无铅钽铌酸钾锂晶体的介电和压电性能研究

摘要

随着科学技术的日益发展,作为人类社会发展基础产业的材料科学必须紧跟时代步伐。近年来压电材料备受关注,特别是目前大规模应用的锆钛酸铅陶瓷,然而为了人类的环境和可持续发展,寻找一种无铅压电铁电材料来替代锆钛酸铅成为了当代相关领域科研人员的当务之急和时代使命。近十年里在国际铁电领域中,无铅压电陶瓷被大量地开发和改性,但距离在应用中取代锆钛酸铅陶瓷还相差甚远,怎样进一步提高无铅材料的性能和稳定性就是大家努力的方向。
　　众所周知,由于铁电单晶的高取向性,使其各项性能都远远超出同组分的陶瓷材料,而且铁电单晶的结构比陶瓷简单,便于进行基于晶体取向变化物理机理的研究。而钽铌酸钾晶体作为最早被发现的光折变材料,是一种为大家熟知的固熔体。截止目前,关于钽铌酸钾晶体绝大多数的研究工作都集中在光学性能上,而其系统性的电学性能(介电、热释电、压电和铁电性质)却鲜有报道。而且直到现在,关于钽铌酸钾晶体的研究都集中在富钽区域,而关于富铌区域的研究却很少。
　　因此,本论文将有机地结合无铅压电铁电材料的开发背景和钽铌酸钾晶体的研究现状,通过分析钽铌酸钾晶体的合成和组分相图,采用顶部籽晶熔体法生长了一系列大尺寸、高质量、富铌掺锂的钽铌酸钾晶体,即钽铌酸钾锂晶体((K,Li)(Ta1-xNbx)O3,KLTN),继而开展其各项研究工作。对无铅晶体KLTN的组分和结构进行分析和研究。利用能量色散谱分析(EDS)测试晶体的组分;利用X射线衍射技术(XRD)表征晶体结构,并分析了晶格常数的演变规律和掺铁KLTN(Fe:KLTN)晶体的占位情况;
　　对无铅晶体KLTN的介电行为进行系统地表征和研究。通过对所有组分晶体沿不同晶向在不同频率和大温区下的介电性能测试,明确KLTN晶体的相变机制、给出其所有相变温度的变化规律,并分析极化过程对介电性能的影响;分析KLTN晶体的弥散相变特性,并给出具体的弥散指数;对KLTN晶体的介电可调谐性能进行研究,分析介电常数和损耗随外加偏置电场的变化行为。
　　通过研究无铅晶体KLTN的热释电和铁电性能对其自发极化特性进行分析。通过对无铅晶体KLTN热释电性能的表征,进一步确认其相变规律的同时给出自发极化在全温区的变化行为。利用压电响应力显微镜(PFM)对富铌KLTN晶体的表面形貌和铁电畴进行观察;利用铁电测试仪对富铌KLTN晶体的电滞回线进行表征,得到其矫顽场和剩余极化强度,分析其变化规律和原因。结合热释电和电滞回线的测试结果对KLTN晶体的自发极化特性进行机理分析。
　　对无铅晶体KLTN各种振动模式下的压电性能进行系统地研究。制作富铌KLTN晶体横向长度振动模式、厚度振动模式、纵向振动模式以及横向切变模式的压电振子,给出和分析相关的压电、机电耦合和弹性性能参数,并与传统的压电材料进行对比;利用超高频振动计,分析其谐振行为,得到谐振频率下三维微观形貌。对无铅晶体KLTN各项性能的晶向依赖特性进行计算和模拟,绘制其三维分布图。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 无铅压电材料研究进展

1.3 钽铌酸钾晶体研究进展

1.4 钽铌酸钾锂晶体压电研究进展

1.5 论文研究的目的和意义

1.6 论文的主要研究内容

第2章 无铅晶体KLTN的生长和结构演变

2.1 引言

2.2 无铅晶体KLTN的生长

2.3 无铅晶体KLTN的内应力释放与单畴化处理

2.4 无铅晶体KLTN的结构演变与掺杂占位机理分析

2.5 本章小结

第3章 无铅晶体KLTN的介电行为及相变机制

3.1 引言

3.2 无铅晶体KLTN的介电行为

3.3 无铅晶体KLTN的介电弛豫和可调谐特性

3.4无铅晶体KLTN的组分相图及相变机制

3.5 本章小结

第4章 无铅晶体KLTN的热释电效应和自发极化特性

4.1 引言

4.2无铅晶体KLTN的热释电效应

4.3 无铅晶体KLTN的自发极化研究

4.4无铅晶体KLTN的自发极化特性及机理分析

4.5 本章小结

第5章 无铅晶体KLTN的压电性能及晶向依赖特性

5.1 引言

5.2 无铅晶体KLTN的压电性能

5.3 无铅晶体KLTN压电谐振下的三维微观形貌

5.4 无铅晶体KLTN介电、压电和机电耦合性能的晶向依赖特性

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

声明

致谢

个人简历