[发明专利]一种PZN基大尺寸三元高性能单晶、生长方法及熔盐炉

说明书

本发明提供一种PZN基大尺寸三元高性能单晶、生长方法及熔盐炉，PZN基大尺寸三元高性能单晶的化学式为(1‑x‑y)Pb(B′_1/2B″_1/2)O₃‑yPb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃‑xPbTiO₃，其中：B′为Mg、Fe、Sc、Ni、In、Yb、Lu和/或Ho，B″为Nb、Ta和/或W，0.4＜x＜0.6，0.1＜y＜0.4，0.1＜1‑x‑y＜0.4；本发明采用顶部籽晶旋转和底部坩埚旋转来调节熔体的对流变化，克服了生长过程中晶体包裹严重，质量差的问题，可使得晶体直径的变化和保温系统的热惯性相适应，从而有效减小晶体包裹体，提高了晶体的成品率。

技术领域

本发明涉及一种晶体材料及其生长方法和生长设备，具体涉及PZN基大尺寸三元高性能单晶、生长方法及熔盐炉。

背景技术

PZN基(Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃)驰豫铁电单晶，以其超高的压电系数和机电藕合系数，引起人们的广泛关注。目前，已制备出PZN基二元高性能单晶PZN-PT，室温下，PZN具有三方结构，Curie温度为140℃，PT为四方结构，Curie温度为490℃，在准同型相界附近，PZN-PT表现出优异的压电性能，其压电系数d33＞2000pC/N，机电耦合系数k33＞90％，电场诱导应变高达1.7％，介电常数在4000左右，介电损耗低于1％。由于PZN-PT铁电单晶存在某些固有的缺陷，因此，对PZN-PT铁电单晶的改性称为关注重点。

另外，弛豫铁电单晶商用化应用的主要技术瓶颈在于单晶的制备，由于弛豫铁电单晶是在多组分的体系中形成，例如PbO-MgO(ZnO)-Nb₂O₅-TiO₂体系，因此在熔体冷却的过程中将出现复杂的结晶路线，使晶体生长变得困难。

目前，生长弛豫铁电单晶的方法有高温溶液法、垂直坩埚下降法和顶部籽晶法等：

高温溶液法方法适用性强，高温溶液法中助熔剂可以降低生长温度，具有独特的优势，但对于弛豫铁电单晶，成核难于控制，得到的晶体尺寸都比较小，并且容易产生助溶剂包裹，影响晶体质量。

垂直坩埚下降法的优点是生长的晶体尺寸大、晶体生长周期短，但生长温度高导致含铅原料对坩埚腐蚀严重，制备成本高；另外由于组分非一致熔融和组分分凝的影响，导致生长的晶体底部和顶部组分不均匀，性能偏差大，影响晶体质量均匀性和一致性。

顶部籽晶法实际上是在高温溶液法的基础上发展起来的，因此，顶部籽晶法克服了高温溶液法的一些缺点，如单核生长有利于获得高质量和大尺寸的单晶、组分均一性提高等，但是顶部籽晶法晶体生长由于助熔剂的溶解度低会导致晶体的生长速度慢，容易产生包裹体缺陷。

而且针对驰豫铁电单晶的制备，现有的设备普遍存在温度控制不均等缺陷，导致最终的驰豫铁电单晶性能得不到有效保障。

有鉴于上述驰豫铁电单晶及其生长存在的缺陷，本发明人基于从事此类材料多年丰富经验及专业知识，配合理论分析，加以研究创新，以期开发一种PZN基大尺寸三元高性能单晶、生长方法及熔盐炉，提高晶体的稳定性，制备工艺更加便于操作。

发明内容

本发明的原理如下：将晶体原料和助溶剂混合装入坩埚后置于晶体生长的熔盐炉中，升高到熔化温度以上并保持足够的时间使熔体充分均匀，然后降温至于饱和生长温度以下开始晶体生长。随着温度的降低，生长过程中的温度梯度控制使在饱和生长温度下籽晶不会被熔掉且晶体开始在籽晶上生长；通过顶部籽晶旋转和底部坩埚旋转来调节熔体对流变化，可使得晶体直径的变化和保温系统的热惯性相适应，从而减小晶体包裹体，晶体生长结束，将晶体提出液面后降温退火。

本发明的第一个目的是提供一种PZN基大尺寸三元高性能单晶，提高晶体的稳定性。