[发明专利]反铁电晶体铌镥酸铅-钛酸铅及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型反铁电晶体及其制备方法。具体而言，本发明涉及到具有钙钛矿结构且居里温度相对较高、储能密度较大的反铁电单晶材料(1-x)Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃，简记为PLN-PT或PLNT，以及晶体的制备方法、结构和电学性能，属于晶体技术和功能材料学领域。

背景技术

铁电/压电材料由于具备优良的机电转换性能、响应速度快等优点，广泛应用于各种功能器件，如传感器、换能器、点火器、电容器、驱动器、存储器、探测器等，在国民经济与国防安全中发挥着不可替代的重要作用。1950年日本人首次提出反铁电体的概念，1952年美国人预言了反铁电体的存在。目前已经发现的反铁电材料约有40多种，锆酸铅(PbZrO₃)是最早发现的反铁电体，它的居里点Tc为230℃。由其延伸的具有复合钙钛矿结构的PZT(PbZrO₃-PbTiO₃)基反铁电材料是一类最有发展潜力的反铁电材料。反铁电材料在相变时具有大应变量和高密度电荷瞬间释放特性，通过场诱相变还提供了可开关、可调变的介电、压电和热释电性能，并具有可逆的增强效应。因此反铁电材料成为智能传感和致动系统中的关键材料，其可能应用的领域包括高密度储能电容器、大位移致动器、换能器和可开关、可调变压电和热释电探测器等。与传统的压电换能材料相比，由于反铁电材料利用的是结构的相变机制，可以一次性释放出储存的全部电能，其转换效率远远大于压电换能器。

铌镥酸铅Pb(Ln_1/2Nb_1/2)O₃(PLN)是一种介于有序无序的钙钛矿结构。有序PLN是正交钙钛矿相反铁电体，无序PLN是赝立方钙钛矿弛豫铁电体。铌镥酸铅PLN和钛酸铅PbTiO₃(PT)形成的固溶体应该具备和PZT相似的性质，优异的压电性能，并且具有高居里温度。鉴于以上的考虑，为了寻找一种具有高储能密度且具有高居里温度的反铁电晶体材料，我们开展对(1-x)Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃(PLN-PT)固溶体系的研究。研究二元体系PLN-PT在PT含量较低组分的晶体的制备方法、结构和电学性能，为压电储能领域提供一种新型且能用于高能存储器件的高居里温度高性能反铁电晶体。

发明内容

本发明的目的在于针对上述提出的问题寻找一种新型的反铁电晶体并研究其制备工艺，以解决现有反铁电晶体难生长和没有较好的适用于储能器件的反铁电晶体材料，为反铁电晶体材料增加一种新产品。该反铁电晶体材料能广泛用于压电储能器件领域。

本发明提供的一种新型的反铁电晶体材料，晶体的化学组成为：(1-x)Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃，其中，0<x<0.3，简写为：PLN-PT，属于钙钛矿结构。所述的化学组成优选选为：0.93PLN-0.07PT。

本发明所述的反铁电晶体材料可通过以下两种技术方案与已实现：

1.基于该体系适合生长的高温溶液法，包括如下具体步骤：

a)将初始原料PbO或Pb₃O₄、Fe₂O₃、TiO₂、Yb₂O₃、Nb₂O₅按晶体的化学组成进行配比；

b)助溶剂采用PbO或Pb₃O₄和H₃BO₃或B₂O₃复合助溶剂；

c)将晶体原料和助溶剂在容器中搅拌混合研磨；

d)将混合均匀的粉料装入铂金坩埚中，并把铂金坩埚置于晶体生长炉中化料；

e)在晶体生长过程中将原料加热至过饱和温度以上（900-1200℃之间），恒温一定时间，然后以每天1-20℃的速率降温。生长结束，以5-40℃/h降温退火，后取出晶体。