四方相铌镁酸铅—钛酸铅(PMN—PT)铁电单晶的弹性、介电、压电和机电性能

值 ，介 电 峰 尖 锐 ； 外 ，一 个 明 显 的 热 滞 被 此
图 ２Ｐ ＭＮＴ ２ ３ ６ ／ Ｓ单晶组成的粉末 ＸＲ Ｄ Ｆｇ ２Ｘ Ｄ ａ ａ ｓ ｒ ＭＮ ６ ／８ｓ ｇ ｙｔ ｉ． Ｒ ｎ ｌ ｉｆ ｙ ｓｏ Ｐ Ｔ ２ ３ ｎ ｌｃ ｓａ ｉ ｅｒ ｌ
表 １ ＰＭ ＮＴ６ ／ ８单 晶的五种 不同振动模式 的样品尺寸 ，居里温度及其谐振频率和反谐振频率 及其由 ２３
此 计 算 得 来 的 机 电 耦 合 系数
Ｔ ｂｅ １ ａ ｌ Ｄｉ ｎ ｉｎ ｃ ｒｅｔｍｐ ｒ ｔ ｒ （ ） ｒ ｓ ｎ ｎ ｅａ ｄ ａ ｔ ｒｓ ｎ ｎ ｅｆｅ ｕ ｎ ｉｓａ ｄ ｍｅ ｓ ， ｕ ｉ ｅ ｅ ａｕ ｅ ， ｅｏ ａ ｃ ｎ ｉ ｅ ｏ ａ ｃ ｒ ｑ ｅ ｃｅ ｎ ｏ ｎ －
ｄ ｔ ｒ ｉ ｈｅ ｆ Ｉ ｓ ｔ ｏ ｌ ｃ ｒ ｍ ｅ ｈａ ｃ ｌ ｃ ａ Ｒ － ｅ ｅ ｍ ｎｅ ｔ ｕ Ｉ ｅ ｆｅ ｅ ｔ ｏ ｃ ｎｉ ａ ｈ ｒ ｃ
ｔｒ ａｉｎｏ ＭＮＴ ２ ３ ｒｓａｓ ｅｉ ｔ ｆ ｚ ｏ Ｐ ６ ／８ｃｙ ｔｌ
面镀 上烧 银 电极 ，在 ｌＶ ｍｍ 的 电场 下极 ｋ／ 化． Ｐ Ｔ ２３ 单 晶的介温 特性 和谐 振性 ＭＮ ６／ ８ 能 用 ＨＰ １ ２ 低 频 阻 抗 分 析 仪 测 得 ．表 Ｉ ４ ９Ａ 列 出 了 五 种 测 试 用 样 品 的 尺 寸 ，居 里 温 度 和 用 谐 振 法 测 得 的 不 同 振 动 模 式 的 谐 振 频 率 和 反 谐 振 频 率 及 其 由 此 计 算 的 机 电 耦 合 系数．
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无 机 材 料 学 报 １ ８卷
Ｚ
２ 晶体 生 长 与 实 验
采 用 改 进 的 Ｂｒ ｇ ｎ 法 【５ ｉ ｍａ ｄ ４ 】进 行 ，
Ｐ Ｔ ２３ ＭＮ ６ ／８单 晶 的生 长 ． Ｐ Ｔ ２３ ＭＮ ６ ／８单 晶 的 结 构 用 粉 末 ＸＲ 确 定 ． 用 Ｌ ｕ Ｄ ａ ｅ衍 射 法 确 定 晶 体 的 两 个 结 晶 学 平 面 ： （０）面 １０ 和 （１） ．图 １ 测 量 Ｐ Ｔ ２ ３ １０ 面 是 ＭＮ ６ ／ ８单 晶 机 电性 能 的 五 种 ｚ 样 品 的 示 意 图 ．五 种 一切 样 品 的 尺 寸 由 Ｉ ＥＥ 压 电 标 准 【 决 定 ．为 Ｅ ６ 】 了 减 少 晶 体 生 长 过 程 中 由 于 分 凝 【 引 起 的 ７ 】
自由介 电常量 ￡ ￡ 和受夹介 电常量 ￡ ， 通过样品的低频 电容 （ Ｈ ） ， 嘉￡ １ ｚ 和高频 电容 ｋ （ ＭＨ ） １ ｚ 计算得到 ； ０ 弹性顺度系数 ｓ ， 嚣 １ ＞和机 电耦合系数 １ｋ１１ ＞可以从长条片 嚣 ｓ ＜１ ｏ ３，３ １ ＜０ 的横向伸缩振动模式测得的谐振和反谐振频率计算得来 ， 同样， ｓ 器和 ｋ３ ３ 由棒的纵向长度 伸缩振动模式确定 ， 弹性刚度系数 ｃ 翕和 ｋ５ 由面切变振动模式确定 ；ｃ 和 ｋ 由厚度振动 磊 ｔ
单 晶 在 室 温 下 是 四 方 相 （ ２． 图 ３ 是 图 ） Ｐ ＭＮＴ ２ ３ 单 晶 极 化 和 退 极 化 的 介 电 常 ６ ／８ 数实部 ￡ ｒ与 温 度 和 频 率 （，１０ Ｈ ）的 １ ０ｋ ｚ ￣ 关 系 ．从 图 ２ 中 可 看 出 ，极 化 和 退 极 化 的 Ｐ Ｔ６ ／８单 晶 样 品 的 介 温 特 性 呈 现 了 一 ＭＮ ２ ３ 级 相 变 的 特 征 ：在 测 试 的 温 度 范 围 内 ，介 电 常 量 无 明 显 的 频 率 色 散 现 象 ， 并 且 在 相 变 温 度 附 近 ，介 电 常 数 急 剧 升 高 出 现 最 大
致 伸缩 应 变最 大 可达 １ ％【＇ Ｐ （ｒＴ１ｘ０ Ｐ Ｔ 压 电陶 瓷 的机 电耦 合 系数 ｋ３ ０７， ． ２ 而 ｂＺ ｉ ） ３（Ｚ ） ７ Ｊ － ３— ． ５
压 电常 量 ｄ３ ７ ０ Ｃ Ｎ 引 如 此优 异 的压 电和 电致 伸缩 性 能使得 Ｐ Ｔ和 Ｐ Ｎ ３ ￣ ０ ｐ ／ ［． ＭＮ Ｚ Ｔ单 晶 能在 超 声 换 能 与 机 电转 换 领 域 获 得 重 要 应 用 ． Ｐ Ｔ单 晶是复 合钙 钛矿 结构的 固溶体 ， 温呈顺 电相 结构 （ ｍ ｍ）温 度 降低 时， ＭＮ 高 Ｐ ３ ， 随着 Ｐ Ｔ含 量 的不 同，呈现 三方铁 电相 （ ３ 或 四方 铁 电相 （４ Ｒ ｍ） Ｐ ｍｍ） 在 ｘ ０ ３ ０ ５ ，存 在一 ． ＝ ．￣ ． 时 ３ ３ 个 三方 和 四方 相 共存 的 准 同型 相界 （ Ｂ ． ｂＭｇ／Ｎ ２ ） —８ ｂ ｉ ３（ ＭＮ ６ ／８ 的 ＭＰ ）Ｐ （ ｌ ｂ／ ０３ ％Ｐ Ｔ Ｏ Ｐ Ｔ ２ ３ ） ３ ３ ３ Ｐ 含 量 为 ３ ｍｏ％， Ｔ ８ ｉ 已偏 离 了 准 同 型 相 界 附近 的 组 成 ，室 温 下 呈 四 方 相 ，自发 极 化 沿 ＜ ０ １＞ ０ 方 向 ． 目前 许 多 有 关 弛 豫 铁 电 单 晶 Ｐ ＭＮＴ 的 工 作 主 要 集 中 在 相 界 附 近 和 偏 三 方 组 成 的 介 电 和 压 电性 能 ，而 对 于 四 方 相 的 Ｐ ＭＮＴ单 晶 的 介 电 性 能 和 压 电性 能 报 道 的 文 章 相 对 较 少 ．本 文主 要 利用 Ｈ ４ ９Ａ 阻抗 分析 仪来 研 究 Ｐ Ｔ ２３ Ｐ １２ ＭＮ ６／８单 晶 的介温 特性 并 测量 一套 完 整 的弹 性 、介 电 、压 电 和 机 电耦 合 系 数 ，为 理 论 研 究 和 器 件 设 计 提 供 一 套 完 整 的 数 据 ，以 便 更 好 的 了解 Ｐ ＭＮＴ 铁 电单 晶 ．
定 ２ １０ ） ０ ８ ０ 摘 要 ： 研 究 了 四 方 相 弛 豫 铁 电单 晶 Ｐ （ ｘ Ｎｂ／） —８ ｂ ｉ ３（ ＭＮＴ ２３ ）的 介 ｂ Ｍｇ／ ２３０３ ％Ｐ Ｔ Ｏ Ｐ ３ ３ ６／８ 温 特 性 ，并 利 用 ＨＰ １ ２ 阻 抗 分 析 仪 测 量 了 Ｐ Ｔ ２ ３ ４９Ａ ＭＮ ６ ／ ８单 晶 完 整 的一 套 弹 性 、介 电 、压 电 和 机 电耦 合 系 数 ，为 理论 研 究 和 器 件 设 计 提 供 了参 考 ，其 居 里 点 ￣１ ４ Ｃ ；压 电应 变 常 －７。 ， 量 ｄ３￣ ０ ｐ Ｎ ；介 电常 数 ｇ３－ ３ ， ｌ ４ ０ ； 电耦 合 因数 ｋ３－ ４６ ｋ －６ ． ３ ３ ０ Ｃ／ ３ － ４ ｇｌ￣ ３ １ 机 ， ７ ３ － ． ， ％， ｔ － ０ ％， ８ ， ８
ｋ １ － ４５ ． ｘ － ５９ ． ３ － ４ ．％ ｋ ５－ ４ ．％ ， ，
关
键
词 ：ＰＭＮ ＰＴ 单 晶 ；弹 性 、介 电 、压 电 和 机 电耦 合 系数 ；谐 振 一反谐 振 法 － 文 献 标 识 码 ：Ａ
中 图 分 类 号 ：Ｏ ３ ７８
１ 引 言
铅基 复 合钙 钛矿 弛豫 铁 电单 晶 （ 一ｘＰ （ ， Ｎ ２３０ 一Ｐ Ｔ Ｏ Ｐ Ｔ 和 （ 一ｙＰ １ ） ｂＭｇ／ ｂ／） ３ ｂ ｉ ３（ＭＮ ） ３ ｘ １ ）ｂ （ｎ／Ｎ ２ ） ３ Ｐ Ｔ Ｏ （ Ｚ Ｔ 的成 功 生长被认 为是 铁 电界领域 ５ 年历 史 中的 一次激 动人 Ｚ ｌ ｂ ／ ０ 一 ｂ ｉ ３Ｐ Ｎ ） ３ ３ ｙ ０ 心的 突破 【＿ ｌ 它们 的压 电常量 ｄ３ Ｊ ３ 可达 １０ ￣ ０ ０ Ｃ Ｎ 机 电耦 合 系数 ｋ３ 达 ０９ － ． ， ５ ０ ２ ０ｐ ／ ， ３可 ． ， ９ 电 ２， ４ ０
ｅ ｅ ｔ ｏｍ ｅｃ ｌｃ ｒ ｈａｎｉ ａ ｏｅ ｃ ｅｎｔ ｖｅ ｔ ｓ ａ ｐｌ ｓ ｏｆ ｄｉ ｅｒ ｃ ｌｃ ｆ ｉ ｉ ｓ ｏｆ ｆ ｅ ｔ ｓ ｍ ｉ ｅ ｆ ｅｎｔ ｖｉ ａｔ ｏｎ ｏｄｅｓ ｆ ｂｒ ｉ ｍ ｏｒ
Ｐ ＮＴ６ ／ Ｓｓ ｇｅｃｙ ｔｌ Ｍ ２ ３ ｉ ｌ ｒ ｓａ ｎ
模 式 确 定 ．其 它 系 数 可 以 通 过 四 套 压 电方 程 得 到 ．样 品 的 密 度 可 以 根 据 阿 基 米 德 原 理 测 得 ．
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ｌ Ｉ Ｉ ｌ ； ｛ § ； ｛ ｉ ｝ ｆ 铅 ・ 酸 铅 （ ＭＮ Ｐ ） 电单 晶 的 弹性 、介 电 、压 电和 机 电性 能 ４ ７ 四 钛 Ｐ －Ｔ 铁 ６
观 察 到 ： 温 过 程 中 的 铁 电 一 电 相 变 发 生 升 顺 在 １６９ Ｃ， 温 过 程 中 的 顺 电 ． 电 相 变 ７ ．。 降 铁
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图 １ 测量 Ｐ ＭＮ ６ ／ ８单晶的弹性 、 电、压电 Ｔ ２３ 介
和 机 电耦 合 系 数 的五 种 不 同 振 动模 式 的 样 品切 型 示
意 图
Ｆｉ ． １ Ｓｃ ｅ ａ ｉ ｆｔ ｖ ｅ ｔｓ ｍ ｐｌｓ ｕ ｅ ｏ ｇ ｈ ｍ ｔｃ ｏ ｈｅｆ ｅ ｔ ｓ ａ ｉ ｅ ｓ ｄｔ
收 稿 日期 ： ０ ２ ０ － １ ２ ０ － ２ ０ ，收到 修 改 稿 日期 ： ０ ２ ３ ８ ２０－ － ０ ０
基 金 项 目 ｔ 国 家 自然 科 学 基 金 （９ ９５ ０ ； ５ ９ ５ ２ ） 上海 市 基 金 （０２ ７ １） ０ ５ ０ ０ ５ 作 者 简 介 Ｉ 一 虎 （９ ６ ）男 ，硬 士研 究 生 ． １７＿ ， － Ｅ ｍａｌ ｃｏ ｕ ｏｍａｌ ｏ － ｉ ａ ｈ Ｑｈ ｔ ｉｃ ｒ ： ．ｎ
组 分 不 一 致 而 导 致 的 测 量 误 差 ， 测 试 用 的
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，
样 品 尽 量 从 同 一 部 位 切 割 ．居 里 温 度 能 较 好 的 反 映 出 材 料 的 组 成 ， 因 此 样 品 尽 量 选 取 居 里 温 度 （ ）比 较 接 近 的 晶 片 ．样 品 表
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第１ ８卷 第 ２期
２０ ０ ３年 ３月
无
机
材
料
学
报
Ｖｏ ． １ ，Ｎｏ １ ８ ．２
Ｍａ ． ０３ ｒ ，２ ０
Ｊ ｕ ｎａ ｆＩ ｏ ｇ ｎ ｃ Ｍ ａ ｅ ｉ ｌ ｏ ｒ ｌｏ ｎ ｒ ａ ｉ ｔ ｒａｓ
文章编号： ００３４ （０３０—４ ５ ５ １０—２ Ｘ ２０ ）２０６— ０
四 方 相 铌 镁 酸 铅 一 酸 铅 （ ＭＮ— 钛 Ｐ ＰＴ） 电 单 晶 的 弹 性 、 铁 介 电 、压 电 和 机 电 性 能
曹 虎 ，方 必 军 ，徐 海 清 ，罗 豪廷
（ 国科 学院 上海 硅 酸 盐研 究 所 高性 能 陶 瓷 和超 微 结 构 国 家重 点 实验 室，上 海 嘉 中
３ 结 果 和 讨 论
３１ ． ＰＭＮＴ ２ ３ ６ ／ ８单 晶的介 温特 性 ＰＭＮ 的 顺 电 一 电相 变 属 典 型 的 弥 散 型 相 变 ，而 Ｐ 的 相 变 则 属 于 普 通 的 一 级 相 变 ． 铁 Ｔ 作 为 压 电 材 料 的 Ｐ ． Ｔ 的 固 溶 体 ，其 组 成 处 于 两 者 之 间 ，相 变 的 弥散 程 度 随 Ｐ 含 量 的 ＭＮ Ｐ Ｔ 增 加 而 减 小 ，到 Ｐ 含 量 ＞３ ｍｏ％ 时 ， 为 Ｔ ４ １ 变 普 通 铁 电体 Ｉ． 末 ＸＲＤ确 定 Ｐ ｓ 粉 】 ＭＮＴ ２ ３ ６ ／８