弛豫铁电单晶的生长、性能及应用

单晶材料的生长及应用单晶材料是一种高纯度、高质量的材料，由于其结晶形态独特，因此在材料研究、电子设备、光学装置、传感器等领域有着广泛的应用。

本文将从单晶材料的生长及其应用两个方面进行论述。

一、单晶材料的生长单晶材料的生长是制备高纯度、高质量单晶的重要步骤。

通常采用质晶生长法、气相生长法、液相生长法、熔体法等方法进行单晶材料的生长。

1. 质晶生长法质晶生长是通过熔融物料中的慢冷过程而获得单晶。

材料首先被融化，然后在恒定温度下缓慢冷却。

在冷却过程中，熔体的成份逐渐结晶，通过控制结晶速率和温度，使得晶体在相似的晶体学方向上生长，从而获得高质量的单晶。

2. 气相生长法气相生长是通过热分解气体、化学反应、沉积等方式在固定位置上生长单晶。

在气相生长过程中，单晶在半导体材料工业、电子器件及其他光学应用中得到广泛运用。

3. 液相生长法液相生长法是指利用溶剂在有机液相或高熔点固体溶剂中生长单晶。

在液相生长过程中，贵金属及宝石类制品、化学物质、波长选择性钙钛矿、氧化物等单晶特许材料都能被制造。

4. 熔体法熔体法通常是通过熔融材料注入熔体中，在高温条件下快速冷却形成单晶。

在熔体法中，电子金属材料、高冰温超导体、稀土元素及其化合物、金属材料等都能被制造。

二、单晶材料的应用单晶材料在电子学、光学、传感器、医学、材料工业等领域都有广泛的应用。

1. 电子学单晶材料在电子产品及半导体制造行业有广泛的应用。

例如，硅单晶是半导体制造中最常用的单晶材料。

2. 光学单晶材料在光学设备制造等领域有着重要的应用价值。

例如，蓝宝石单晶、铝氧化物单晶等材料都是高品质的激光晶体材料。

3. 传感器单晶材料还可被应用于传感器制造。

例如，压阻式传感器中常用的压电晶体就是一种单晶材料，它能够用来测量压力、重量、温度等参数。

4. 医学单晶材料在医学领域也有着广泛的应用，例如用于人工晶体的制造。

5. 材料工业单晶材料在材料工业中也发挥着重要的作用，例如，金属锆单晶制成的喷气式发动机叶片，能够提高航空和航天领域中的效率。

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。

弛豫铁电单晶PMN-PT简介一.铁电晶体的基本结构
二.铁电晶体的性能
方向上必定存在逆压电效应。

逆压电效应的压电常数与正压电效应的压电常数相等，且一一对应。

三.铁电晶体的折射率
有关铌酸锂的塞耳迈耶尔方程：()222i i i i i
B n A D
C λλλ=+
−×− 经验公式：
8210λ−
室温下0.65PMN-0.35PT 单晶的折射率：
0.65PMN-0.35PT 单晶的折射率与波长的关系：
四.铁电晶体的制备
热压烧结法：
鉴于透明陶瓷材料要求的高致密性和低气孔率,热压烧结对于透明陶瓷的制备具有很大的优势。

早在1970年,G.H.Haertling 就采用热压烧结工艺首次制备了PLZT 透明陶瓷。

随后采用氧化物球磨方法和热压烧结工艺制备了不同组成的透明PLZT 陶瓷。

现在可用溶胶-凝胶法制备粉料,用热压烧结的方法制备PMN-PT 光电透明陶瓷,以及一系列基于光电透明陶瓷材料的光电器件。

采用热压烧结工艺通过外加压力有效地促进瓷件收缩和气孔的排除,
能得到
接近理论密度的致密陶瓷。

另外流动的氧气氛对陶瓷的透光度有显著的影响,采用通氧热压烧结工艺制备的陶瓷透光性比普通热压烧结工艺制备的陶瓷的透光性好。

但是,热压烧结在实际生产中的应用不如常压烧结成熟,并存在一些其他的缺点,如残余应力引起的光学各向异性会影响透明陶瓷在光电方面的应用,压制用模套在高温高压下对陶瓷的反应和渗透会对材料造成污染。

压电⽤PMNT单晶---介绍铁电知识铁电单晶介绍 ⼆⼗世纪的前五⼗年，⼏乎所有的压电材料都是单晶(如压电⽔晶)；后来，五⼗年代的钛酸钡(BTO)陶瓷和六⼗年代锆钛酸铅(PZT)陶瓷因为⾼的压电系数(d33～700pC/N)和机电耦合系数(k33～75%)得以发展，⾃从那时，PZT压电陶瓷就在压电材料领域中占有主要地位了。

⽽⼋⼗年代初，铌镁钛酸铅(PMNT)和铌锌钛酸铅(PZNT)弛豫铁电单晶在<001>⽅向上的超⾼的压电性能(d33～2000pC/N, k33～90%)和超⼤的场致应变(～1.5%)为⼈们所发现，被称为"50年来铁电领域的⼀次激动⼈⼼的⾰命"，这类的弛豫铁电单晶有望成为新⼀代的超声换能器、传感器和驱动器的核⼼压电材料，带来⽔声换能器等的⼤带宽和⾼能量密度，从⽽不仅成为国际上科学研究的热点，也成为各个⼤公司如GE和Philips等进⾏新⼀代压电换能器件研发的核⼼材料。

中国科学院上海硅酸盐研究所，世界范围内⾸次⽤改进的Bridgman法⽣长出了⾼质量的⼤尺⼨弛豫铁电单晶PMNT(Φ55mm×80mm)，⽽且可以⼩批量的规模化⽣产，得到了国际同⾏的密切关注，也使得PMNT单晶成为最有前途的新型压电单晶材料，同时本课题组还可以⽣长其他⽣产⼀系列的弛豫铁电单晶，如铌锌酸铅-钛酸铅(PZNT)单晶、铌铟酸铅-钛酸铅(PINT)单晶、铌镁钪酸铅-钛酸铅(PSMNT)单晶，这些单晶材料都可以按照客户的要求进⾏不同组成、掺杂、加⼯要求(如晶向和⼤⼩)来进⾏制备。

这些单晶具有优异的压电性能，最近⼜发现了其优异的⾮线性光学性能和热释电性能，使得它们不仅可以满⾜应⽤需要成为新⼀代⾼性能压电换能器、⾮线性光学器件和光电探测器件(如红外探测器)的核⼼材料，⽽且还为⼴⼤的科研⼈员提供了良好的研究载体，成为国际上相关领域的研究热点。

伸缩压电模式：d33： 2000 pC/N长度谐振N33： 660 kHz×mm厚度谐振Nt： 1800 kHz×mmk33： 92%kt： 60%g33： 34.2 10-3 Vm/Nε33T： 6600横向长度伸缩压电模式：d31： -2500 pC/N谐振N31： 520 kHz×mmk31： 95%切变压电模式：d15： 6000 pC/N谐振N15： 1200 kHz×mmk15： 97%使⽤温度上限： 80 oC场致应变：线性应变： 0.13%（600V/mm外场）冲击应变： 1.8% （7kV/mm外场）⾮线性光学⽤PMNT单晶---介绍伸缩压电模式：no：2.620（632.8nm）no：2.601电光系数r33：70 pm/Vr13：25 pm/Vrc：44.4 pm/V吸收边：400 nm透过率：70% （⼤于400nm)反射损耗：20％使⽤温度上限：160 oCPMNT单晶密度：8.1 g/cm3 （室温）PMNT单晶尺⼨：晶⽚：单向尺⼨最⼤50mm，双向可达40×40mm 晶块：单向最⼤40mm，三向可达30×30×30mm热释电⽤PMNT单晶---介绍热释电系数：12.8×10-4C/m2K介电常数：500 (1kHz)介电损耗：⼩于0.5% (1kHz)体积⽐热c '：2.5×106J/m3K热扩散系数：3.8×10-7m2/s电流响应优值：5.12×10-10Am/W电压响应优值：0.11 m2/C探测优值：10.2×10-5Pa-1/2使⽤温度上限：80 oC755-83765592⼩周。

弛豫型铁电体序列1. 引言弛豫型铁电体是一类具有特殊结构和性质的材料，其序列性质对其电子、光学和力学性质产生显著影响。

在本文中，我们将对弛豫型铁电体序列进行全面、详细、完整且深入地探讨。

我们将首先介绍弛豫型铁电体的基本概念和性质，然后探讨不同序列对其性质的影响，最后讨论其在材料科学与应用中的潜在应用。

2. 弛豫型铁电体的基本概念和性质2.1 弛豫型铁电体的定义弛豫型铁电体是一种具有铁电性质的材料，其铁电性质可以通过施加电场来改变其晶格结构和电子分布。

弛豫型铁电体具有独特的电子极化状态和晶体结构，因此具有特殊的电学、光学和力学性质。

2.2 弛豫型铁电体的常见特征•铁电畴结构：弛豫型铁电体具有多个铁电畴，每个畴都有一定的电子极化方向。

畴壁是不同电子极化方向的分界面，在应力和电场的作用下可以发生畴壁移动。

•铁电相变：弛豫型铁电体在一定温度范围内表现出铁电相和非铁电相之间的相变现象。

相变可以通过改变温度或外加电场实现。

•铁电畴重构：在相变过程中，弛豫型铁电体的畴壁会发生畴重构，导致电子极化方向的重排和畴尺寸的改变。

3. 不同序列对弛豫型铁电体性质的影响3.1 序列对铁电畴的尺寸和形态的影响不同序列对弛豫型铁电体的畴尺寸和形态有显著影响。

一些序列可以促进畴壁的移动和畴重构过程，从而改变铁电体的电子极化方向和畴尺寸。

而其他序列可能导致畴壁的固定或畴壁移动的困难，对铁电体性质的改变不显著。

3.2 序列对铁电相变的影响序列对弛豫型铁电体的相变温度和相变性质有重要影响。

一些序列可以降低或提高铁电相变的温度，使其适用于不同应用领域。

同时，序列对相变起始温度和相变温度范围的控制也具有重要意义。

3.3 序列对铁电畴重构的影响序列对弛豫型铁电体的畴壁移动和畴重构过程起到重要的控制作用。

一些序列可以促进畴壁的移动和畴重构，增强铁电体的电子极化性和力学性能。

而其他序列可能导致畴壁的固定或畴尺寸的不稳定，从而限制了铁电体性能的优化。

弛豫铁电体介电性质及掺杂对其性能影响的研究的开题报告题目：弛豫铁电体介电性质及掺杂对其性能影响的研究一、选题背景及意义弛豫铁电体是一种重要的功能材料，具有优异的介电性能和铁电性能。

弛豫铁电体晶体的晶格结构存在偏离对称轴的畸变，从而使得这种材料中的铁电性是与系统内部的结构畸变密切相关的。

因此，弛豫铁电体的介电响应具有强烈的表现力，在电子设备中应用广泛。

同时，由于掺杂可以改变弛豫铁电体的结构和物理性质，因此掺杂是控制这种材料性能的有效手段。

研究弛豫铁电体掺杂后的介电性质，有助于深入理解其内部结构畸变和铁电性质之间的联系，为构建更为优异的弛豫铁电体材料提供理论基础和实验依据。

二、研究目的和内容本研究旨在通过对弛豫铁电体的介电性质和掺杂过程进行实验研究，探索掺杂对其性能的影响。

本研究的具体内容如下：1.通过粉末X射线衍射仪进行弛豫铁电体样品的晶体结构分析，对其表征进行初步研究。

2.对弛豫铁电体进行介电实验，得到样品的介电常数和介电损耗随频率、温度等参数的变化规律。

3.通过化学共沉淀法掺杂样品，比较掺杂前后样品的介电性质变化规律，探究掺杂对弛豫铁电体性能的影响。

三、研究方法和实验步骤1.样品制备：利用固相法制备弛豫铁电体材料，合成后经XRD测试样品的晶体结构；粉末样品通过机械球磨得到粉末状。

2.介电实验：采用LCR测量仪，对样品进行介电实验，测量得到介电常数和介电损耗。

3.掺杂实验：采用化学共沉淀法对样品进行掺杂，重复介电实验，比较掺杂前后样品的介电性质差异。

4.实验数据分析：根据实验结果，分析样品的结构与性能间的关系，探究掺杂对性能的影响。

四、论文结构与安排本论文将分为以下部分：1.绪论：介绍弛豫铁电体的基本概念、国内外研究现状及研究目的。

2.实验设计：介绍本研究的实验设计、样品制备和实验步骤。

3.实验结果分析：根据实验结果，对样品的结构与性能进行分析，比较掺杂前后的样品性能变化。

4.总结与展望：总结本研究的实验结果，展望未来的研究方向和前景。

第51卷第4期2022年4月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALSVol.51㊀No.4April,2022高居里温度铁电单晶PIN-PT的机电性能刘曼曼1,汪跃群2,熊俊杰1,张文杰1,孔舒燕1,杨晓明1,王祖建1,龙西法1,何㊀超1(1.中国科学院福建物质结构研究所,福州㊀350002;2.中国船舶集团第七一五研究所,杭州㊀310023)摘要:弛豫铁电单晶Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(PIN-PT)相较于常用的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)具有更高的居里温度,在高稳定性㊁高性能的传感器㊁换能器方面具有应用前景㊂本工作采用谐振法研究了[001]方向极化的0.66PIN-0.34PT铁电单晶的全矩阵机电性能参数㊂0.66PIN-0.34PT单晶的三方-四方相变温度(T RT)约为160ħ,居里温度(T C)约为260ħ,室温压电系数d33㊁d31㊁d15分别为1340pC/N㊁-780pC/N㊁321pC/N,介电常数εT33㊁εS33㊁εT11㊁εS11分别为2700㊁905㊁2210㊁1927,机电耦合系数k33㊁k31㊁k15㊁k t分别为87%㊁58%㊁38%㊁61%㊂其纵向压电常数(d33)和纵向机电耦合系数(k33)小于PMN-PT单晶,但是横向压电性能(d31)和剪切压电性能(d15)都略高于PMN-PT单晶㊂另外,研究了机电耦合性能随温度的变化趋势,发现0.66PIN-0.34PT单晶在150ħ以下有较好的温度稳定性㊂关键词:PIN-PT;弛豫铁电单晶;全矩阵参数;压电性能;机电性能;传感器㊀中图分类号:TM22+1;O782㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1000-985X(2022)04-0579-08 Electromechanical Properties of Ferroelectric Single CrystalPIN-PT with High Curie TemperatureLIU Manman1,WANG Yuequn2,XIONG Junjie1,ZHANG Wenjie1,KONG Shuyan1,YANG Xiaoming1,WANG Zujian1,LONG Xifa1,HE Chao1(1.Fujian Institute of Research on the Structure of Matter,Chinese Academy of Science,Fuzhou350002,China;2.Hangzhou Applied Acoustics Research Institute,Hangzhou310023,China) Abstract:Relaxor ferroelectric single crystal Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(PIN-PT)has a higher Curie temperature than Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT),which has a prospect in the application of sensors and transducers requiring high stability and high performance.In this work,the full matrix mechanical and electrical properties of[001]-poled0.66PIN-0.34PT ferroelectric single crystal were studied by resonance method.The rhombohedral-tetragonal transformation temperature(T RT) and Curie temperature(T C)of0.66PIN-0.34PT single crystal are160ħand260ħ,respectively.The room temperature piezoelectric coefficients d33,d31and d15of0.66PIN-0.34PT ferroelectric single crystal are1340pC/N,-780pC/N and 321pC/N,respectively.The dielectric constantsεT33,εS33,εT11,εS11are2700,905,2210,1927,respectively.The electromechanical coupling coefficients k33,k31,k15,k t are87%,58%,38%,61%,respectively.The value of piezoelectric constant(d33)and electromechanical coupling coefficient(k33)of0.66PIN-0.34PT single crystal are smaller than those of PMN-PT single crystal,but the transverse piezoelectric properties(d31)and shear piezoelectric properties(d15)are slightly higher than those of PMN-PT single crystal.In addition,the trend of variation in electromechanical coupling performance was studied,and it is found that0.66PIN-0.34PT single crystal has good temperature stability below150ħ.Key words:PIN-PT;relaxor ferroelectric single crystal;full matrix parameter;piezoelectric property;electromechanical property;sensor㊀㊀收稿日期:2022-02-16㊀㊀基金项目:中国科学院重点部署项目(ZDRW-CN-2021-3);福建省工业引导项目(2020H0038)㊀㊀作者简介:刘曼曼(1996 ),女,河南省人,硕士研究生㊂E-mail:liumanman@㊀㊀通信作者:何㊀超,博士,研究员㊂E-mail:hechao@580㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第51卷0㊀引㊀㊀言相比较于传统的锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷,弛豫铁电单晶材料由于具有超高的压电系数和机电耦合系数(d33>1500pC/N,k33>90%),在医用超声成像㊁高性能换能器等领域得到了广泛的应用[1-3]㊂弛豫铁电单晶材料常用的体系为Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-x PbTiO3(PMN-PT)㊂虽然PMN-PT单晶在准同型相界(MPB)附近表现出优异的压电和机电性能(d33~2000pC/N,k33~90%),但其低的矫顽场(E c=2~3kV/cm)使其容易发生退极化,低的三方-四方相变温度(T RT=65~90ħ)使其应用得到很大限制[4]㊂据之前报道,Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(PIN-PT)铁电单晶具有较高的矫顽场和较高的相变温度㊂2002年Guo等[5]报道了用坩埚下降法生长PIN-PT单晶,其居里温度为200~218ħ,[001]方向的晶体的室温介电常数㊁压电常数㊁机电耦合系数分别约为4000㊁2000pC/N和92%㊂2003年Yasuda等[6]报道了采用偏光显微镜观察0.72PIN-0.28PT单晶在各向同性相边界附近的复杂畴结构㊂2012年He等[7]报道了利用顶部籽晶法生长的0.655PIN-0.345PT单晶的三方-四方相变温度达到150ħ,居里温度为290ħ㊂2018年Qiao等[8]报道了Mn掺杂对PIN-PT单晶性能的影响㊂2021年Xiong等[9]报道了0.66PIN-0.34PT交流极化的结果㊂虽然PIN-PT拥有比较均衡的性能,但对于其全矩阵机电性能的研究甚少㊂研究PIN-PT铁电单晶的压电性能㊁介电性能㊁弹性常数等全矩阵性能参数对于器件设计和应用推广具有重要的意义[10-12]㊂因此,本工作通过顶部籽晶法生长了0.66PIN-0.34PT单晶,并通过谐振法测试了0.66PIN-0.34PT单晶的全矩阵参数,研究了机电耦合性能的温度稳定性㊂1㊀实㊀㊀验1.1㊀测试原理(1)压电振子的谐振特性将极化处理过的压电晶体制成的压电振子按照图1(a)所示的线路连接,当信号频率从低频缓慢向高频变化时,通过压电振子的电流会随着频率的变化而变化,电流是流经压电振子的电压V和阻抗|Z|的比值㊂当信号频率为f m时,通过压电振子的传输电流达到最大值,其对应的阻抗|Z|即为最小值,把f m称为最小阻抗频率;当信号频率变到另一频率f n时,传输电流出现最小值,其所对应的阻抗|Z|达到最大值,把f n称为最大阻抗频率,阻抗随频率的变化如图1(b)所示[13]㊂图1㊀(a)压电振子接入线路示意图;(b)压电振子阻特性曲线Fig.1㊀(a)Schematic diagram of piezoelectric vibrator access circuit;(b)piezoelectric vibrator resistance characteristic curve (2)压电振子的等效电路图压电振子的等效电路是利用电学网络术语表示压电弹性体的机械振动特性,这样可以把所研究的问题简化㊂压电振子的等效电路表示有很多形式,其中最简单的是LC等效电路,其表现形式如图2所示,它是由L1㊁C1㊁R1串联支路和C0并联支路构成的㊂对于LC电路来说,其阻抗|Z|随着频率的变化而变化㊂在压电振子的串联谐振频率附近,只要选择适当的L1㊁C1㊁R1和C0,通过LC电路的阻抗的绝对值随频率的变化曲线和图1(b)的曲线非常相似㊂当压电振子的动态电阻R1为零时,这时电路导纳绝对值|Y|与频率f的关系如公式(1)所示㊂根据公式(1)可以求出导纳最大时的频率f m(公式(2))和导纳最小时的频率f n(公式(3))㊂根据交流电路理论,串联谐振频率f s(L1C1电路出现谐振)与并联谐振频率f p(整个等效电路出现谐振)时的频㊀第4期刘曼曼等:高居里温度铁电单晶PIN-PT 的机电性能581㊀率如公式(4)和(5)所示㊂此外压电振子还有两个特征频率,即谐振频率f r 与反谐振频率f a ,在这两个特征频率下,压电振子的并联导纳为零,压电振子呈现出纯阻抗特性㊂因此当R 1为零时,对于压电振子的六个特征频率有如下关系:f m =f s =f r ,f n =f p =f a ㊂根据谐振频率f r 与反谐振频率f a 可以计算得出其他性能参数㊂Y =2πf C 0(2πf L 1-12πf C 0-12πf C 1)2πf L 1-12πf C 1(1)f m =12π㊀L 1C 1(2)f n =12π㊀L 1C 0C 1C 0+C 1(3)f s =12π㊀L 1C 1(4)f p =12π㊀L 1C 0C 1C 0+C 1(5)图2㊀压电振子等效电路Fig.2㊀Piezoelectric oscillator equivalent circuit 1.2㊀样品制备在本工作中,采用顶部籽晶法得到PIN-PT 单晶,晶体原料配比为0.59PIN-0.41PT 单晶,晶体生长方法见参考文献[14]㊂根据PIN-PT 体系的二元相图推测PIN-PT 晶体的组分应该为0.66PIN-0.34PT [15]㊂通过X 射线衍射仪(MiniFlex 600,Rigaku,Japan)测定晶体结构㊂将晶体进行切割,抛光得到[001]取向尺寸大小为4mm ˑ4mm ˑ0.6mm 的晶片㊂涂上高温银浆,在600ħ下进行退火处理以消除样品加工过程中产生的应力㊂样品退火后,方可对样品进行对应的电学测试㊂使用阻抗分析仪(E4990A,Keysight,USA)测试单晶样品的介电性能㊂压电单晶的全矩阵机电性能参数是指压电材料的介电常数㊁压电常数㊁弹性常数等一系列物理参数各自组成的矩阵㊂其中主要包括恒电位移边界条件下的弹性柔顺系数矩阵s D ij ㊁恒电场边界条件下的弹性柔顺系数矩阵s E ij ㊁恒电位移边界条件下的弹性刚度系数矩阵c D ij ㊁恒电场边界条件下的弹性刚度系数矩阵c E ij ㊁压变应变常数d ij ㊁压变应力常数e ij ㊁压变电压常数g ij ㊁压变刚度常数h ij ㊁介电常数εij /ε0和βij /β0,以及机电耦合系数k ij ㊂压电晶体沿不同方向极化会导致晶体的对称性不同,其全矩阵参数的表现形式也不同㊂本工作主要测试沿[001]方向极化后0.66PIN-0.34PT 铁电单晶的全矩阵参数㊂0.66PIN-0.34PT 铁电单晶具有三方钙钛矿相(3m ),沿[001]方向极化后的晶体具有4mm 点群对称性,共有11个独立的材料常数,包括6个弹性常数,2个介电常数和3个压电常数㊂图3给出了三方钙钛矿相(3m )铁电单晶沿[001]方向极化的弹性刚度系数㊁压电应变常数和介电常数矩阵㊂本实验中主要采用的是谐振法测试[001]极化的0.66PIN-0.34PT 单晶的全矩阵参数,通过制备不同的压电振子得到谐振图谱㊂压电振子尺寸如下:k 33振子为1mm(长)ˑ1mm(宽)ˑ5mm(高);k 31振子为5mm(长)ˑ1.5mm(宽)ˑ0.5mm(高),k t 样品尺寸为5mm(长)ˑ5mm(宽)ˑ0.6mm(高),k 15样品尺寸为0.6mm(长)ˑ3mm(宽)ˑ5mm(高),其中长度方向为[100],宽度为[010],高度为[001]㊂压电振582㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第51卷子的示意图如图4所示,其中阴影部分表示测试电极面㊂电极为银电极,600ħ下烧结10min 而成㊂压电振子的极化条件如下:电场为12kV /cm,极化时间15min,室温㊂k 33㊁k 31和k t 的振子样品测试方向与极化方向均为[001]㊂k 15振子沿着[001]方向极化后,去掉电极,重新沿着[100]方向制备电极测试㊂使用阻抗分析仪(E4990A,Keysight,USA)测试压电振子的谐振阻抗谱图㊂图3㊀三方钙钛矿相(3m )单晶沿[001]方向极化的弹性刚度系数(a)㊁压电应变常数(b)和介电常数(c)矩阵Fig.3㊀Elastic stiffness coefficient (a),piezoelectric strain coefficient (b)and dielectric constant (c)matrix of [001]poled rhombohedral perovskite phase (3m )ferroelectric single crystal图4㊀压电振子取向示意图Fig.4㊀Diagram of piezoelectric vibrators 1.3㊀全矩阵机电性能参数计算压电振子制作完成后,通过阻抗分析仪读出不同振子所对应的反谐振频率f a 和谐振频率f r ㊂通过不同的公式算出相应的参数值,其中Δf 表示f a 和f r 的差值,l 为样品长度,通过阿基米德法得到晶体的密度为8.1kg /cm 3㊂对于k 33振子通过公式(6)~(9)计算出相应的参数值:k 233=π2f r f a tan π2Δf f a ()(6)s D 33=14ρl 2f 2a (7)s E 33=s D 331-k 233(8)d 33=k 33㊀εT 33s E 33(9)对于k 31振子,通过公式(10)~(12)计算出相应的参数值:k 2311-k 231=π2f a f r tan π2Δf f r ()(10)s E 11=14ρl 2f 2r (11)d 31=k 31㊀εT 33s E 11(12)㊀第4期刘曼曼等:高居里温度铁电单晶PIN-PT的机电性能583㊀对于k t振子,通过公式(13)~(15)计算出相应的值:k2t=π2f r fa tanπ2Δf fa()(13)c D33=4ρt2f2a(14)c E33=c D33(1-k2t)(15)对于k15振子,通过公式(16)~(19)计算出相应的值:k215=π2f r fa tanπ2Δf fa()(16)c D55=4ρl2f2a(17)c E55=c D55(1-k215)(18)d15=k15㊀εT11s E55(19) 2㊀结果与讨论通过阻抗分析仪测得的各个振子的阻抗图谱如图5所示,结合以上公式可以算出部分全矩阵参数,参数其他值的计算参考文献[16]的计算方法㊂最终得到0.66PIN-0.34PT的全矩阵参数如表1所示㊂相比较于三方相PMN-PT单晶,通过对比可以看出,虽然0.66PIN-0.34PT单晶的纵向压电系数d33(1347pC/N)和机电耦合系数k33(87%)略小于PMN-PT单晶(d33~1660pC/N,k33~92%),但是0.66PIN-0.34PT单晶具有较高的剪切压电性能,其d15能够达到321pC/N,并且其横向机电耦合系数k31达到58%,高于三方相PMN-PT单晶的横向机电耦合系数(k31~47%)[16-17]㊂图5㊀不同振子的共振谱Fig.5㊀Resonance spectra of different vibrators584㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第51卷表1㊀[001]极化的0.66PIN-0.34PT单晶的全矩阵参数Table1㊀Full matrix properties of[001]poled0.66PIN-0.34PT crystalsElastic stiffness constants:C ij/(1010N㊃m-2)C E11C E12C E13C E33C E44C E66C D11C D12C D13C D33C D44C D6611.3112.1910.249.64 5.247.6411.229.1810.7411.468.17 6.68Elastic compliance constants:S ij/(10-12m2㊃N-1)S E11S E12S E13S E33S E44S E66S D11S D12S D13S D33S D44S D66 26.39-11.67-23.2148.9515.7210.0715.54-18.76-8.859.0213.6812.62Piezoelectric constants:e ij/(C㊃m-2);d ij/(10-12C㊃N-1);g ij/(10-3Vm㊃N-1);h ij/(108V㊃m-1) e15e31e33d15d31d33g15g31g33h15h31h33 14.6-6.5318.81321-783134712.40-17.2330.3110.29-11.9029.15Dielectric constants:ε(/ε0);β(10-4/ε0).Electromechanical coupling constants:kεS11εS33εT11εT33βS11βS33βT11βT33k15k31k33k t 192790522102700 3.23 2.29 2.35 2.590.380.580.870.610.66PIN-0.34PT单晶的X射线衍射扫描结果如图6(a)所示,从衍射图可以看出,单晶是纯的三方相钙钛矿结构㊂同时在1000Hz下测试的介电温谱如图6(b)所示㊂从图中可以看出,其三方-四方相变温度T RT为150ħ,居里温度T C为260ħ㊂为了测试0.66PIN-0.34PT单晶的温度稳定性,将极化后的单晶在不同温度下退火2h,降至室温后用准静态法测试其压电系数d33,结果如图7所示㊂当退火温度在150ħ以下, 0.66PIN-0.34PT单晶的d33一直保持在1200pC/N;当退火温度高于150ħ时,0.66PIN-0.34PT单晶的d33明显下降,表明退极化温度和三方-四方相变温度一致㊂图6㊀(a)0.66PIN-0.34PT单晶的X射线粉末衍射图谱;(b)未极化[001]取向0.66PIN-0.34PT单晶的介电温谱(1000Hz) Fig.6㊀(a)Powder XRD patterns of0.66PIN-0.34PT crystals;(b)dielectric temperature spectrum of0.66PIN-0.34PTsingle crystal with unpolarized[001]orientation(1000Hz)图7㊀[001]取向0.66PIN-0.34PT单晶的压电系数d33随退火温度的变化Fig.7㊀Variation of d33of[001]poled0.66PIN-0.34PT crystals as a function of temperature㊀第4期刘曼曼等:高居里温度铁电单晶PIN-PT的机电性能585㊀图8给出了机电耦合系数k15㊁k31㊁k t㊁k33随温度的变化㊂随着温度的升高,剪切机电耦合系数k15迅速从室温的38%增加到150ħ时58%㊂纵向机电耦合系数k33和横向机电耦合系数k31在三方-四方相变温度以前基本保持不变,在相变温度附近急剧减小㊂厚度伸缩机电耦合系数k t随着温度的升高在三方-四方相变温度之前从60%升高到70%㊂因此,0.66PIN-0.34PT单晶机电耦合性能的温度稳定性可达150ħ㊂图8㊀0.66PIN-0.34PT单晶的机电耦合系数k15㊁k31㊁k t㊁k33随温度的变化Fig.8㊀Variation of electromechanical coupling coefficients k15,k31,k t,k33of0.66PIN-0.34PT single crystal as a function of temperature3㊀结㊀㊀论采用顶部籽晶法生长的0.66PIN-0.34PT单晶的三方四方相变温度为150ħ,居里温度为260ħ㊂通过谐振法测试了沿[001]极化的0.66PIN-0.34PT单晶的介电常数㊁压电常数㊁弹性常数等性能参数㊂与三方相PMN-PT单晶相比,0.66PIN-0.34PT单晶的剪切压电系数d15(321pC/N)和横向机电耦合系数k31(58%)有所提高㊂压电和机电耦合性能的温度稳定性研究表明,0.66PIN-0.34PT单晶的压电和机电耦合性能在150ħ以下保持稳定,有利于拓展弛豫铁电单晶温度应用范围㊂参考文献[1]㊀ZHANG S J,LI F,JIANG X N,et al.Advantages and challenges of relaxor-PbTiO3ferroelectric crystals for electroacoustic transducers-a review[J].Progress in Materials Science,2015,68:1-66.[2]㊀SUN E W,CAO W W.Relaxor-based ferroelectric single crystals:growth,domain engineering,characterization and applications[J].Progress inMaterials Science,2014,65:124-210.[3]㊀LI F,LIN D,CHEN Z,et al.Ultrahigh piezoelectricity in ferroelectric ceramics by design[J].Nature Materials,2018,17(4):349-354.[4]㊀戴振国,董胜明,尹振华,等.PMN-PT晶体的生长㊁性质和应用进展[J].人工晶体学报,2005,34(6):1018-1023+1055.DAI Z G,DONG S M,YIN Z H,et al.Progress in the growth,properties and application of PMN-PT crystal[J].Journal of Synthetic Crystals, 2005,34(6):1018-1023+1055(in Chinese).[5]㊀GUO Y P,LUO H S,HE T H,et al.Peculiar properties of a high Curie temperature Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3single crystal grown by themodified Bridgman technique[J].Solid State Communications,2002,123(9):417-420.586㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第51卷[6]㊀YASUDA N,UEMURA N,OHWA H,et al.Domain observation in PIN-PT mixed crystal near a morphotropic phase boundary[J].Journal-Korean Physical Society,2003,42:S1261-S1265.[7]㊀HE C,LI X Z,WANG Z J,et al.Characterization of Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3ferroelectric crystals grown by top-seeded solution growthmethod[J].Journal of Alloys and Compounds,2012,539:17-20.[8]㊀QIAO H M,HE C,WANG Z J,et al.Improved thermal stability of ferro/piezo-electric properties of Mn-doped Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3ceramics[J].Journal of the European Ceramic Society,2018,38(9):3162-3169.[9]㊀XIONG J J,WANG Z J,YANG X M,et al.Optimizing the piezoelectric and dielectric properties of Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3ferroelectriccrystals via alternating current poling waveform[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2021,68(8): 2775-2780.[10]㊀MA M,XIA S,SONG K X,et al.Temperature dependence of the transverse piezoelectric properties in the[001]-poled0.25Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.42Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3single crystal with alternating current treatment[J].Journal of Applied Physics,2021,129(11):114102.㊀[11]㊀QIAO L,LI Q,QIU C R,et al.Temperature dependence of elastic,piezoelectric,and dielectric matrixes of[001]-poled rhombohedral PIN-PMN-PT single crystals[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency 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[12]㊀WAN H T,LUO C T,CHANG W Y,et al.Effect of poling temperature on piezoelectric and dielectric properties of0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3single crystals under alternating current poling[J].Applied Physics Letters,2019,114(17):172901.[13]㊀张沛霖,张仲渊.压电测量[M].北京:国防工业出版社,1983.ZHANG P L,ZHANG Z Y.Piezoelectric measurement[M].Beijing:National Defense Industry Press,1983(in Chinese).[14]㊀HE C,WANG Z J,YANG X M,et al.Relaxor-based ferroelectric single crystals grown by top-seeded solution growth method[J].ScientiaSinica Technologica,2017,47(11):1126-1138.[15]㊀AUGIER C,PHAMTHI M,DAMMAK H,et al.Phase diagram of high T c Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3ceramics[J].Journal of the EuropeanCeramic Society,2005,25(12):2429-2432.[16]㊀LIU M M,TANG H Y,ZHANG W J,et plete set of material constants of001-poled0.72Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.28PbTiO3single crystalsusing alternating current poling[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2022.DOI:10.1109/TUFFC.2022.3141461.[17]㊀IEEE standard for relaxor-based single crystals for transducer and actuator applications[J].IEEE Std1859-2017,2017:1-25.。

铁电材料的功能及应用前景随着科技的迅猛发展，新型材料的研究成为当前热点领域。

铁电材料是其中之一，它具有独特的电学、光学、磁学等性质，并且具有广泛的应用前景。

本文旨在探讨铁电材料的功能及应用前景。

一、铁电材料的基本性质铁电材料是指在无外界电场作用下具有极化性的材料。

它们具有如下特性：1. 巨电介电常数：铁电材料在外电场作用下能产生极化，极化电荷密度可高达$10^{12}$C/m²，极化状态下介电常数会增加几百倍。

2. 非线性光学效应：铁电材料呈现非线性光学效应，如二倍频、三倍频、四倍频等。

3. 逆铁电效应：铁电材料在电场作用下能发生极性倒转，这一性质称为逆铁电效应。

4. 压电效应：铁电材料在外力作用下会发生形变，并产生极化，这一性质称为压电效应。

铁电材料具有这些独特的性质，因此被广泛地研究和应用。

二、铁电材料的应用前景1. 铁电存储器铁电存储器是一种新型非挥发性存储器，它可以在断电的情况下保持存储信息。

铁电存储器具有速度快、容量大、数据稳定等优点，可以替代掉传统的闪存存储器。

目前，铁电存储器已经在智能手机、平板电脑等消费电子产品上得到了广泛的应用。

2. 铁电陶瓷铁电陶瓷具有良好的压电性能和介电性能，可以广泛应用于传感器、滤波器、调谐器等电子领域。

此外，铁电陶瓷的压电效应还可以应用于医疗领域，如超声波治疗、成像等。

3. 铁电液晶铁电液晶具有特殊的光学性能，它可以将光线分成两个波，这一特性被广泛应用于显示器、多媒体终端等领域。

4. 铁电玻璃铁电玻璃具有独特的光学、磁学性能，可以应用于光学信息存储、电磁屏蔽、光纤通信等领域。

5. 铁电探测器铁电探测器由于其灵敏度高、稳定性好等优点，可以广泛应用于安全监控、卫星通信等领域。

三、铁电材料的研究进展目前，铁电材料的研究已经进入到了新时代。

一方面，这一领域的学术研究十分活跃，研究人员们致力于发现新型铁电材料，探索铁电材料的新性质；另一方面，铁电材料的工业生产也在逐步扩大。

储能电容器用弛豫铁电陶瓷充放电性能研究储能电容器用弛豫铁电陶瓷充放电性能研究引言：随着可再生能源的不断发展和应用，能源的储存和转化成为一个重要的问题。

储能电容器作为一种新兴的储能设备，具有体积小、重量轻、功率密度高等优点，广泛应用于电动汽车、风力发电等领域。

而作为储能电容器的关键元件，材料的性能对电容器的储能效果和稳定性有着重要影响。

因此，研究不同材料的储能性能对于提高储能电容器的性能具有重要意义。

近年来，弛豫铁电陶瓷作为一种具有良好储能性能的材料，受到了广泛关注。

弛豫铁电陶瓷是一种具有无规则晶体结构的陶瓷材料，其特点是在电场作用下具有瞬态电荷的弛豫现象。

这种材料具有高压电系数、低损耗角正切值等特点，能够实现高效的能量转换和存储。

因此，研究储能电容器中弛豫铁电陶瓷的充放电性能对于提高储能电容器的整体性能具有重要意义。

本文通过实验研究了储能电容器中弛豫铁电陶瓷的充放电性能，并分析了其影响因素和优化方法。

实验方法：本实验选择具有弛豫铁电性能的二氧化钛材料作为试验样本。

首先，制备具有均匀结构和良好晶体质量的二氧化钛陶瓷样品。

然后，采用电极材料对样品进行制作，并组装成储能电容器。

最后，利用恒流充放电方式，对储能电容器进行充放电实验，并记录相应的电流、电压和时间数据。

实验结果：实验结果显示，在不同充放电速率下，储能电容器中弛豫铁电陶瓷的充放电性能表现出较好的稳定性和性能。

随着充放电速率的增加，电容器的储能效率逐渐提高，并且具有较高的放电容量和充电速度。

同时，实验还发现在一定充放电速率范围内，弛豫铁电陶瓷的性能基本保持稳定，不会出现明显的性能衰退现象。

影响因素分析：通过进一步分析实验数据，我们发现影响储能电容器中弛豫铁电陶瓷充放电性能的主要因素包括压电模量、介电常数、界面缺陷等。

其中，压电模量是弛豫铁电陶瓷的重要物理性质之一，它决定了弛豫铁电陶瓷的能量转换效率。

介电常数是指弛豫铁电陶瓷在电场作用下的能量存储能力，其数值越大，储能效果越好。

铅基压电陶瓷的应用总结1、PMN-PT驰豫铁电单晶及其超声换能器性能研究---无机材料，2001，11---李国荣, 罗豪匙, 殷庆瑞中国科学院上海硅酸盐研究所无机功能材料开放实验室,本实验室利用Bridgemnt方法已成功制备出可实用的大尺寸PMN-PT压电单晶，用这种新型的压电材料成功地获得了高分辨率的电声像。

为材料研究者提供一些有关PMN-PT超声换能器性能, 有助改善材料性能来提高压电器件性能, 同时也向应用研究者展示了PMN-PT单晶的优越压电和机电性能使我国不仅在PMN-PT驰豫铁电单晶材料制备和研究, 而且在PMN-PT相关的压电器件研究也能处在国际领先的水平。

（1-x）Pb(Mg1/3Nb2/3)—xPbTiO3驰豫铁电单晶材料高的压电和机电耦合系数d33—3000/N，K P---94% 已远远超出目前使用的压电材料, 是50年来铁电领域中具有重大突破的新型材料, 可望大大提高压电器件在医学超声成像、水下声纳、无损检测、固态大位移量压电驱动器等的性能。

2、PMN-PT 单晶及其在高频换能器中的应用研究刘大安*，陈景，周丹，赵祥永，罗豪甦中国科学院上海硅酸盐研究所研究了PMN-29%PT 新型弛豫铁电单晶的长度伸缩振动模式在其最佳切型下的介电、压电和弹性系数随温度的变化。

对于长度伸缩振动模式，当温度从室温升高到80℃时，机电耦合系数k31 从91.0%增加到93.5%，压电应变系数d31 从1900pCN-1 增加到4500pCN-1 。

当温度超过80℃后，k31 和d31 开始迅速下降。

鉴于温度稳定性研究结果，得出对于长度伸缩振动模式，其使用温度在80℃以下。

使用高压性能PMN-PT 单晶成功制备中心频率为10～20MHZ 的高频换能器。

使用PiezoCAD并结合KLM 模型对高频换能器制备参数进行理论模拟和计算，重新设计换能器机构，制备了合适的匹配层及背衬材料，成功制作了中心频率为10～20MHZ 的高频探头。

模板生长法制备PMN-PT织构陶瓷弛豫铁电单晶xPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-（1-x）PbTiO₃在（001）方向上具有优异的压电性和介电性,但是由于铁电单晶受到制备周期长、尺寸小、电学性能不稳定、成分不均匀等因素的影响使其难以得到广泛的应用。

本论文通过运用模板生长技术,以片状SrTiO₃颗粒为模板,通过流延工艺、冷等静压、烧结等制备具有良好取向度的PMN-PT陶瓷。

本论文以碳酸锶（SrCO₃）、二氧化钛（TiO₂）为原料,以NaCl、KCl为熔盐通过两步反应,第一步:将SrCO₃、TiO₂按照3.1:2的比例混合以NaCl为熔盐制备片状Sr₃Ti₂O₇粉体颗粒,得到合成片状粉体颗粒的最佳条件,以NaCl为熔盐的条件下1200℃保温4h,升温速率为1℃/min、降温速率为0.5℃/min,最终得到的粉体颗粒粒径在40-60μm之间,表面平面性能良好;第二步:以Sr₃Ti₂O₇与TiO₂按照1:1.1比例混合,以KCl为熔盐制备片状SrTiO₃粉体。