[发明专利]铌锌酸铅-钛酸铅单晶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备领域，涉及一种单晶材料的生长。实施过程中，采用提拉法生长固溶体单晶铌锌酸铅-钛酸铅。

背景技术

钛酸铅（PbTiO₃）是一种典型的钙钛矿型铁电体，铌锌酸铅（Pb(Zg_1/3Nb_2/3)O₃）是一种典型的弛豫铁电体。1997年3月，国际著名期刊《SCIENCE》报道了二者形成的赝二元固溶体系——弛豫型铁电单晶(1-x)Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃ （PZN-PT，x为PT在固溶体系中的摩尔分数）的压电性能。与传统的PZT系压电陶瓷相比，其压电常量d₃₃由600pC/N提高到2500pC/N，机电耦合因数k₃₃由70%提高到93～95%，最大电致伸缩应变由0.15%提高到1.7%。弛豫型铁电体单晶的应用范围正在日益扩大，如高应变固体驱动器、高灵敏度海军声纳、新型工业无损探伤仪及空调、汽车、飞机、火箭等的振动控制仪。因此这类压电单晶具有极大的应用潜力，有望取代传统的PZT陶瓷。

美国宾州州立大学的研究人员发现，PZN-PT单晶除了具有非常高的压电性能外，也具有非常好的电光效应。例如，四方相PZN-0.12PT单晶的g₃₃＝134 pm/V，g₄₂＝462 pm/V；准同型相界内PZN-0.09PT单晶的g₃₃～450 pm/V，比常用的铌酸锂单晶高出14倍多。与BaTiO₃和SBN不同，室温下弛豫铁电单晶的电光性能比较稳定；与KNbO₃ 不同，PZN-PT单晶容易获得尺寸比较大的晶体。电光陶瓷锆钛酸铅镧（PLZT）具有较强的线性和二次电光效应，这种材料的电光系数虽然较大，但缺点是响应速度较慢，不适合于高速电光器件。比较各种电光材料，不难看出PZN-PT单晶具有非常好的综合性能。

近年来，PZNT单晶的生长主要采用助熔剂法和坩埚下降法。助熔剂法设备简单，操作方便，实用性很强。采用PbO做助熔剂，如果实验顺利，可以获得10～20mm尺寸的大晶体。然而，自发成核导致晶体生长过程难以控制，重复性差。长成的晶体中容易包含PbO助熔剂包裹体、焦绿石相和其它杂相。与助熔剂法相比，坩埚下降法晶体尺寸容易控制，生长过程重复性较好；可以利用籽晶控制生长方向，调节生长速度；密封状态生长可以抑制PbO在高温下的挥发。坩埚下降法的缺点是，无法从坩埚中分离晶体，因而每次生长完毕，都要撕碎坩埚才能取出晶体，这无疑大大增加了成本和生长周期。生长晶体的过程中，坩埚完全封闭，无法实时观察晶体生长状态，这为生长工艺的摸索和调节带来了极大的困难。封闭的坩埚，使生长出的晶体没有显露面，为晶体定向带来了困难。此外，生长出的晶体底部Ti⁴⁺离子浓度较高、顶部较低，存在着组分分凝现象。由此导致晶体的性能不均匀，影响其在压电和电光器件中的应用。提拉法采用籽晶诱导生长，可以提高单晶的生长速度和质量；晶体生长过程可以直接观察，因而能够实时调节参数。但由于PbO在高温下容易挥发，对环境有一定的危害，至今尚未被应用于PZN-PT单晶的生长。

发明内容

本发明的目的是提供一种固溶体单晶铌锌酸铅-钛酸铅的生长新方法，实现该单晶的低成本、实时可控、短周期和规模化生产。生长出的单晶尺寸大，均匀性好，晶体形貌显著，易于定向加工。坩埚可重复使用，降低熔炼成本。