[发明专利]铌锌酸铅钛酸铅固溶体单晶的熔体法生长

说明书

技术领域

本发明涉及一种弛豫基铁电单晶铌锌酸铅钛酸铅(PZNT)固溶体单晶的生长方法，更确切的说是涉及坩埚下降法生长(制备)弛豫基铁电体PZNT单晶。其中，晶体的化学组成可以表示为(1-x)Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃，简写为PZNT或PZN-PT。属于晶体生长领域。

背景技术

铌锌酸铅钛酸铅固溶体是一种弛豫基铁电材料。该固溶体存在一个准同型相界，在准同型相界附近，铌锌酸铅钛酸铅固溶体单晶具有很好的压电性能和很大的介电常数，其综合性能远远高于目前应用的锆钛酸铅系压电材料，压电应变常量d₃₃达2000pC/N，机电耦合因数k₃₃达0.90～0.95，场致应变最大达1.7％。弛豫基铁电单晶的优越的压电和机电耦合性能，使得该材料在医用超声成像仪、高应变固体驱动器、高灵敏度声纳等新一代机电换能器方面有着广泛的应用。用该材料作探头的新一代B型扫描超声波成像仪(B超)，其图像分辨率和频带宽度大大提高。弛豫基铁电单晶的高应变特性，使得它在高应变驱动器中有着广泛的应用，这将对超声换能器及驱动器等高技术的应用产生重大的影响。

与同组成的陶瓷相比，铌锌酸铅钛酸铅固溶体单晶具有更为优越的压电、铁电性能，因此弛豫基铁电材料的单晶化研究是目前国际铁电界的研究热点。目前，铌锌酸铅钛酸铅固溶体单晶的生长主要采用助熔剂法，例如用PbO助熔剂[K.Harada，S.Shimanuki，T.Kobayashi，S.Saitoh and Y.Yamashita，J.Am.Ceram.Soc.，81(11)(1998)2785-2788]。助熔剂法生长弛豫基铁电单晶有其固有的缺点：由于组分的复杂及氧化铅、氧化锌在高温下的易挥发性，使得对生长过程的防护要求极为严格，而且由于氧化物的挥发导致生长溶液的过饱和度变化较大、晶体生长过程重复性差；晶体生长过程中自发成核难以控制，容易生成包裹体，难以得到高质量、大尺寸的固溶体单晶；生产效率较低，晶体生长难以实现规模化[K.Harada，Y.Hosono，S.Saitoh and Y.Yamashita，Jpn.J.Appl.Phys.，39(2000)3117-3120]。目前，助熔剂法还不能够实现规模化生产大尺寸、高质量的弛豫基铁电单晶，晶体的尺寸和质量都满足不了超声成像及高应变驱动器等应用的要求，晶体生长工艺还没有突破实验室的研究水平。

与助熔剂法相比，坩埚下降法生长技术可以实现规模化生长单晶，通过引进籽晶生长，实现晶体尺寸的可控制生长，晶体生长过程重复性好。遗憾的是，迄今为止尚未有任何出版物公开报道用熔体法生长铌锌酸铅钛酸铅固溶体单晶。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生长铌锌酸铅钛酸铅固溶体单晶的可靠的方法，该生长工艺容易实现晶体生长的规模化，生长过程可控、重复性好。该方法生长的铌锌酸铅钛酸铅固溶体单晶为纯的钙钛矿结构，晶体结构完整，压电性能良好，容易实现晶体尺寸的放大，有望生产出满足超声成像及高应变驱动器等应用需求的大尺寸、高性能的弛豫基铁电单晶。

本发明的目的是通过一种坩埚下降法进行PZNT单晶的熔体法生长来实施的，该方法包括：以氧化锌、五氧化二铌、二氧化钛和氧化铅为原料，采用B位预合成法制备晶体生长所需的原料；将预合成的原料密封在铂金坩埚中，用坩埚下降法法进行晶体的熔体法生长。其特征在于原料配比按照化学式(1-x)Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃进行，x为0.05～0.20；坩埚下降速率为0.5～1.0mm/h。固液生长界面的温度梯度为40-80℃/cm，晶体生长过程的炉温控制在1380-1420℃之间。

本发明的具体实施分为两大步：第一步是晶体生长原料的预处理；第二步是用坩埚下降技术进行熔体法生长PZNT单晶。

(1)原料的预处理