[发明专利]一种有机无机杂化无铅压电晶体的制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种有机无机杂化无铅压电晶体的制备方法，包括以下步骤：将氧化铋、氢溴酸和R(+)‑alpha‑甲基苄胺混合均匀后在烘箱中升温后随后进行两次降温过程，即可制备得到有机无机杂化无铅压电晶体。相比于纯有机压电材料，压电性能有所提升。采用铋原子代替铅原子作为中心原子，实现了无铅材料的制备，更加绿色环保。

技术领域

本发明涉及压电材料技术领域，具体涉及一种有机无机杂化无铅压电晶体的制备方法及应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

压电材料是制作压电器件的一类重要材料，具有性能优异的PZT和BTO压电材料受到众多研究者的广泛关注，但是由于材料固有属性的影响，铁电陶瓷类材料需要较高的制备温度，易碎，几乎没有机械柔性，并且含铅等重金属元素，无论是对生物体还是环境都有着极大的影响。

对于无铅压电材料而言，硅酸镓镧(LGS)晶体具有优异压电性能，其压电系数和机电耦合系数是石英晶体的3倍，但较高的原料成本限制了它的应用；稀土硼酸盐类晶体同样面临生产成本较高的问题。此外，对于无铅有机压电材料来说，其虽然具有良好的柔性，但是压电性能普遍偏低，无法代替PZT压电材料。

中国专利“四晶格位结构压电晶体”(CN101275279)中公开了Ca₃TaAl₃Si₂O₁₄(CTAS)和Sr₃TaAl₃Si₂O₁₄(STAS)晶体，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，同时兼具优异的压电性能，但在晶体生长中发现，上述Al³⁺替代了Ga³⁺后的新晶体结晶性较差，难以获得无宏观缺陷、大尺寸的单晶体。同时，现有制备方法无法保证在提高制备效率的同时保证晶体的正常生长以及良好形貌。

因此，制备一种原料成本低、无宏观缺陷且大尺寸同时还能够具有较高压电性能、改善制备效率的无铅压电材料具有重要意义。

发明内容

为了克服上述问题，本发明设计了一种有机无机杂化无铅压电晶体的制备方法，得到的产品具有较高的压电性能，且制备方法简单、易于操作。

基于上述研究成果，本发明提供以下技术方案：

本发明第一方面，提供一种有机无机杂化无铅压电晶体的制备方法，包括以下步骤：将氧化铋、氢溴酸和R(+)-alpha-甲基苄胺混合均匀后再升温后随后进行两次降温过程，即可制备得到有机无机杂化无铅压电晶体。

本发明第二方面，提供上述制备方法得到的有机无机杂化无铅压电晶体。

本发明第三方面，提供上述有机无机杂化无铅压电晶体在压电换能器、驱动器、滤波器和传感器领域的应用。

本发明一个或多个具体实施方式至少取得了以下技术效果：

(1)本发明所述制备方法中所用原料成本低、易得，能够制备得到结晶性能优良、无宏观缺陷的较大尺寸晶体(所述晶体的长为7-8mm，宽为5-6mm)，便于宏观压电性能的测试；所述晶体结构具有手性特征，所属空间群为P2₁手性空间群，没有对称中心，具有优异压电性能，计算得到剪切压电系数d₃₆＝32.5pC/N。

(2)相比于纯有机压电材料，压电性能有所提升。采用铋原子代替铅原子作为中心原子，实现了无铅材料的制备，更加绿色环保。