CNGS和CTGS晶體的生長及性能研究.pdf

1、壓電材料主要包括壓電晶體，壓電陶瓷和壓電聚合物三大類。三種材料各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但就材料的穩(wěn)定性、工藝流程、生長規(guī)模以及器件小型化趨勢(shì)等方面來看，壓電晶體仍占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。目前用于壓電工程的晶體主要是α-石英，其全世界年產(chǎn)量就有千噸之多。石英具備頻率對(duì)溫度的高穩(wěn)定性，成本低廉，這是它幾十年來一直能大規(guī)模應(yīng)用的根本原因。但是石英晶體的機(jī)電耦合系數(shù)小，其器件插入損耗大，帶寬窄，不適合作寬帶濾波器。 隨著電子和通訊事業(yè)的快速發(fā)展，高頻與快傳輸

2、通訊裝置的需要，迫使研究人員研發(fā)優(yōu)于壓電石英的新型壓電材料，以用于制備寬頻帶濾波器及頻率溫度穩(wěn)定性高的振蕩器等電子元件。目前人們感興趣的壓電晶體有：四硼酸鋰(Li<,2>B<,4>O<,7>：LBO)，磷酸鎵(GaPO<,4>)，硅酸鑭鎵(La<,3>Ga<,5>SiO<,14>：LGS)系列晶體等。它們都具有高的聲學(xué)Q值，易獲得的較高機(jī)電耦合系數(shù)和穩(wěn)定的補(bǔ)償切型。 Ca<,3>NbGa<,3>Si<,2>O<,14>(CNGS

3、)、Ca<,3>TaGa<,3>Si2O<,14>(CTGS)、Sr<,3>NbGa<,3>Si<,2>O<,14>(SNGS)和STGS(Sr<,3>TaGa<,3>Si<,2>O<,14>)晶體是近幾年出現(xiàn)的新型壓電晶體，屬于32點(diǎn)群，與硅酸鑭鎵晶體同構(gòu)型，結(jié)構(gòu)中離子分布有序(硅酸鑭鎵晶體結(jié)構(gòu)中離子分布無序)。這類晶體的壓電性能優(yōu)于LGS，有零溫度系數(shù)切型：晶體中鎵元素的含量的降低，從而降低了晶體生長的成本；晶體的熔點(diǎn)和鎵成份的降低

4、使生長時(shí)Ga<,2>O<,3>的揮發(fā)程度明顯降低，有利于獲得組份均勻的晶體；良好的機(jī)械性能降低了器件加工的難度；且具有熱膨脹各項(xiàng)異性小于LGS晶體的優(yōu)點(diǎn)。 本論文進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)工作，采用了提拉法生長Ca<,3>NbGa<,3>Si<,2>O<,14>(CNGS)和Ca<,3>TaGa<,3>Si<,2>O<,14>(CTGS)晶體，探索出CNGS和CTGS晶體的最佳生長工藝，生長出優(yōu)質(zhì)單晶體，表征了力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電學(xué)性能，

5、尤其是壓電參數(shù)及其溫度效應(yīng)。同時(shí)對(duì)CNGS晶體進(jìn)行摻雜過渡金屬離子的改性研究；對(duì)其同系列的新型壓電材料Ba<,3>TaGa<,3>Si<,2>O<,14>(BTGS)進(jìn)行了晶體的生長和性能的初步研究。主要研究工作和結(jié)果如下： 1．利用Czochralski提拉技術(shù)，按照化學(xué)計(jì)量配比，根據(jù)晶體的生長習(xí)性，研究出生長晶體的適宜的溫場和工藝，生長出質(zhì)量較好，透明性高、無開裂的CNGS和CTGS晶體，有些晶體表現(xiàn)出其生長習(xí)性，出現(xiàn)多處自

6、然面，晶體等徑部分的尺寸分別可達(dá)到28×15x40mm<'3>和φ23×35mm。 依據(jù)晶體生長熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論，分析了這兩種晶體生長時(shí)出現(xiàn)的一些現(xiàn)象，在穩(wěn)態(tài)溫場下，以正四方錐為放肩模型，推導(dǎo)了放肩面積隨時(shí)間變化的關(guān)系。 2．用X-Ray粉末衍射對(duì)生長的晶體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)鑒定；依據(jù)空間群理論和晶格動(dòng)力學(xué)理論，預(yù)測了Ca<,3>NbGa<,3>Si<,2>O<,14>(cNGS)晶體的簡正振動(dòng)模式，并用顯微拉曼光譜儀測量了C

7、NGS晶體的晶格振動(dòng)譜，利用群論分析了CNGS晶體的拉曼光譜。根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)，構(gòu)造了兩個(gè)團(tuán)簇，利用密度泛函理論對(duì)拉曼光譜進(jìn)行了計(jì)算和模擬，結(jié)果表明理論預(yù)測的拉曼光譜與實(shí)測的拉曼光譜非常吻合，我們認(rèn)為CNGS良好的壓電性起因于兩個(gè)團(tuán)簇大的極化率各向異性。 用原子力顯微鏡觀察了CNGS晶體(0001)自然生長面，發(fā)現(xiàn)上面有一組平行的生長臺(tái)階，其高度變化明顯，基本呈周期性變化。采用高分辨x射線衍射儀測量了CNGS晶體不同部位的搖擺曲線，

8、來進(jìn)一步研究晶體生長芯和周圍部分的結(jié)構(gòu)差異。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，盡管CNGS晶體在生長過程中會(huì)形成生長芯，其生長芯是位錯(cuò)等缺陷的集中區(qū)，但晶體搖擺曲線表明，生長芯的晶格常數(shù)與周圍部分相比，并沒有大的畸變。 消光比測試結(jié)果表明，CNGS和UTGS晶體有良好的光學(xué)質(zhì)量；熱性能測試結(jié)果表明這兩種晶體均有較低的熱膨脹系數(shù)和很小的熱膨脹各向異性，這對(duì)晶體在較高溫度下的應(yīng)用是有利的；密度和硬度等基本性質(zhì)介于石英和硅酸鑭鎵之間，比較適中。 用分

9、光光度計(jì)測試了CNGS和CTGS兩晶體a和c方向的透過率，發(fā)現(xiàn)a方向在400nm．600nm的可見光范圍內(nèi)存在一個(gè)較寬的吸收峰。首次利用平行偏振光干涉法研究了CTGS的旋光色散性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)該晶體具有很強(qiáng)的旋光性，有望應(yīng)用于光隔離器件。用V棱鏡法測量了這兩種晶體的ο光和e光的折射率色散，應(yīng)用Sellmeier。方程進(jìn)行了擬合，結(jié)果表明，CNGS和CTGS晶體為正光性單軸晶。對(duì)1．064岬波長的激光，這兩種晶體的粉末倍頻效應(yīng)均有綠光產(chǎn)生，這表

10、明它們有可能在非線性光學(xué)方面有應(yīng)用前景。 3．應(yīng)用諧振一反諧振法，設(shè)計(jì)了合理的測試程序，利用多種切型的樣品，得到了CNGS晶體全部的介電、壓電和彈性常數(shù)。與國外已測結(jié)果相比，我們的測試樣品更多，測試過程設(shè)計(jì)的更為合理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也更加準(zhǔn)確。應(yīng)用同樣的實(shí)驗(yàn)程序，我們首次測量出了新型壓電晶體CTGS的所有壓電參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)相似的CNGS和CTGS的介電、壓電及彈性常數(shù)等都十分接近。它們的的兩個(gè)壓電系數(shù)遠(yuǎn)大于石英。與同系列中結(jié)

11、構(gòu)無序的L,GS晶體相比，它們具有較小的介電系數(shù)、較大的壓電系數(shù)，是更具有應(yīng)用潛力的新型壓電晶體材料。討論了壓電晶體CNGS二次旋轉(zhuǎn)切割時(shí)，壓電應(yīng)變系數(shù)矩陣各矩陣元與轉(zhuǎn)角的關(guān)系，求出了[d]矩陣各矩陣元的最大值，及最大系數(shù)相應(yīng)晶片的切型(適用于x、y旋轉(zhuǎn)切割)。在最大值方向，這些晶體的壓電性能有較大幅度的提高，這些結(jié)果在實(shí)際中具有很大的應(yīng)用價(jià)值，如利用這些特殊方向，研制特殊切型的壓電器件以及制備特殊取向的壓電薄膜等。 測量了CT

12、GS晶體彈性系數(shù)的溫度效應(yīng)，設(shè)計(jì)并優(yōu)選出Y切-23.8°的CNGS和CTGS晶片，測試了它們的頻率溫度曲線，發(fā)現(xiàn)CNGS和CTGS該切型的頻率溫度穩(wěn)定性較高，并同時(shí)擁有較強(qiáng)的壓電性，表明這兩種晶體該切型的晶片在頻率穩(wěn)定器件方面具有較大的應(yīng)用價(jià)值。我們對(duì)Y切-23.8°的CNGS晶片進(jìn)行了后期制作和封裝，制得了CNGS晶體振蕩器。 4．依據(jù)晶體聲學(xué)的基本方程及其平面波解的基礎(chǔ)理論，研究了CNGS和CTGS晶體的聲體波傳播特性，計(jì)算

13、了聲波沿x軸、y軸和z軸傳播的速度。在不考慮壓電效應(yīng)和考慮壓電效應(yīng)兩種條件下，對(duì)CNGS晶體在三個(gè)主晶面內(nèi)聲傳播速度隨傳播方向變化的規(guī)律進(jìn)行了研究；根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的彈性常數(shù)，計(jì)算了CNGS和CTGS兩晶體非對(duì)稱方向上的純模角度。這些結(jié)果對(duì)新型CNGS晶體在聲光器件的設(shè)計(jì)、開發(fā)及應(yīng)用方面具有一定的理論指導(dǎo)意義。 5．生長了摻雜濃度為0.5mol﹪的Co<'2+>：CNGS晶體，其結(jié)構(gòu)與CNGS完全相同，DSC曲線表明從室溫到熔點(diǎn)間無