[发明专利]富铌掺锂钽铌酸钾单晶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钽铌酸钾（KTN）晶体及其制备方法。

背景技术

作为人类社会发展的基础产业，材料工业在国民经济中占着举足轻重的地位。而压电、铁电材料作为一类重要的功能材料，在超声探测、超声成像、高应变驱动器等电声转化器件上得到广泛的应用。对环境无污染且对人类健康无损害的无铅铁电压电材料的研究主要集中于陶瓷材料，而陶瓷由于其矫顽场较高，极化较困难，压电性能受到限制，得不到很好的应用。鉴于铁电单晶的压电性能远远超出同类的陶瓷材料，同时铁电单晶结构远比陶瓷等多晶材料结构简单、便于物理机理的研究，在材料物理等基础研究中具有更为重要的学术意义。钽铌酸钾（KTN）晶体作为最早被发现的光折变材料，KTN晶体被很多单位和研究人员成功地生长，但是现有的KTN晶体中的铌与钽的原子个数的比值小于1，铌含量偏低，导致KTN晶体的居里温度都是在室温左右或小于室温的，且已报道的研究工作大多数都集中在光学性能上。用现有的生长低铌钽铌酸钾晶体的方法生长富铌KTN晶体，因为在室温下富铌KTN晶体为铁电相，铁电晶体易开裂，而且后期样品处理过程中因为铁电单晶在组分上的复杂性导致了晶体内部结构的多样性共存，当受到环境的影响、特别是温度的突变时，晶体内部各微结构变化朝着不同的方向变化、且不可调和，进而在宏观上致使晶体开裂，因此生长富铌KTN晶体一直是晶体研究者们面临的困难。

发明内容

本发明的目的是要解决现有的低铌钽铌酸钾晶体居里温度低，而用现有晶体生长方法无法得到富铌钽铌酸钾单晶，而提供富铌掺锂钽铌酸钾单晶及其制备方法。

本发明的富铌掺锂钽铌酸钾单晶，其表示式为K_0.95Li_0.05Ta_1-xNb_xO₃，其中x=0.50～0.90，该富铌掺锂钽铌酸钾单晶在室温下是四方钙钛矿型晶体结构。

本发明的富铌掺锂钽铌酸钾单晶的制备方法，按以下步骤进行：

一、按碳酸钾（K₂CO₃）、碳酸锂（Li₂CO₃）、氧化钽（Ta₂O₅）和氧化铌（Nb₂O₅）的摩尔比为(1～1.25):0.05:(1-x):x，其中x=0.50～0.90，称取碳酸钾（K₂CO₃）、碳酸锂（Li₂CO₃）、氧化钽（Ta₂O₅）和氧化铌（Nb₂O₅）粉末并混合均匀，得到混合粉末；

二、将步骤一得到的混合粉末进行球磨；

三、将经步骤二处理的混合粉末放入模具中，压制成片，然后把片放在马弗炉中以140～150℃/h的升温速度升温至880～920℃并保持4～5h，得到富铌掺锂钽铌酸钾多晶片；

四、将富铌掺锂钽铌酸钾多晶片捣碎，放在研钵中加入乙醇湿磨，得到生长单晶的原料；

五、将生长单晶的原料放入铂金坩埚中，再将铂金坩埚放入感应式晶体提拉生长炉内；以90～100℃/h的升温速度升温至1300～1350℃并保持5～6h，使混合粉末原料熔化并混合均匀；然后降温至1200～1250℃，启动籽晶杆旋转功能，使固定有晶种的籽晶杆以8～12r/min的旋转速度旋转，接种籽晶；

六、待晶体在籽晶上开始结晶时，再启动籽晶杆提拉功能，将籽晶杆以0.4～0.6mm/h速度进行提拉；待晶体生长到0.8～1.2mm时再对晶体进行放肩、收肩，放肩和收肩的过程重复3～5次；

七、待晶体生长至2～3mm时开始等径生长，当晶体长至15～20mm时将其拉断，再以10～20℃/h的降温速度退火降温至室温，即得到富铌掺锂钽铌酸钾单晶。

本发明的富铌掺锂钽铌酸钾单晶具有四方钙钛矿型晶体结构，单晶中铌与钽的原子个数的比值为1～9，相变温度为310～500K，铌相对含量高，相变温度相对于低铌钽铌酸钾提高了3.3～66.7%。通过过渡元素锂的掺杂和压片预烧，采用提拉法开创性地成功生长了大尺寸、高质量、不易开裂的富铌掺锂钽铌酸钾单晶，而且能够实现富铌掺锂钽铌酸钾单晶的可控生长；另外该方法相对工艺比较简单，不使用专用设备，不需要特殊气氛生长，对环境无污染，可推动富铌掺锂钽铌酸钾单晶的大规模制备，本发明的富铌掺锂钽铌酸钾单晶可用在无铅压电铁电器件中。

附图说明