探究交流极化对弛豫铁电单晶压电性能的影响文献综述

 2022-11-25 03:11

由于具有优异的压电性能，弛豫铁电单晶自上世纪90年代问世以来即成为了铁电压电领域研究的热点材料，并被认为是研发下一代高性能换能器、传感器等器件的重要压电材料。新型弛豫铁电单晶PZN-PT和PMN-PT的发现，其高的压电效应和电致伸缩效应使得压电材料的研究和应用进入了一个新的阶段。弛豫型铁电单晶的各向异性特征使材料的物理性能在某些方向得到加强，表现出比陶瓷更为优异的压电性能， 同时它们介电弛豫的物理机理也是科学家们关心的研究课题。对弛豫铁电单晶的研究，包括各个固溶体体系中组分性能和结构之间的关系、畴结构和相变特征、单晶的生长工艺等基础科学问题，也包括相关的换能器、驱动器等器件研究工作。充分了解单晶的基本性质以及相变规律，探索其高压电活性背后的物理机理，具有重大意义，也对研制和开发新型压电铁电器件具有重要的指导意义。有学者提出，极性纳米微区（PNRs）是弛豫铁电单晶有别于传统铁电材料的重要特点[1,2,3]，可能是导致其压电效应远高于其他铁电材料的关键因素。

上世纪90年代初，由于高性能医用超声探头和水声换能器等巨大的应用需求，美国及日本等国再次对高性能弛豫铁电单晶的研究工作给予了巨大的支持。在1990sim;2000年，美国宾州州立大学Shrout TR课题组、日本东芝公司Yamashita Y.以及中国上海硅酸盐所Luo HS课题组先后报道了PMN-PT、PZN-PT等弛豫型铁电单晶的生长进展及相关性能指标[5sim;7]。1997年，Shrout TR课题组成功生长出尺寸达 20 mmtimes;20 mm的PZN-PT晶体，满足部分B超探头的使用要求，真正将这类高性能压电单晶推向了实用化。Shrout TR等在《Journal of Applied Physics》中详尽讨论了PZN-PT和PMN-PT晶体的生长情况以及压电性能[8]。其中，PZN-0.08PT晶体沿[001]方向极化后压电常数高达2500 pC/N，机电耦合系数高达90%，电致应变达1.7%，并且还具有损耗低、应变滞后小等优点。迄今为止，弛豫铁电单晶一直是铁电领域研究的热点问题，包括美国、欧洲、日本、中国、新加坡以及韩国在内的相关研究机构都给予了极大的关注。

如何进一步提高弛豫铁电单晶材料的压电响应，并弥补其缺点？关于弛豫铁电单晶，当前的研究主要围绕以下几个方面展开：1、进一步提高压电系数；2、提高居里温度Tc和退极化温度Td，提高其温度稳定性；3、提高其机械品质因子Qm，降低其损耗，提高单晶的矫顽场Ec等；4、发展高性能无铅弛豫铁电单晶，以适应当前环境保护的需要；5、优化工艺，解决单晶生长过程中因偏析而产生的组分、性能不均匀等问题，降低生产成本。

但是，目前主流的，通过组分调控和掺杂的手段来提高压电性能往往是以牺牲其温度稳定性为代价的，比如李飞课题组通过Sm掺杂改性PMN-PT单晶，d33提高至4100 pC/N，但是相比未掺杂前，其退极化温度降低约36 K[12]；常见的PMN-PT系单晶，其组分接近MPB时，压电性能较好而温度稳定性差，而当组分远离MPB时，温度稳定性好而压电性能较差[13]。

除此以外，畴工程是提高铁电单晶压电性能的一种重要技术手段。相比通过化学组成的改变来提高压电性能，畴工程方法是一种低成本、省时的方法。例如，利用畴工程方法在[001]取向的正交BaTiO3单晶中获得了压电系数d33超过500 pC/N，机电耦合系数k33大于85%，其性能和PZT陶瓷相当。在弛豫铁电单晶方面，通过设计电极材料和电极图案可以提高PMNT单晶的压电性能。

长期以来，对于铁电单晶的极化一直采用的直流极化。有学者研究不同直流极化工艺对单晶性能的影响，也有人研究微区电极，脉冲开关电场等因素对单晶性能的影响，但收获甚微。就在2014年，日本Yamashita等人发现，通过交流极化，可将PIN-PMN-PT系单晶的d33最高提升100%。吸引了人们对交流极化工艺的关注。

Zhang等人研究了不同极化条件下[001]取向PMN-0.30PT压电性能，并报道了PMN-PT单晶在交流极化作用下压电特性的温度依赖性[13]。Chang等人通过使用ACP方法对PMN-0.30PT单晶进行极化并报道了ACP方法在提高弛豫-PT单晶的压电和介电性能方面的作用[14]。

但是，目前尚未有完整的、系统的关于交流极化工艺对弛豫铁电单晶的压电性能、温度稳定性的影响和相关的物理机理。因此，本项目将通过研究交流极化的频率、周期数、波形、电场强度、温度，以及极化的晶面((001)、(110)、(111))对弛豫铁电单晶的压电性能、介电性能、温度稳定性、相结构、畴结构的影响，来更好地理解交流极化提高弛豫铁电单晶压电性能的潜在机理。

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