[发明专利]一种钛酸铋钙光电功能晶体及其生长方法与应用

说明书

本发明涉及一种钛酸铋钙光电功能晶体及其生长方法与应用，该钛酸铋钙晶体，化学式为CaBi₄Ti₄O₁₅，为单晶，属于正交晶系2mm点群，非中心对称结构，属于正交晶系2mm点群，晶胞参数为a＝b＝c＝90°。本发明还提供钛酸铋钙晶体的生长方法和用途。本发明的CaBi₄Ti₄O₁₅晶体熔点高于1200℃，且净偶极矩较大，是难得的同时具有非中心对称结构且高熔点的化合物，因此在压电和非线性光学领域具有明显优势。

技术领域

本发明涉及一种钛酸铋钙光电功能晶体及其生长方法与应用，属于功能晶体材料技术领域。

背景技术

自1880年发现压电效应以来，大量压电材料与传感器件相继问世。随着科学与技术的快速发展，各类应用场景对压电传感器件的性能要求越来越高，相比于压电陶瓷材料，压电单晶在高温传感技术领域具有独特的优势，因此开发新型高温压电晶体材料具有十分重要的意义。作为光电功能晶体重要的组成部分，压电晶体首先是具有非中心对称结构的晶体材料，探索性能优异的新型光电功能晶体，一般从三个方面进行考虑：(1)其阴离子基团形成的框架结构是非中心对称的；(2)选择倾向于多面体失配的阳离子，像Jahn-Teller失配或ns²孤电子对；(3)通过合适的原子尺寸比诱导晶格失配。至少满足上述三种情况之一的晶体通常会具有较好的压电及非线性性能。

从陶瓷材料体系中寻找压电单晶材料是一种有效的手段。在众多压电陶瓷材料当中，CaBi₄Ti₄O₁₅(CBT)压电陶瓷报道具有优良的高温压电性能。据吴金根，张树君等人报道，传统工艺制备的CBT陶瓷的压电系数d₃₃＝7pC/N,为提高其压电性能，很多文献对其进行掺杂改性，其中CaBi₄Ti₄O₁₅-Mn,Nb陶瓷的压电系数d₃₃可达23pC/N。参见ActaPhys.Sin.Vol.67,No.20(2018)207701。关于钛酸铋钙基压电陶瓷材料也有专利文件报道，例如：CN101928139A公开了一种钛酸铋钙基发光压电陶瓷材料及其制备方法。所述钛酸铋钙基发光压电陶瓷材料，其化学成分符合化学通式CaxBi_4-yR_yTi_3+xO_12+3x，其中1≤x≤2，0.0001≤y≤0.5，所述R选自Pr、Gd、Er、Dy、Tm、Ho、Eu、Yb和Tb中的一种或多种。然而由于压电陶瓷本征微观结构特点，其压电性能不够稳定且高温易老化，限制了其在高温传感器件中的应用。

为提高其综合压电性能，制备CBT单晶是有效方法之一。然而，迄今为止未见有CBT单晶的报道，尤其是钛酸铋钙单晶的制备报道。为此，提出本发明。

发明内容

为了弥补现有技术空白，本发明的技术任务之一为提供一种新的光电功能晶体材料，即钛酸铋钙单晶；

本发明的技术任务之二是提供一种用于生长所述钛酸铋钙单晶的方法，包括合适的助熔剂体系及合适的组分配比。

术语说明：

钛酸铋钙晶体，化学式为CaBi₄Ti₄O₁₅，本领域的习惯表达式简写为CBT，CaBi₄Ti₄O₁₅和CBT表达方式在本发明中具有相同的含义。

压电晶体：具有非中心对称结构的晶体，能够在外力作用下产生形变，同时晶体内部的带电质点发生相对位移，从而在晶体表面出现正、负束缚电荷。当外力消除后，正负电荷消失，这样的晶体称为压电晶体。

助熔剂：能使高熔点的晶体原料在低于其熔点的温度下熔化的一种低熔点的化合物或化合物组合。