[发明专利]一种铁掺杂砷酸镓压电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于压电材料技术领域，具体涉及一种铁掺杂砷酸镓压电材料及其制备方法。

背景技术

压电材料是指具有压电效应的材料，压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，从而在它的两个相对表面上产生电荷的现象，是机械能和电能转换的一种形式，同时存在逆压电效应，涉及电能到机械能的转换。

压电材料广泛用于制作谐振、换能器、传感器和滤波器等电子元器件，是现代电子技术和通讯行业不可或缺的基本材料。目前在市场最广泛使用的压电材料主要是α-石英和铌酸锂晶体；α-石英具有生产成本低，温度稳定性好等优点，但是，它的缺点也十明显，例如压电活性较低，在573℃存在α石英-β石英的相变，以及低的机电耦合系数（8.8%）等，限制了其在高温条件下以及在微型器件中的使用，铌酸锂晶体与α-石英相比，尽管具有较大的机电耦合系数，但频率温度稳定性较差，这些都限制了它们在现代通讯技术及器件微型化和航天技术领域方面的发展要求；因此，研究具有较好压电性能且能在较高温度环境下使用的新型压电材料是迫切而具有实际意义的课题。

目前，类α-石英压电材料M^IIIX^VO₄(M=Al,Ga,Fe;X=As,P)的研究受到了人们的广泛关注；类α-石英材料属于P3₁21或者P3₂21空间群，晶体结构中由Ｍ^IIIO₄四面体和X^VO₄四面体链沿着z轴螺旋构建而成，其压电性能和其热稳定性与α相相对于β相的结构扭曲密切相关，该结构畸变一般用四面体的桥接角θ和四面体倾斜角δ这两个角度来描述。

近年来,一系列的类α-石英压电材料以及它们的固溶体相继被合成,表征和研究,主要包括:SiO₂-GeO₂、SiO₂-PON、SiO₂-AlPO₄、AlPO₄、FePO₄、GaPO₄、AlPO₄-GaPO₄、AlPO₄-AlAsO₄、AlPO₄-FePO₄、GaAsO₄、AlPO₄-AlAsO₄、AlPO₄-FePO₄等。目前的研究结果表明，这些材料的压电性能随着其结构扭曲程度，即随着θ的减小和δ的增大呈一定的线性函数关系变化，而获得更大程度结构畸变的一种主要途径就是增加M位阳离子的平均尺寸。

在类α-石英材料中，GeO₂和GaAsO₄被认为是具有最扭曲的结构，具有最低θ角和最高的δ值，表现出最高压电耦合系数（≈2２％）和最高的热稳定性（GaAsO₄直到几乎1303K的分解温度之前都不会发生α-β相变），因而被认为是很有潜力的高温压电材料；但是，昂贵的原料价格严重限制了它们的应用。

同时，为了探索性能更好，成本低廉的压电材料，人们对类α-石英压电材料的异质同构体化合物也开展了广泛的研究，已报道的化合物包括Al_1-xGa_xPO₄和Ga_1-xFe_xPO₄等；例如Al_1-xGa_xPO₄，此种材料在M位上采用Al替代了Ga,由于Al₂O₃的价格远地于Ga₂O₃，使材料成本大幅度下降，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，但在材料制备的过程中发现，对于GaPO₄材料而言，上述Al和Fe替代了Ga后的材料结晶性较差，难以获得无宏观缺陷，大尺寸的晶体，影响材料的推广使用。

目前还没有对于Ga_1-xFe_xAsO₄晶体和其制备的研究报道。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种铁掺杂砷酸镓压电材料及其制备方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：