[发明专利]一种硅酸铝镓铌钙压电晶体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅酸铝镓铌钙压电晶体及其制备方法，属于压电材料技术领域。

背景技术

压电材料因其具有压电效应，能够实现机械能和电能之间的直接相互转换。对力、电、声、热等外场条件十分敏感，是一类非常重要的基础功能材料，有着十分广泛的应用。

压电晶体是用于制作压电器件的一类重要材料，目前α-石英凭借其优良的温度稳定性、低廉的生产成本、成熟的生产技术而牢牢的占据着压电晶体的绝大部分市场份额。但其性能也存在着局限（压电活性较低且在573℃存在相变），并不能完全满足现代通讯和航天等技术的发展要求；压电陶瓷铋系层状结构（CaBi₄Ti₄O₁₅）的压电常数接近14pC/N，但受居里温度的限制，最高使用温度上限不超过800℃；对于铌酸锂晶体，虽然其机电耦合系数较大，且居里温度高达1170℃，但由于该晶体电阻率较低，也只能在低于600℃环境下应用。因此，探索出一种既具有较高压电性能又能在较高温度下使用的新型压电晶体是非常具有实际意义的。

近年来，无线通讯技术的快速发展对压电晶体提出了更高的要求：更大带宽和较高稳定性。以硅酸镓镧类（A₃BC₃D₂O₁₄）晶体为代表的第三代压电晶体（石英和铌酸锂被分别视为第一代和第二代压电晶体）已受到了广泛的关注。硅酸镓镧类晶体属三方晶系，32点群，P321空间群。与石英晶体相比较，硅酸镓镧类晶体的压电系数和机电耦合系数是石英晶体的2～3倍、存在零频率温度系数的切型，且室温至熔点（大于1300℃）无相变等优点。从而使得此类晶体在声体波和声表面波器件方面有着光明的应用前景。近年来，已报道的此类晶体包括La₃Ga₅SiO₁₄（LGS）、La₃Nb_0.5Ga_5.5O₁₄（LGN）、La₃Ta_0.5Ga_5.5O₁₄（LGT）、Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄（SNGS）、Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄（STGS）、Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄（CNGS）、Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄（CTGS）等。

但是，原料价格的昂贵严重限制了硅酸镓镧类晶体的推广。为探索成本低廉的硅酸镓镧类晶体，人们对该类晶体开展了深度研究。自2006年以来，Ca₃TaAl₃Si₂O₁₄（CTAS）和Ca₃NbAl₃Si₂O₁₄（CNAS）两种晶体的发明，为LGS类晶体的推广作出了巨大的贡献。此两种晶体在C格位上采用Al³⁺替代了Ga³⁺，由于Al₂O₃的价格远低于Ga₂O₃，使晶体成本大幅度下降（这两类晶体的原料成本与石英晶体相当），同时兼具优异的压电性能，使其在制作压电器件方面具有很强的优势。但在晶体生长中发现，CTAS和STAS晶体结晶性较差，难以获得无宏观缺陷、大尺寸的单晶体，从而从技术上影响了晶体的推广使用。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明旨在提供一种不仅压电性能优良、成本较低廉、且结晶性优异的硅酸铝镓铌钙压电晶体及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种硅酸铝镓铌钙压电晶体，其化学通式为Ca₃NbAl_(3-x)Ga_xSi₂O₁₄，简称CNAGS，其中，0.05＜x＜2.5（优选1≤x≤1.5）；所述晶体具有与硅酸镓镧晶体相同晶体结构，属空间群P321、点群32。