目前,环境友好型的无铅压电材料是压电材料研究领域的热点之一,已经受到各国研究学者的广泛关注和研究。其中铌酸钾钠基无铅压电材料(KxNa1-x)NbO3(简称为KNN)体系由于其较高的居里温度和压电性能被认为是替代目前商用PZT等铅基压电材料的具有很大潜力的压电材料。但目前,对该体系的研究大多集中于陶瓷,单晶方面的研究较少。而已报道的关于该体系单晶方面的研究中,大多存在晶体尺寸较小,漏电流较大,晶体不易极化,从而影响单晶的压电、铁电等性能的问题。本论文采用溶液坩埚下降法(Flux-Bridgman method)和高温溶液法(High-temperature Solution),利用固溶和掺杂的方式生长了(KxNa1-x) NbO3-0.05LiNbO3和(KxNa1-x) NbO3-0.05LiNbO3-ymol%MnO2单晶,并对晶体的物相结构、成分组成、介电性能、压电性能和铁电性能等进行了表征和分析。
本研究主要内容包括:⑴先后通过溶液坩埚下降法方法和高温溶液方法生长了(KxNa1-x)NbO3-0.05LiNbO3(简称为KNN-0.05LN)单晶和掺杂MnO2的(KxNa1-x)NbO3-0.05LiNbO3-ymol%MnO2(简称为KNN-0.05LN-y%MnO2)单晶,两种生长方法所制备的单晶基本一致。通过定向、切片等后续加工得到了尺寸较大的(001)晶片。⑵粉末XRD测试结果表明所生长的KNN-0.05LN和KNN-0.05LN-y%MnO2单晶均为纯的钙钛矿结构,室温下为正交相,无杂相生成。采用电子探针分析(EPMA)分析了单晶的组成,结果表明所生长的单晶中K/Na=65/35,生长过程中发生组分分凝,K的有效分凝系数keff(K+)≈1.3,Na的有效分凝系数keff(Na+)≈0.7。⑶对单晶(001)晶片的介电、压电、铁电等电学性能进行了研究。介电谱表明纯的KNN-0.05LN单晶的正交-四方相变温度和居里温度(四方-立方相变温度)分别为179℃和421℃,且单晶更趋向于正常铁电体。而KNN-0.05LN-1.0%MnO2的两个相变温度分别为186℃和441℃,KNN-0.05LN-1.5%MnO2的相变温度分别为195℃和446℃,随着MnO2掺杂量的增多,单晶的居里温度升高,介电损耗降低,晶体更倾向于弛豫铁电体。压电性能研究证明掺杂MnO2有利于提高单晶的压电常数,当掺杂1.0mol%MnO2时,压电常数d33由160pC/N升高到226pC/N。此外,掺杂一定量的MnO2能在一定程度上提高单晶的剩余极化强度,而使其矫顽电场降低。⑷利用溶液坩埚下降法生长的KNN基单晶,与已报道结果相比,在KNN单晶中固溶5mol%的LiNbO3,其正交-四方相交温度降低,单晶的温度稳定性提高;而进一步掺杂MnO2后,单晶体内的电子空穴等缺陷减少,单晶的漏电流减小,压电常数增大,矫顽场降低。