弛豫铁电单晶铌镁酸铅_钛酸铅研究前沿

0引言

压电、铁电单晶与陶瓷是一类重要的、国际竞争极为激烈的多功能材料。利用其力、热、电、光、声

和化学等方面的特殊性能，可对各类信息进行检测、转换、处理和存储，在工业、民用和国防军事等领域应用非常普遍，如医学超声波换能器、水声换能器阵列、声表面波电子器件和电光调制器等。近年来，对弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅[（1-x ）Pb （Mg 1/3Nb 2/3）O 3-xPbTiO 3（PMN-xPT ）]（其中x 指晶体中PbTiO 3的含量）的基础理论与应用研究吸引了诸多科学工作者的密切关注[1-5]。主要原因在于其机电性能十分优异，例如沿晶体本征[001]方向极化的PMN-33%PT 单晶，其压电系数d33可达2820pC/N ，超过传统PZT 陶瓷四倍有余；电机耦合系数k 33能达到0.94，也远远优于传统铁电晶体或陶瓷材料。

在单晶生长方面，我国中科院上海硅酸盐研究所[2-4]、西安交通大学[5]等相关研究单位都可以批量

生产高质量的PMN-xPT 铁电单晶，且生长方法比较成熟，重复性和稳定性较好，某些方面甚至达到或超越了国际先进水平。长成晶体的尺寸、数量与质量已经接近实际应用场合对该系列单晶材料的要求，这为单晶的器件应用以及产品的商业化奠定了基础。因此，PMN-xPT 单晶极有希望成为下一代宽带、高灵敏度、高分辨率医学超声波换能器，大位移微驱动器及其它机电功能器件的核心材料。本文拟从准同型相界、全矩阵宏观机电系数、损耗和光学、声学性能等方面对PMN-xPT 铁电单晶进行介绍。1PMN-xPT 单晶的准同型相界

室温下，弛豫铁电单晶PMN-xPT 随组分x 的变化会发生组分诱导铁电相变，并存在一个三方相

（自发极化方向为[111]）和四方相（自发极化方向为[001]）共存的准同型相界，且单晶在相界附近的压电性能最好。准同型相界（morphotropic phase boundary ，MPB ），最早由Jaffe 等人[6]在上世纪70年代研究PZT 压电陶瓷时提出，他发现PZT 材料在Zr/Ti 比为53/47时存在一个准同型相界，相界处三方相和四方相共存。1989年，Choi 等人[7]通过研究不同组分（x=0.275-0.4）PMN-xPT 陶瓷的介电和热释电性质，确定了的相界在x=0.33附近。年，Guo 等人[8]研究了不同组分PMN-xPT 在[001]弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅研究前沿

张锐，孙恩伟，李秀明，王竹，项阳

（哈尔滨工业大学物理系，黑龙江哈尔滨150080）

摘要：弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅[(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-xPT)]具有非常优异的机电性能，吸引了诸多科研领域的学者，从基础理论与实际应用等方面开展了研究工作。该文从PMN-xPT 单晶的准同型相界、全矩阵宏观机电系数、光学与声学性能等方面，系统评述了此体系铁电材料相较于传统铁电材料的特色，介绍了PMN-xPT 单晶在国内外相关研究领域的研究进展及发展方向。理论计算与实验结果表明，PMN-xPT 单晶有望极大地提高医学超声波换能器、水声换能器、声表面波机电器件等的频带宽度、灵敏度及图像分辨率等性能。

关键词：弛豫铁电单晶；PMN-xPT ；机电系数；电光系数；声导波

作者简介：张锐（1973-），男，陕西西安人，哈尔滨工业大学物理系教授，博士生导师，从事弛豫型铁电PMN-PT 和PZN-PT 单晶测试理论与技术方法研究。

中图分类号：TM221.051文献标识码：A 文章编号：1006-2165(2009)06-0086-04收稿日期：2009-06-13

□物理学

第29卷第6期2009年11月大庆师范学院学报JOURNAL OF DAQING NORMAL UNIVERSITY

Vol.29No.6

November ，2009

和[110]方向上的介电和压电性能，认为相界位于0.30

图1PMN-PT单晶MBP附近相图[8]

2全矩阵宏观机电系数

全矩阵宏观机电系数，即一套完整的弹性、介电、压电和机电耦合系数，是各类机电器件设计、建模与仿真计算的基础，而测量全矩阵宏观机电系数的方法以混合法最具优越性[11]。这种混合测试方法结合了超声波测试方法、传统共振测试方法与其他测试方法的优点。比起传统共振测试方法，不仅可以减少所需样品的数量，很大程度上还可以避免样品间性能差异所带来的误差。更重要的是，该方法非常适合对具有工程畴结构的PMN-xPT单晶样品进行测试，解决了传统共振测试方法由于样品几何尺寸要求严格而影响晶体畴结构和宏观机电性能这一潜在问题。

通过对处于假二元体系准同型相界附近的PMN-xPT单晶的全矩阵测试，结果证实处于MPB的PMN-33%PT单晶确实表现出最佳的机电性能，并且其压电系数d33和机电耦合系数k33的最大值一定是出现在沿晶体本征[001]方向极化的样品中[12]。但PMN-33%PT晶体存在的弱点是其机电性能的波动性较大，较难加工成为具有统一机电性能的批量样品，甚至出现其机电性能随时间推移而发生变化的现象。

组分为PMN-30%PT的近相界三方相单晶的自洽全矩阵电机系数[13]虽然略逊于PMN-33%PT单晶，但是其机电耦合系数k33和压电系数d33仍具有可观的应用价值，可以分别达到0.91和1980pC/ N。更重要的是，该化学组分的单晶其机电性能的均一性和极化后样品机电性能的稳定性明显优于PMN-33%PT单晶，所以近相界三方相PMN-xPT单晶可能成为未来机电器件设计时的主要选择。

3PMN-xPT单晶的光学性能

近年来铁电单晶PMN-xPT的光学性质也引起了各国学者的关注。2004年，Wan等人[14]通过研究未极化的PMN-xPT(x=0.24,0.30,0.31,0.33)的椭偏光谱，发现未极化的PMN-xPT单晶由于处于无规律的多畴态，从而使晶体在宏观上呈现各向同性的赝立方结构。2005年，Tu等人[15]通过测量极化前后PMN-0.35PT的折射率发现，随着极化的进行，晶体的各向异性逐渐明显，两个主轴折射率也逐渐分开，当将晶体极化成单畴态时，晶体表现出单轴性的各向异性，从而具有了二阶光学非线性效应。2007年，He等人[16]通过测量常温下几个特定波长下PMN-0.35PT单晶的折射率，拟合出PMN-0.35PT的折射率色散方程。

Wan等人[17]通过研究极化前后PMN-38%PT的透射光谱，发现极化后单晶的透过率明显增加，在整个0.45~5.5μm的波段内，0.8mm厚的晶片的光学透过率约为70%，如果在晶体表面镀增透膜，透过率会更高。从光学透过性能来看，单晶已经完全可以满足光学器件应用的要求。随后，Wan等人[18]利用单光束椭圆偏振法测量了若干组分PMN-xPT的有效电光系数rc。Jeong等人[19]利用双光束干涉法测

4PMN-xPT单晶的声导波特性

声导波器件被广泛应用在无损检测、材料表征、生物传感器、机械传感器和电子设备中，准同型相界附近的PMN-xPT单晶的优异性能也使其具有设计与制作下一代声导波器件的潜力。因此，系统了解声导波在PMN-xPT晶体中的传播规律是非常重要的。

声导波在PMN-xPT单晶中的传播方式有体波、板波、声表面波和乐甫波等，我们的研究小组对PMN-xPT单晶中传播的体波、板波、声表面波进行了系统研究。得出了许多有益的结论。2001年，R.Zhang等人对PMN-xPT单晶中传播的体波进行了测量和理论计算，结果表明，由于畴壁运动的影响，体波的传播速度在某些方向明显低于传统压电材料[12]。2007年，C.W.Chen等人利用部分波法理论模拟了沿[001]方向极化的PMN-33%PT单晶中板波的传播性质，得出了拉姆波和SH波的色散曲线[20]。2009年我们小组又对声表面波的传播性质进行了系统研究，得出了声表面波在PMN-xPT单晶中传播的声速、机电耦合系数以及能流角随传播方向的变化规律。结果表明PMN-xPT单晶中的声表面波具有低速、高机电耦合系数和小能流角的优势[21]。对声导波传播规律的理论模拟为PMN-xPT晶体的进一步研究和实际应用提供了理论依据。

5结束语

PMN-xPT晶体具有极其优异的机电性能，被认为是铁电领域50年来一次激动人心的突破，引起了铁电和压电领域的极大关注。该文综述了该单晶体系的准同型相界特征、全矩阵宏观机电系数测量、光学与声学性能优化等方面的研究进展与发展方向，预示了PMN-xPT晶体将广泛地用于设计与制作新一代医学超声波换能器、水声换能器、声表面波电子器件、电光调制器等机电器件。

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Relaxor ferroelectric single crystals lead magnesium niobate-

lead titanate research front

ZHANG Rui,SUN En–wei,LI Xiu–ming,WANG Zhu,XIANG Yang

（Department of Physics,Harbin Institute of Technology,Harbin150080,China）

Abstract:Relaxor ferroelectric single crystals lead magnesium niobate-lead titanate[(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-xPT)]with excellent electromechanical properties have attracted considerable attention.The paper makes a systematic comment on the characteristics of PMN-xPT single crystals in MBP,optics and optics performance etc.The research progress and developing direction of PMN-xPT single crystals were also introduced at home and abroad.Theoretical arithmetic and experiments show that the PMN-xPT single crystals may greatly improves performances of electromechanical devices.

Key words:relaxor ferroelectric single crystals;PMN-xPT;electromechanical coefficient;electrooptic coefficient;guided wave