鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛鐵電單晶機(jī)電性能與疇結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性研究.pdf

1、鐵電材料是一類重要的功能材料，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)化，因此成為很多機(jī)電器件中的核心材料。(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PZN-PT)鐵電單晶因具有優(yōu)異的機(jī)電性能而受到廣泛關(guān)注。材料的宏觀性質(zhì)是由其微觀結(jié)構(gòu)所決定的，PZN-PT鐵電單晶的宏觀機(jī)電性能必然與其鐵電疇結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。鐵電疇結(jié)構(gòu)的微小變化，可能引起晶體宏觀機(jī)電性質(zhì)的顯著變化，因此不同課題組測得的PZN-PT單晶機(jī)電性質(zhì)往往存在明顯差異，這對此

2、材料在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性帶來很大影響。但目前國內(nèi)外對PZN-PT單晶的宏觀機(jī)電性能與其鐵電疇結(jié)構(gòu)之間關(guān)聯(lián)性的研究還非常少見。此外，實(shí)際多疇PZN-PT鐵電單晶中存在大量的疇壁，但在很多理論研究中都忽略了疇壁的存在，致使一些理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)規(guī)律相違背，這嚴(yán)重影響了機(jī)電器件的設(shè)計。針對以上問題，本論文采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，主要研究了新型鐵電單晶PZN-PT的鐵電疇結(jié)構(gòu)對材料宏觀機(jī)電性能的影響，并討論了疇壁性質(zhì)及其對晶體宏觀機(jī)電性能的影響

3、。
　　本文采用疇工程和高溫極化技術(shù)對離準(zhǔn)同型相界相對較遠(yuǎn)的PZN-6％PT單晶的鐵電疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，優(yōu)化了材料的宏觀機(jī)電性能，研究了[001]c取向的PZN-6%PT單晶的鐵電疇結(jié)構(gòu)對材料宏觀機(jī)電性能的影響。結(jié)果表明：在研究范圍內(nèi)，鐵電疇尺寸越小，PZN-6%PT單晶的壓電性能越優(yōu)異。當(dāng)疇的尺寸約為8μm時，PZN-6%PT單晶的縱向機(jī)電耦合系數(shù)達(dá)到0.95，縱向壓電系數(shù)高達(dá)3425pC/N，比文獻(xiàn)報道的PZN-6%PT壓電系數(shù)

4、提高42.7%。此外，具有優(yōu)異壓電性能的PZN-6%PT單晶中孿生疇呈層狀排列，并存在大量的71°中性疇壁，而并非文獻(xiàn)中通常假定的帶電疇壁。
　　在不同溫度和電場下研究了準(zhǔn)同型相界附近的PZN-9%PT單晶的宏觀機(jī)電性能與其鐵電疇結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。結(jié)果表明：在室溫下，保持一定的極化時間，通過調(diào)節(jié)極化電場，可以控制其鐵電疇結(jié)構(gòu)，優(yōu)化材料的宏觀機(jī)電性能。室溫下，[001]c取向的PZN-9%PT單晶的最佳極化電場為1110V/mm，極化

5、后晶體呈工程疇組態(tài)，其縱向機(jī)電耦合系數(shù)達(dá)到0.90，縱向壓電系數(shù)達(dá)到1670pC/N。臨界極化電場為1120V/mm。當(dāng)極化電場高于臨界值時，其壓電性能退化；當(dāng)極化電場為1200V/mm時，PZN-9%PT單晶呈單疇?wèi)B(tài)，其縱向壓電系數(shù)僅為工程疇組態(tài)下的50%。此項(xiàng)研究工作對掌握PZN-9%PT單晶特性，了解適合材料實(shí)際工作的環(huán)境，提高材料在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性具有重要意義。
　　基于周期媒質(zhì)理論，提出了壓電型疇壁模型。疇壁作為孿生疇

6、之間的過渡區(qū)域，其性質(zhì)與臨近孿生疇性質(zhì)相關(guān)。壓電型疇壁模型將疇壁的壓電性質(zhì)納入到了孿生疇體系性質(zhì)之中，解決了導(dǎo)電型疇壁模型與壓電材料絕緣性之間的矛盾。使得理論計算結(jié)果能夠合理的解釋一些重要的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
　　提出了疇壁性質(zhì)權(quán)衡因子的概念，為描述疇壁本身的性質(zhì)及疇壁與臨近孿生疇之間的性質(zhì)差異提供了有效方法。發(fā)現(xiàn)了研究鐵電疇尺寸效應(yīng)的有效方法，擴(kuò)展了分層理論的應(yīng)用范圍。利用壓電型疇壁模型及改進(jìn)的分層理論方法研究了常規(guī)鐵電單晶BaTiO3

7、和新型鐵電單晶PZN-6%PT的鐵電疇尺寸效應(yīng)和疇壁性質(zhì)。結(jié)果表明：BaTiO3單晶中90°帶電疇和PZN-6%PT單晶中71°中性疇壁對材料宏觀性能具有重要的貢獻(xiàn)，減小鐵電疇尺寸和提高疇壁與鐵電疇之間的體積比，可以有效改善材料的壓電性能，這與實(shí)驗(yàn)規(guī)律是一致的。90°帶電疇壁和71°中性疇壁都具有明顯的壓電性質(zhì)，71°中性疇壁具有更強(qiáng)的各向異性。
　　綜上所述，本論文的研究結(jié)果為優(yōu)化PZN-PT鐵電單晶的宏觀機(jī)電性能提供了理論依據(jù)