犘犕犜犘犜犛犻狀犵犾犲犆狉狔狊狋犪犾狊犣犎犝犙犻犪狀犾狅狀犵,犡犐犣犲狀犵狕犺犲,犔犐犡犻犪狅犼狌犪狀,犆犎犈犖犢犻犳犲犻,犔犗犖犌犠犲犻(ShaanxiKeyLaboratoryofPhotoelectricFunctionalMaterialsandDevices,SchoolofMaterialsandChemicalEngineering,Xi’anTechnologicalUniversity,Xi’an710021,China)犃犫狊狋狉犪犮狋: Thestudyaimstoexplorethegrowth,structureandelectricalpropertiesoflarge?sizedPMT?PTsinglecrystals.Therelaxorferroelectricsinglecrystaloflarge?sized(1?狓)(Pb(Mg1/3Ta2/3)O3?狓PbTiO3(PMT狓PT)(7mm×7mm×5mm)withperovskitestructurewasgrownbythefluxmethod.Itscomposite,phasestructure,dielectric,piezoelectricandferroelectricpropertieswereinvestigated.Theresultsshowthatthecompositionoftheas?growncrystalsisPMT?30PTwithrhombohedralstructure.TheCurietemperature(犜c)ofthecrystalisabout53℃,anditspiezoelectricconstant(犱33)isabout230pC/Natroomtemperature.Thecrystalexhibitsexcellentelectricalpropertiesatlowtemperature:thedielectricconstantεr=3600,theremnantpolarizationintensity犘r=25μC·cm-2,andthecoercivefield犈c=9.8kV·cm-1.Theapplicationofferroelectricmaterialsinlow?temperatureenvironmentisexpanded.犓犲狔狑狅狉犱狊: PMT?PTrelaxorferroelectriccrystals;crystalgrowth;perovskite;electricalproperties第41卷第4期2021年8月 西 安 工 业 大 学 学 报JournalofXi’anTechnologicalUniversity Vol.41No.4Aug.2021 收稿日期:2021 05 03基金资助:国家自然科学基金(51472197);陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(20JS058)。

博士论文参考版式2

博士论文参考版式2

博士论文开题报告论文题目:新型铅基弛豫铁电单晶生长的新技术与性能研究1 新型铅基弛豫铁电单晶生长技术国内外研究现状新型铅基弛豫铁电单晶具有复合钙钛矿结构,其组成为xPb(A ,B)O3-(1-x)PbTiO 3 (其中A=Mg+,Zn2+, Sc3+, Yb3+, In 3+, Fe3+; B=Nb+ 5, Ta+ 5),是由弛豫铁电相PAB和正常铁电相PT 所形成的固溶体单晶。

三方相与四方相之间形成一个准同型相界(MPB。

由于在准同型相界附近的固溶体单晶具有高的压电系数(d 33>2500pC/N)和机电耦合系数(k33>92%),以及大的应变量(〜2%),使得新型铅基弛豫铁电单晶在诸如医用超声成像诊断、声纳、工业无损探伤与固体微驱动器等机电转换领域获得广泛重大的应用。

因此, 出于军事和民用的需要,各国在最近十几年中花大量的人力和物力对组成在准同型相界(MPB)附近的新型铅基弛豫铁电单晶进行了广泛的研究,其中对于该种单晶的生长技术也进行了研究。

新型铅基弛豫铁电单晶的生长主要采用高温溶液法和熔体生长法,其中熔体生长法主要是Bridgman 法及其改进方法。

1 .1 高温溶液法又称助熔剂法,是生长晶体的一种重要方法。

它的适用性很强,只要能找到适当的助熔剂或其组合,就能长出该种晶体;而且对于哪些难熔化合物和在熔点极易挥发或由于高温时变价或有相变的材料,以及非同成分熔融化合物,它们不可能直接从熔体中生长或生长出完整的优质单晶,但采用助熔剂法却能长出热应力小、均匀完整的优质单晶。

其缺点是晶体生长是在不纯体系中进行的,而这种不纯主要为助熔剂本身,因此容易出现溶剂包裹体,为此生长速度很慢;助熔剂的引入同时也引入了杂质。

助熔剂法生长晶体时需解决的主要问题是:如何使溶液产生过饱和度,即生长驱动力的问题;如何控制成核数目和位置,即生长中心问题;如何提高溶质的扩散速度,从而提高生长速度;如何提高溶解度,提高晶体产量和尺寸;如何减少或避免枝蔓生长和包裹体等缺陷;如何控制生长晶体的成分和掺质的均匀性。

浅谈弛豫铁电体的研究状况及进展

浅谈弛豫铁电体的研究状况及进展

电滞回线
介电常数和介电损耗
热分析
弛豫铁电体的性能表征
弛豫铁电体在电子器件领域具有广泛的应用,如铁电存储器、铁电显示器、铁电传感器等。这些器件具有高速、低功耗、高可靠性等优点。
电子器件
弛豫铁电体在光学器件领域也有广泛的应用,如光阀、光调制器、光开关等。这些器件具有高速、低功耗、高分辨率等优点。
光学器件
理论模型的匮乏
虽然弛豫铁电体在某些领域已经展现出一定的应用潜力,但在其他领域的应用尚不成熟,需要进一步探索。
应用的广泛性
强化基础研究
未来需要加强对弛豫铁电体基础理论的研究,包括材料的能带结构、电子态、晶体结构与性质之间的关系等,以便更好地理解材料的性能。
弛豫铁电体研究的未来发展方向
发展新型材料
通过探索新的材料体系和合成方法,发现具有优异性能的弛豫铁电体材料,是未来的重要研究方向。
钙钛矿型弛豫铁电体是最常见的一类,其晶体结构与钙钛矿型结构相似,具有较高的自发极化和介电常数。
弛豫铁电体的分类及结构
弛豫铁电体在电子器件、光学器件、微波器件、声学器件等领域都有广泛的应用。
在电子器件方面,弛豫铁电体可以用于制造铁电存储器、铁电显示器、铁电传感器等。
在光学器件方面,弛豫铁电体可以用于制造光阀、光调制器、光开关等。
弛豫铁电体在能量转换与存储领域也有重要的应用,如压电陶瓷、热释电材料等。这些材料具有高效、低成本、长寿命等优点。
能量转换与存储
弛豫铁电体的应用研究现状
弛豫铁电体的研究进展
03
新型弛豫铁电体的研发
通过材料设计和制备工艺的改进,可以优化弛豫铁电体的物理性能,提高其居里温度、介电常数和机电耦合系数等关键指标。
弛豫铁电体的制备技术

(完整PPT)第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)

(完整PPT)第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)
结晶化学分类法: 软铁电体 硬铁电体
含氢键的晶体(KDP、RS)和双氧化物晶体(BT、PT、LN) 按极化轴数目分类:
单轴铁电体(RS、KDP、LN)和多轴铁电体(BT) 按原型相有无对称中心分类:
压电性铁电体(KDP、RS)和非压电性铁电体(BT) 按铁电相变时原子运动特点分类:
有序-无序型相变的(RS)和位移型相变的(BT、PT、LN) 按居里-外斯常数C的大小分类:
二、BaTiO3自发极化的微观机理 1. BaTiO3的晶体结构
有氧八面体 骨 架 的 ABO3 晶格
BaTiO3的晶体结构
钙钛矿结构
2. BaTiO3的相变
顺电态
Tc 居里温度
铁电态
120°C
5°C
-80°C
立方晶系 四方晶系 斜方晶系
菱形结构
无自发极化 自发极化沿c轴 自发极化沿 自发极化沿
Ps-饱和极化强度 Pr-剩余极化强度(remanent
polarization) Ec-矫顽场强(corcive field)
~2KV/cm -~120KV/cm
按照Ec大小可将铁电体分为: 软铁电体-小Ec 硬铁电体-大Ec
电滞回线是铁电体的重要物理特征之一,也是判别铁电性的 一个重要判据。
3. 铁电体的分类
如: 在钙钛矿结构中,自发极 化起因于[BO6]中中心离子的 位移
[BO6]氧八面体
2. 铁电体的概念
铁电体是在一定温度范围内具有自发极化(必要条件) ,并且极化方向可随外加电场做可逆转动的晶体。
铁电体一定是极性晶体,但自发极化转动的晶体仅发生在某些特殊结 构晶体当中,在自发极化转向时,结构不发生大的畸变。

加电场E 成正比。

第六章铁电性能和压电性能_材料物理.

第六章铁电性能和压电性能_材料物理.

(a)
(b)
(c)
0.1m
0.1m
1.0m
多晶LiTaO3晶粒内箭尾型90电畴结构与曲流状180电畴结构
(a)
(b)
0.1m
0.2m
多晶LiTaO3晶粒内薄片状和箭尾型90电畴结构
(a)
(b)
0.4m
0.2m
多晶LiTaO3晶粒内90尖劈状畴与180曲流状畴
(a)
(b)
离子位移理论
正方结构BaTiO3中, Ti4+ 、O2-离子的位移情况 两 个 O2- 离 子 间 的 空 隙 大于 Ti4+ 离子的直径, 其在氧八面体内有位移 的余地,温度较高时 (大于120°C),离子 热振动能较大,因此 Ti4+ 离 子 接 近 周 围 6 个 O2- 离 子 的 几 率 相 等 , 晶胞内不会产生电矩, 自发极化为0。 温度降低(小于 120°C), Ti4+离子 热振动能降低,热振 动能特别低的 Ti4+ 不 足以克服 Ti4+ 和 O2- 离 子间的电场作用,就 有 可 能 向 某 一 个 O2离子靠近,发生自发 位 移 , 使 这 个 O2- 离 子发生强烈的电子位 移极化。 晶体沿着这个 方向延长,晶 胞发生畸变, 晶体从立方结 构转变为四方 结构,晶胞中 出现了电矩, 即发生了自发 极化。
-----铁电体的最重要判据 -----铁电体具有许多独特性质的主要原因
热释电体 (Pyroelectrics):具有自发极化的晶体--极性晶体 铁电体是热释电体的一个亚族
铁电态下,晶体的极化与电场的关系:电滞回线,铁电态 的一个标志。
Ps-饱和极化强度
Pr-剩余极化强度(remanent polarization)

弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅的工程畴结构研究

弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅的工程畴结构研究
驱 动器 等 电机 器 件 的 设 计 与 制 作 , 有 重要 的理 论 意 义 与实 际应 用 价 值 。 具
关键词 : 电学; 晶体 ; 铁 单 畴结构 ; 化; 电性能 极 机
作者简介 : 张锐 (9 3 ) 男 , 龙 江 哈 尔 滨 人 , 尔 滨 工 业 大 学 理 学 院 物 理 系教 授 , 士 生 导 师 , 事 弛 豫 型铁 电 17 一 , 黑 哈 博 从 P N— T和 P N P M P Z — T单 晶测 试 理 论 与技 术 方 法 研 究 。 中图 分 类 号 :M 2 .5 文 献标 识 码 : 文 章 编 号 :0 5 0 6 (0 1 0 — 04 0 收 稿 日期 :0 0 1— 5 T 2 10 1 A 29 — 0 3 2 1 )3 0 8 - 4 2 1 - 0 1
近 年 来 , 弛 豫 铁 电 单 晶 铌 镁 酸 铅 一 酸 铅 ( 1 x) b Mg N 2 ) , x b i ( MN— ), 中 X指 对 钛 ( 一 P ( b/ O 一 P T O, P , x 其 晶 体 中 P TO b i 的 含 量 ) 基 础 理 论 与 应 用 研 究 , 引 了 诸 多 科 学 工 作 者 的 密 切 关 注 的 吸 。 这 主 要 是 因 为
该 类 单 晶 的机 电 性 能 十 分 优 异 , 如 , 晶 体 本 征 [ 0 ] 向 极 化 的 P 例 沿 0 1方 MN一 3 T单 晶 , 压 电 系 数 d 3可 3P 其 3
Байду номын сангаас
达 2 2 p / 超 过 传 统 P T 陶 瓷 四倍 有 余 ; 电耦 合 系 数 k 3能 达 到 0 9 也 远 远 优 于 传 统 铁 电 晶 体 或 8 0 C N, Z 机 3 . 4,
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弛豫性铁电压电单晶体
压电网万学华整理waxeh@
近年来,在新型压电晶体的研究中,弛豫性铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅[(1-x)
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-x PbTiO3,简记为(PMNT)]和铌锌酸铅钛酸铅[(1-x)PB(Zn1/3Nb2/3)O3-x PbTiO3,简记为PZNT]以其优良的压电性能而令世人注目,1997年Park和Shrout报道,利用熔盐法成功制备了高质量的PZNT单晶,并报道了各种切型的PZNT单晶晶片介电,压电和铁电性能。

如组分为0.92PZN-0.08PT的晶体,沿(001)方向的压电常数d33高达2500pC/N,为PZT材料的3~6倍;压电耦合系数K33为0.94,是现有压电材料中最高的。

世界著名杂志Science评论说,这类材料将是新一代高效能超声换能器和高性能微位移器和微驱动器的理想材料,可以预期,在21世纪初叶,对弛豫性铁电单晶的理论和应用研究将会取得更大的进展。

1.弛豫铁电体
含铅弛豫钙钛矿型铁电体是ABO3型钙钛矿型化合物的一个重要分支,其化学通式为
Pb(B1,B2)O3,其中B1为低电价,大半径阳离子,如Zn2+,Ni2+,Mg2+,Fe3+,Sc3+等,B2为高电价,小半径阳离子,如Ta5+,Nb5+,W6+等,通过B位不同离子的复合,可得到一系列具有重要应用的复合钙钛矿型结构固溶体。

前苏联学者Smolensky等人于20世纪50年代末首次合成的复合钙钛矿结构铌镁酸铅[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PZN),Pb(Sc1/2Nb1/2)O3(PSN),Pb(Ni1/3Nb2/3)O3(PMN)等系列的固溶体,均具有与PMN类似的介电特性,后来,人们将PMN类材料称为弛豫铁电体(relaxor ferroelectrics,简称RFE),而将BaTiO3等铁电体称为普通铁电体或正常铁电体。

迄今为止,研究最多和应用较广的弛豫铁电体主要是各类铅系复合钙钛矿结构的Pb(B1B2)O3系列材料,最具有代表性的有
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN),铌锌酸铅Pb(Zn1/3Nb2/3)O3(PZN)和钽钪酸铅Pb(Sc1/2Ta1/2)O3(PST)等。

与普通铁电体相比,弛豫铁电体有两个最基本的介电特性:1.弥散相变(diffuse phase transition, 简称DPT):即从铁电到顺电的相变是一个渐变过程,没有一个确定的居里温度T c,通常将其介电常数最大值所对应的温度T m作为一个特征温度,在转变温度T m以上仍然存在较大的自发极化强度;2.频率色散:即在T m温度以下,随着频率增加,介电常数下降,损耗增加,介电峰和损耗峰向高温方向移动。

普通铁电体与弛豫铁电体介电特性的主要区别在介电温度特性,介电频率特性,自发极化强度三个方面,见表1。

由于弛豫性铁电体具有很高的介电常数,相对低的烧结温度和由“弥散相变”得出的较抵容温变化率,大的电致伸缩系数和几乎无滞后的特点,使其在多层陶瓷电容器急新型电致伸缩器
件方面有着巨大的应用前景,在新型位移器,执行器和机敏材料与器件等方面也有广泛的应用前景和开发潜力;透明弛豫型铁电体及薄膜具有优异的电光和开关特性,有可能用于电光存储,开关和记忆元件,随着现代电子计算机,光学系统和自动控制等电子信息技术的高速发展,对新一代电光器件的需求与日俱增,也迅速推动了弛豫型铁电体的开发和应用研究。

PZT材料在Zr/Ti比为53/47时存在一个准同型相界(MPB),在此相界处,四方相和三方相共存,此时PZT材料的压电性能较好,与之相类似,弛豫铁电材料PMN,PNN等与PT也形成类似的准同型相界。

如(1-x)PMN-xPT系统中,在x=0.33附近的一个较大的范围内,存在一个连续变化的准同型相界,在此相界附近,三方相与四方相共存,此时,弛豫铁电材料具有非常良好的介电,压电性能。

对于PZN,PNN基铁电材料,准同型相界分别位于PT含量为9mol%和36mol%附近,从铁电材料的准同型相界图可知,PT与锆酸嵌(PZ)形成的MPB为第一类准同型相界(MPB-1);弛豫铁电体与PT形成的MPB为第二类准同型相界(MPB11)。

在MPB附近的钙钛矿结构的PZT陶瓷容易制备,材料成本低,居里温度一般较高,压电性能较好,在实际中已得到较好的应用。

与PZT相比,弛豫铁电体PT在MPB附近的钙钛矿结构则较难制备,居里温度一般在案150℃~200℃左右,具有较大的机电耦合系数和压电系数,如果将位于准同型相界的PZT作为一相,与同样位于准同相界的弛豫铁电材料复合,可以得到第三类准同型相界(MPB111),此类材料的压电性能兼顾以上两类材料的特点,压电性能很好,尤其是机电耦合系数大,居里温度可以在较大范围内调节。

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