PMN-PT铁电单晶的时域介电谱

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）。

PMN-PT单晶柔性压电能量采集器研究随着电子技术的发展,各种便携式电子设备的出现极大提高人们生活水平和促进社会经济发展,同时对于能源的供给也提出了新要求,发展环保高效的能源具有重要意义。

环境中机械能的存在方式多种多样,柔性压电能量采集器利用压电效应可将机械能转换为电能,且具有轻薄、高效、生物相容性等优点,在电子领域和生物医疗领域有着广泛的应用前景。

通过对压电理论和压电材料的分析研究,选取铅基复合钙钛矿结构弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅（1-x）[Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃]-x[PbTiO<sub>3</su b>]（PMN-PT）作为实验中的压电材料,它是由弛豫铁电体Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃和铁电体PbTiO₃形成的一种固溶体。

在准同型相界处（MPB）有着优异的铁电性、压电性、热释电性和介电性,在能量采集器、传感器、存储器等领域应用广泛。

利用有限元多物理场分析软件COMSOL建立柔性压电能量采集器几何模型,分析对比PMN-PT和PZT在叉指电极结构下的电压输出,PMN-PT材料在叉指电极和金属-绝缘层-金属（MIM）电极下的电压输出,不同叉指电极间距下的电压输出,最终采用叉指结构,电极宽度和电极间距都为100μm。

利用MEMS加工工艺完成器件制造,使用光刻显影法制备叉指电极,化学机械抛光（CMP）工艺减薄抛光PMN-PT单晶到20μm,将PMN-PT单晶薄膜转移到柔性基底PET上,最终完成柔性器件制造。

自主搭建柔性压电能量采集器测试平台,对器件的输出电压和电流进行测试,实验结果表明器件输出电压可达13.5V,输出电流可达10.2μA。

PMN-PT材料的性质及应用光学王磊 13S011062一、PMN-PT晶体的性质自1970年后,透明铁电陶瓷引起了人们的广泛重视，随后人们发现这种材料在当代许多新技术如计算技术、显示技术、激光技术、全息存贮、微声技术以及光电子学诸领域中都有广阔的应用前景。

目前铌酸锂晶体作为一种非线性光学晶体材料,在光通信领域得到广泛应用"除了不能作光源探测器以外,铌酸锂晶体适合制作各种光的控制耦合和传输器件,如光隔离、放大、波导、调制等器件，但是由于生长技术长期得不到突破,人们一直在努力寻找性能更好、价格更便宜的新材料替代铌酸锂晶体。

于是,PLZT、PMN-PT的研究受到重视，很长一段时间以来,对PLZT和PMN-PT两系列陶瓷材料的研究主要集中在压电陶瓷的研究上,对透明光电陶瓷的研究也主要集中在PLZT系材料上，但是,PLZT显著的场诱导效应、偏振依赖散射损失以及高的滞后现象,使得该类透明光电陶瓷的应用受到了限制。

但是透明光电陶瓷材料PMN-PT却在较大程度上克服了上述困难,引起了人们的重视。

铌镁酸铅(PMN-PT)单晶材料作为一种新型的压电材料,具有高压电常数、大机电耦合系数、高介电常数、低损耗的特性，尤其压电性能比普通的压电材料要提高10倍左右，使得它可以在比传统的PZT压电陶瓷有更广泛的应用领域，如在声纳、叠层式驱动、超声成像、光学等方面已被广泛认识和应用。

但一直以来因其产量的困难和成本偏高，而阻碍了被大量选用，“联能科技”（SINOCERA）公司经过多年的开发及研究，现已做到了对2英寸 PMN-PT材料的批量化生产，并能按客户的要求选择设计成片状、块状、环型、桶型等类型。

如右图所示。

PMN-PT属于准二元固溶体系统，各种性能都与组份有密切的关系．该系统在PMN：PT=65：35附近存在着准同型相界，根据实验结果表明，在相界附近PT含量较低的一侧，系统的压电常数和耦合系数最高。

如图所示，图1中所用样品的切割方向为(001)，测得所取的最大值。

第52卷第9期2023年9月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.9September,2023铁电单晶三维定向的X 射线衍射方法唐海跃1,2,3,张文杰2,杨晓明2,苏榕冰2,王祖建2,龙西法2,3,何㊀超2,3(1.福州大学化学学院,福州㊀350108;2.中国科学院福建物质结构研究所,福州㊀350002;3.中国科学院大学福建学院,福州㊀350002)摘要:目前采用坩埚下降法生长的弛豫铁电单晶为圆柱状晶体,无自然结晶面,晶体在切割加工前必须进行三维定向㊂本文提出了一种利用粉末X 射线衍射仪和X 射线定向仪确定铁电单晶三维方向的简便方法㊂通过粉末X 射线衍射仪确定任意切割晶面的最强衍射峰,然后利用X 射线定向仪确定最强衍射峰准确的切割面,再通过X 射线定向仪确定两个晶面的交线方向,从而获取晶体的三维方向,进而指导晶体切割加工㊂使用该方法对Pb(Mg 1/3Nb 2/3)O 3-PbTiO 3铁电单晶进行三维定向,结果证明该定向方法具有准确度高㊁效率高㊁操作方便㊁晶体损耗少的特点㊂该方法也适用于其他晶体材料的定向㊂关键词:晶体定向;XRD;铁电单晶;三维定向;定向仪中图分类号:O73;O766.+3㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)09-1576-06Three-Dimensional Orientation of Ferroelectric Single Crystals Using X-Ray Diffraction MethodTANG Haiyue 1,2,3,ZHANG Wenjie 2,YANG Xiaoming 2,SU Rongbing 2,WANGH Zujian 2,LONG Xifa 2,3,HE Chao 2,3(1.College of Chemistry,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China;2.Fujian Institute of Research on the Structure of Matter,Chinese Academy of Science,Fuzhou 350002,China;3.Fujian College,University of Chinese Academy of Sciences,Fuzhou 350002,China)Abstract :The relaxor-based ferroelectric single crystals grown by vertical Bridgman method are cylindrical ingots with no natural crystallization face.The crystallographic orientations are required before cutting and processing.In this work,we proposed a simple method for determining crystallographic orientations of ferroelectric single crystal using powder X-ray diffractometer and X-ray orientation instrument.Firstly,the Miller indices of the strongest diffraction peak of arbitrarily cut plane are determined by a powder X-ray diffractometer.Secondly,the cut plane of crystal ingots is determined according to the Miller indices of the strongest diffraction peak by an X-ray orientation instrument.Thirdly,the intersection direction of the two crystallographic planes is obtained by X-ray orientation instrument.The three-dimensional orientations of ferroelectric single crystal are obtained based on the intersection direction and the crystallographic planes of the strongest diffraction peak.The application of this method to Pb(Mg 1/3Nb 2/3)O 3-PbTiO 3single crystals demonstrates that it is a high accurate,high efficient,convenient,and waste-free method for crystallographic orientation.In addition,this method is also suitable for other crystals.Key words :crystal orientation;XRD;ferroelectric single crystal;three-dimensional orientation;orientation instrument㊀㊀㊀收稿日期:2023-03-04㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(52172009,12275274);福建省工业引导项目(2020H0038,2021H0043);中国科学院青年培育项目(JCPYJJ-22032)㊀㊀作者简介:唐海跃(1999 ),男,江苏省人,硕士研究生㊂E-mail:tanghaiyue@ ㊀㊀通信作者:何㊀超,博士,研究员㊂E-mail:hechao@0㊀引㊀㊀言单晶材料是由结晶物质构成的固体材料,其所含的原子㊁离子㊁分子或基团等具有周期性的规则排列和平移对称性㊂单晶材料在尖端科学技术中有广泛的应用,单晶材料包括铁电晶体㊁激光晶体㊁半导体晶体㊁闪㊀第9期唐海跃等:铁电单晶三维定向的X射线衍射方法1577㊀烁晶体㊁电光晶体㊁声光晶体㊁磁光晶体等[1]㊂晶体的最大特征是各向异性,晶体的物理性质也是各向异性的,比如光学㊁电学㊁力学等物理性质都是有方向性的[2-3],因此,晶体在使用时必须明确晶向㊂目前大多数单晶都采用人工生长[4],人工生长单晶依据生长方法的不同形态不一,很多单晶没有明显的自然结晶面,例如提拉法㊁坩埚下降法生长的晶体都是圆柱状晶体[5-6],因此无法通过外形直观地对晶体进行三维定向㊂以Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)为代表的弛豫铁电单晶是性能优异的压电材料[7-8],其介电㊁压电㊁弹性性能都具有各向异性[3]㊂然而,PMN-PT单晶最常用的生长方法为坩埚下降法,得到的PMN-PT单晶为圆柱体,且受生长过程和单晶不同取向生长速率的影响,定向生长的单晶往往也会偏离籽晶取向[6]㊂因此对单晶进行加工和全矩阵性能测试前,必须进行三维定向㊂X射线衍射(XRD)方法是最常用的非破坏性结构检测和晶体定向方法[9-10]㊂常用的XRD仪器有单晶X射线衍射仪㊁X射线定向仪㊁粉末X射线衍射仪等[11]㊂其中,单晶X射线衍射仪只适用于微米级单晶的结构测定和定向[2,9];X射线定向仪只能测定已知晶面和标准结晶面的偏差,从而能进行精确一维定向,但没有三维定向功能㊂实验室目前使用比较多的台式粉末X射线衍射仪适用于粉末样品的结构测定,如果需要用其对单晶定向,则需要在衍射仪上增加三维样品旋转台[12-13],而对于如Rigaku公司的MiniFlex600台式X 射线粉末衍射仪等,不方便再增加三维样品旋转台㊂目前针对大尺寸单晶定向的XRD设备只有劳厄晶体定向仪,其能够快速准确对大尺寸单晶进行三维定向[14],但是价格昂贵,很多研究单位缺少相关设备,不利于广泛使用,耽误了研究周期㊂除了XRD外,还有通过光学信息进行定向的方法㊂一般使用光学显微镜观察晶片的形貌㊁干涉图等判断晶面取向㊂这类方法也有两个明显缺点:一是由于光学信息容易相互耦合掩盖,有时只能根据经验给出大致的方向,带有一定的盲目性,定向的精确度低㊁误差大;二是这种方法需要加工满足光学显微镜观察的晶片,对晶片的厚度㊁平整度等条件都有一定要求,因此晶片需要经过打磨抛光㊁退火等步骤,流程繁琐且耗时较长[15]㊂本文提出的单晶三维定向的X射线衍射方法,是利用实验室常用的粉末X射线衍射仪和X射线定向仪确定晶体三维方向的方法,通过确定两晶面交线,从而快速准确地确定铁电单晶的三维方向㊂1㊀方法与原理1.1㊀单晶的一维定向利用粉末X射线衍射仪和X射线定向仪来确定晶体的一维方向,需要知道研究材料的物相结构和晶胞参数㊂首先,可以从晶体上任意切割一小片晶片或是切割下来的晶片边角料研成粉末进行粉末X射线衍射分析㊂对衍射峰进行指标化,收集晶面指数(hkl)和2θ衍射角数据,方便后续定向参考㊂然后,从待测晶体上任意切割一片晶片,利用粉末X射线衍射仪对该晶片进行全谱X射线衍射分析㊂对于本工作中涉及的铁电晶体,调整切割角度很容易得到明显的衍射峰,如果没有衍射峰出现,则可以任意调整一下切割角度㊂最后,将得到的衍射峰和粉末X射线衍射指标化数据进行对比,就可确定切割晶片的衍射最强峰所对应的衍射晶面指数,记为(h1k1l1)㊂1.2㊀单晶的三维定向本文晶体定向操作主要在X射线定向仪(YX-2型,辽东射线仪器有限公司)上完成,其具有可以旋转的样品台和信号接收器,可以完成晶体的一维定向㊂利用此性质,本文提出了简便的三维定向方法,通过在具有标准密勒指数的测试晶面(h1k1l1)内获取晶体另一个晶面(h2k2l2)的衍射信号,从而在(h1k1l1)晶面内确定与(h2k2l2)晶面的交线方向[uvw],如图1(a)所示㊂根据结晶面(h1k1l1)和[uvw]方向就可完成晶体三维方向的确定㊂δ定义为晶面(h1k1l1)和晶面(h2k2l2)之间的夹角㊂δ需要满足公式(1)或(2)的条件:θ2-δ>0(1)θ2+δ<φ(2)式中:θ2为(h2k2l2)晶面的衍射角,φ为样品台量程㊂选择的晶面(h2k2l2)和晶面(h1k1l1)之间的夹角δ如果过大,则衍射发生条件很容易超出X射线定向仪的量程,接收不到晶面(h2k2l2)的衍射信号㊂因此,晶面1578㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷(h 2k 2l 2)选择要以δ最小为原则㊂图1(b)为晶面(h 2k 2l 2)选择示意图,A㊁B㊁C 面都可以和晶面(h 1k 1l 1)相交的前提下,按照晶面夹角小的原则,选择A 晶面作为晶面(h 2k 2l 2)的最优选择㊂图1㊀晶体三维定向示意图㊂(a)发生衍射时晶面(h 1k 1l 1)和晶面(h 2k 2l 2)交线示意图;(b)晶面(h 2k 2l 2)选择示意图Fig.1㊀Diagram of three-dimensional crystal orientation.(a)Diagram of intersection line between crystal plane (h 1k 1l 1)and crystal plane (h 2k 2l 2)when diffraction occurs;(b)diagram of crystal plane (h 2k 2l 2)selection 2㊀应用与实例下面通过实例来说明本文提供的单晶三维定向方法的具体过程㊂待测单晶为用坩埚下降法生长的0.72Pb(Mg 1/3Nb 2/3)O 3-0.28PbTiO 3(PMN-28PT)单晶,单晶外形为圆柱状[3],无自然结晶面,无法通过自然生长面确定晶体的晶向㊂实验的目的是随机从任意角度切割晶体,通过本文提供的单晶三维定向方法的指导,确定PMN-28PT 单晶的三维方向,并切出(001)面的晶片㊂下述例中,采用的X 射线粉末衍射仪为Rigaku 公司的MiniFlex 600台式X 射线粉末衍射仪㊂采用的X 射定向仪为辽东射线仪器有限公司的YX-2型X射线图2㊀PMN-28PT 单晶的粉末XRD 图谱Fig.2㊀Powder XRD pattern of PMN-28PT single crystal 定向仪,其样品台的量程为0ʎ~60ʎ,相应的X 射线信号接收器的量程为0ʎ~120ʎ㊂切割过程中的边角余料可以先研成粉末做粉末X 射线衍射测试㊂图2给出了PMN-28PT 单晶的粉末XRD图谱并进行了指标化㊂需要说明的是PMN-28PT 晶体虽然具有三方晶系结构,但是其晶胞参数α接近90ʎ,故也被看作是赝立方相㊂因此在三维定向时,可以立方晶系来处理[16],晶面间的夹角δ根据公式(3)进行计算㊂表1给出了不同晶面对应的衍射角(2θ)的大约角度,方便后面定向使用㊂cos δ=h 1h 2+k 1k 2+l 1l 2㊀(h 21+k 21+l 21)(h 22+k 22+l 22)(3)表1㊀PMN-28PT 单晶不同晶面对应的衍射角(2θ)Table 1㊀Diffraction angle (2θ)of several crystal planes of PMN-28PT(hkl )(100)(110)(111)(200)(211)(220)(221)/(300)(310)(311)2θ/(ʎ)~22~31~39~44~56~65~70~74~782.1㊀一维方向为[111]从PMN-28PT 单晶任意切割一片测试晶片,其XRD 图谱如图3(a)所示,显示最强衍射峰为(111)㊂通过X 射线定向仪测定切割面和(111)晶面的偏差,本例中切割面与(111)晶面的横向偏角为2ʎ04ᶄ,纵向偏角为2ʎ14ᶄ㊂这里横向偏角和纵向偏角是指测试晶片与标准(111)面在任意正交方向上的偏差㊂通过调整切㊀第9期唐海跃等:铁电单晶三维定向的X 射线衍射方法1579㊀割角度,得到(111)切割面,即为(h 1k 1l 1),其XRD 图谱如图3(b)所示㊂根据1.2小节的分析选定一个晶面(h 2k 2l 2)对晶体进行三维定向㊂通过公式(3)计算可知,(111)面与(100)面晶面夹角δ为54.7ʎ,而(100)面的衍射角θ2约为11.0ʎ,根据前面X 射线定向仪的量程条件的结论,显然,将晶面(100)选为(h 2k 2l 2)面不能满足衍射条件㊂而(111)面与(211)面晶面夹角δ为19.5ʎ,(211)面的衍射角θ2约为28.0ʎ㊂相应的θ2-δ和θ2+δ分别为8.5ʎ和47.5ʎ,满足X 射线定向仪衍射条件㊂因此,选择(211)面作为定向的晶面(h 2k 2l 2)㊂(111)面与(211)面交线的晶向指数为[011],如图4(a)所示㊂将待测晶体(111)切割面置于X 射线定向样品的8.5ʎ或47.5ʎ位置,X 射线接收器置于2θ2的56ʎ位置,绕待测晶体(111)切割面的法线方向360ʎ旋转晶体㊂当晶体旋转到某一角度后,在X 射线接收器可接收到衍射信号㊂此时可确定(111)面与(211)面交线方向为[011],如图1(a)和图4(a)所示㊂通过晶面(111)和[011]晶向就可以确定晶体的三维方向㊂这时候,如果需要切割出(100)面的单晶元件,只需要由(111)面绕着交线旋转54.7ʎ㊂图5为最终切割出的晶面的XRD 图谱,因此确定为(100)面㊂图3㊀XRD 图谱㊂(a)测试晶片的XRD 图谱,显示最强衍射峰为(111);(b)(111)面的XRD 图谱Fig.3㊀XRD patterns.(a)XRD pattern of the cut wafer showing that the strongest diffraction peak is (111);(b)XRD pattern of (111)plane 图4㊀[uvw ]示意图㊂(a)(111)面与(211)面;(b)(211)面与(311)面;(c)(110)面与(310)面Fig.4㊀Diagram of [uvw ].(a)(111)and (211)plane;(b)(211)and (311)plane;(c)(110)and (310)plane 2.2㊀一维方向为[211]同2.1小节,若已经获得了PMN-28PT 单晶的(211)切割面,接下来则是以与(211)面的夹角尽量小为原则,选定合适的(h 2k 2l 2),通过公式(3)计算可知,(311)面与(211)面晶面夹角δ为10.0ʎ,(311)面的衍射角θ2约为39.0ʎ,相应的θ2-δ或θ2+δ分别为29.0ʎ和49.0ʎ,均在样品台的量程之内,因此适合将(311)面选为(h 2k 2l 2)面㊂如图4(b)所示,(311)面与(211)面交线的晶向指数为[011],将待测晶体(211)切割面置于X 射线定向样品台的29.0ʎ或49.0ʎ位置,X 射线接收器置于2θ2的78.0ʎ位置,绕待测晶体(211)切割面的法线方向360ʎ旋转晶体㊂当晶体旋转到某一角度后,在X 射线接收器可接收到衍射信号,此时可确定(211)面与1580㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷图5㊀晶体的三维方向确定后切下的(100)切割面的XRD 图谱Fig.5㊀XRD pattern of (100)plane cutted after three-dimensional orientation of crystal were determined(311)面交线方向[011],如图1(a)和图4(b)所示㊂通过晶面(211)和[011]晶向就可以确定晶体的三维方向㊂2.3㊀一维方向为[110]同2.1小节,若已经确定了PMN-28PT 单晶的标准(110)面,接下来则是以与(110)面的夹角尽量小为原则,选定合适的(h 2k 2l 2),通过公式(3)计算可知,(110)面与(100)面晶面夹角δ为45.0ʎ,而(100)面的衍射角θ2约为11.0ʎ,根据前面X 射线定向仪的量程条件的结论,显然,将晶面(100)选为(h 2k 2l 2)面是最佳选择㊂而(110)面与(310)面晶面夹角δ为26.5ʎ,(310)面的衍射角θ2约为37.0ʎ㊂相应的θ2-δ和θ2+δ分别为10.5ʎ和63.5ʎ,前者位于量程范围内,足以满足X 射线定向仪衍射条件㊂因此适合将(310)面作为(h 2k 2l 2)面㊂如图4(c)所示,(310)面与(110)面交线的晶向指数为[001],将待测晶体(110)切割面置于X 射线定向样品台的10.5ʎ位置,X 射线接收器置于2θ2的74.0ʎ位置,绕待测晶体(110)切割面的法线方向360ʎ旋转晶体㊂当晶体旋转到某一角度后,在X 射线接收器可接收到衍射信号,此时可确定(310)面与(110)面交线方向[001],如图1(a)和图4(c)所示㊂通过晶面(110)和[001]晶向就可以确定晶体的三维方向㊂以上三种情况本只是该方法的几个典例,证明了该方法能够在仅使用普通X 射线定向仪的条件下完成晶体的三维定向,并且准确度和操作效率都能够较好地满足实际需求㊂此外,在实验中使用本方法时,可根据具体情况具体分析,在确定的(h 1k 1l 1)面的前提下,选定合适的(h 2k 2l 2)面,从而充分地利用有限的定向仪量程,确定晶体的三维方向㊂表2给出了在使用该方法进行PMN-28PT 单晶定向时可能用到的(h 2k 2l 2)面的对应角度及相关数据㊂表2㊀PMN-28PT 单晶三维定向中可能用到的(h 2k 2l 2)面及其相关数据Table 2㊀Possible use of (h 2k 2l 2)plane and related data in three-dimensional orientation of PMN-28PT single crystals (h 1k 1l 1)(h 2k 2l 2)[uvw ]2θ12θ2δθ2-δθ2+δ(111)(211)[011]~39.0ʎ~56.0ʎ19.5ʎ~8.5ʎ~47.5ʎ(211)(311)[011]~56.0ʎ~78.0ʎ10.0ʎ~29.0ʎ~49.0ʎ(110)(310)[001]~31.0ʎ~74.0ʎ26.5ʎ~10.5ʎ~63.5ʎ(100)(210)[001]~22.0ʎ~50.0ʎ26.5ʎ~-1.5ʎ~51.5ʎ(200)(310)[001]~44.0ʎ~74.0ʎ18.4ʎ~18.6ʎ~55.4ʎ(210)(310)[001]~50.0ʎ~74.0ʎ8.1ʎ~28.9ʎ~45.1ʎ(221)(211)[102]~70.0ʎ~56.0ʎ17.7ʎ~10.3ʎ~45.7ʎ3㊀结㊀㊀论本文通过利用常用的粉末X 射线衍射仪和X 射线定向仪提供了一种大尺寸单晶三维定向的方法,并通过对PMN-PT 单晶的三维定向验证了该方法㊂该方法具有以下几个优点:1)利用常用的粉末X 射线衍射仪和X 射线定向仪,无须对现有设备改装和增加额外装置;2)对单晶尺寸和形状没有要求,只要切割出能进行粉末X 射线衍射的晶片即可,对晶体损耗小;3)该定向方法具有准确度高㊁效率高㊁操作方便的特点㊂本方法适用于各类大尺寸铁电单晶的三维定向,而对于其他晶系的晶体,从定向原理来分析是可行的,但其实用性有可能会受到具体晶体结构和晶胞参数等特征的制约,将来需要对其他晶系的晶体进行进一步验证㊂参考文献[1]㊀秦㊀善.晶体学基础[M].北京:北京大学出版社,2006.㊀第9期唐海跃等:铁电单晶三维定向的X射线衍射方法1581㊀QING S.Fundamental of crystallography[M].Beijing:Peking University Press,2006(in Chinese).[2]㊀SHA H Y,XU J X,XIONG Z Y,et al.An optimized KBe2BO3F2-like structure:the unity of deep-ultraviolet 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Crystals,2014,43(5):1092-1098(in Chinese).。

不同晶向PMn-32PT单晶铁电性能与蠕变行为研究
的开题报告
本研究将重点研究不同晶向PMn-32PT单晶的铁电性能和蠕变行为。

PMn-32PT是具有铁电、压电和弹性形状记忆效应的重要单晶材料，具有广泛的应用前景，例如在传感器、驱动器、微机电系统等领域。

首先，我们将通过X射线衍射仪对PMn-32PT单晶进行晶体结构表征，确定晶体的晶向。

然后，利用极化曲线测量仪和压电测试系统测量
不同晶向PMn-32PT单晶的铁电性能，包括铁电畴的大小、压电常数和饱和极化强度等参数。

此外，我们还将研究不同晶向PMn-32PT单晶的抗疲劳性能和疲劳损伤机理。

其次，我们将使用压痕法和拉伸试验仪测量不同晶向PMn-32PT单
晶的蠕变行为，分析晶向对其蠕变行为的影响规律，探究其蠕变机制。

我们将重点研究PMn-32PT单晶的缺陷演化规律，例如晶体缺陷的生成、扩散和聚合过程。

最后，我们将运用原子力显微镜和透射电镜等表征手段，对不同晶
向PMn-32PT单晶的微观结构和能带结构进行表征和分析，探究其铁电性能和蠕变行为的微观起源和基础机制。

本研究的目标是综合掌握PMn-32PT单晶的铁电性能和蠕变行为，
为其应用提供基础和指导，也可为其他铁电材料的高性能设计和制备提
供参考。

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。

不同热处理工艺和极化PMNPT铁电晶开题报告1毕业设计（论文）综述1.1研究背景PMN-PT它是一种新型驰豫型铁电体，由于具有优越的压电性备受关注。

PMN-PT光电透明陶瓷属于钙钛矿型多晶结构，可以用ABO3表示:(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT)。

其中A位为Pb元素，B位为Mg、Nb和Ti元素。

为了达到最佳的透光效果和电光系数，某些元素如Ba或La被加入到PMN-PT中，部分取代A位的Pb元素。

PMN-PT材料成分分布被分为3个主要区域：二次方区、存储区和线性区。

光电材料的成分主要分布在二次方区域，且二次方区域的x取值为0.1～0.35。

PMN—PT是具有各向同性的最小能量稳定结构和易被扭曲的电场。

在外电场作用下，所有的畴都倾向于外电场排列，即发生极化，光就会产生双折射，从而表现出很强的电光效应。

没有外加电场作用下的晶体，正电荷和负电荷的重心是不重合的，呈现出了电偶极矩现象。

晶体内部会自发极化。

可以发生自发极化，且方向能够因外施电场方向的反向而反向的晶体，称为铁电晶体。

、这种性质称之为铁电性。

具有铁电性的晶体称为铁电体若晶体产生自发极化那么晶体两侧就会在自发极化所对应的方向上表现出不同的极性，两端分别附着一层束缚电荷，且电荷异号，从而产生电场，但是电场在晶体内部的方向与极化的方向相反，称电场为退极化场，随之升高的还有静电能。

当受到机械的约束时，将增加自发极化所产生的应变能，因此晶体的状态在极化均勻的情况下是不稳定存在的。

在施加交变电场的情况下，铁电体的极化强度与场强有一定的关系，显示的曲线称电滞回线，如图1.1所示。

图1.1铁电体的电滞回线电滞回线的产生是由于铁电晶体中存在铁电畴。

当给铁电体施加外电场的条件下，与电场方向相同的电畴会形成新的畴核，畴壁会相应的开始运动，使得电畴的体积会快速的增大，而与电场方向相反的电畴则会消失。

矫顽电场的强度与温度以及频率都有很大的关系，通常随着温度的增加而下降，随着频率的增加而增大。

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。

2014 年春季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目：现代光学材料与技术选讲学生所在院（系）：理学院物理系学生所在学科：姓名：学号：学生类别：统招题目：PMN-PT功能材料PMN-PT功能材料1、PMT-PT功能材料的定义及性质研究PMN—PT它是一种新型驰豫型铁电体，由于具有优越的压电性备受关注。

PMN-PT光电透明陶瓷属于钙钛矿型多晶结构，可以用ABO3表示:(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT)。

其中A位为Pb元素，B位为Mg、Nb和Ti元素。

为了达到最佳的透光效果和电光系数，某些元素如Ba或La被加入到PMN-PT中，部分取代A位的Pb元素。

PMN-PT材料成分分布被分为3个主要区域:二次方区、存储区和线性区。

光电材料的成分主要分布在二次方区域，且二次方区域的x取值为0.1～0.35。

PMN—PT是具有各向同性的最小能量稳定结构和易被扭曲的电场。

在外电场作用下，所有的畴都倾向于外电场排列，即发生极化，光就会产生双折射，从而表现出很强的电光效应。

下图所示为ABO型3钙钛矿石基本结构单元。

图1ABO型钙钛矿石基本结构单元32、PMT-PT的制备工艺2.1.氛化物固相反应法要求反复高温锻烧(>900℃)和长时间保温(一24h)，使在较低温度下首先生成的烧绿石相转变为钙钦矿相。

重复锻烧过程增大了钙钦矿相量，但因为Mgo与烧绿石相反应的活性低，仍然有较多的烧绿石相存在。

2.2、二步合成法烧绿石相在较低温度下就能生成，而且很难转变为钙钦矿相。

二步合成法就是要通过形成一种中间物质来绕过烧绿石相的形成过程，依据中间物质的不同，主要有两种。

（1）铌铁矿法：g M O 和25Nb O 预先反应合成妮铁MgNb2O6，其结构与PMN 的结构很相似，然后与扩散能力强的PbO 与之反应生成PMN 。

（2）钨猛铁矿法：PbO 和25Nb O 首先合成钨锰铁矿32b P Nb O :等B 空位的中间物质，然后与g M O 合成钙钦矿型PMN 陶瓷。