[发明专利]弛豫铁电单晶铌镁酸铅的制备方法

说明书

本发明涉及一种弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅(PMNT)的制备方法，更确切地说涉及温梯法特别是坩埚下降法生长(制备)弛豫铁电体PMNT单晶。其中晶体的化学组成可以表示为xPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)PbTiO₃，简写为PMNT，或PMN-PT。属于晶体生长领域。

铌镁酸铅-钛酸铅(PMNT)单晶具有非常高的压电常数，与常用的压电材料PZT铁电陶瓷相比，其压电常数d₃₃、机电耦合系数k₃₃从600pC/N和70％左右，分别提高到了2000pC/N和90％以上，而且其应变高达1％以上，比通常应变为0.1％左右的压电材料高出一个数量级。弛豫铁电单晶材料的优越的压电和机电耦合性能，使得它在医用超声成像、声纳、工业无损探伤等电声转换方面有广泛的应用前景。用它作探头的新一代B型扫描超声波图像仪(B超)，其图像分辨率和频带宽度将大大提高；弛豫铁电单晶的高应变特性，使它可以在各种高应变驱动器中得到广泛的应用，这将会对超声换能及驱动器等高技术的进步产生重大的影响。

弛豫铁电单晶由于在超声成像、高应变驱动器等方面的应用前景特别引人注目，因此目前国际上非常重视弛豫铁电单晶的生长研究。弛豫铁电单晶一般都是用助溶剂方法生长，例如用PbO助溶剂生长弛豫铁电体PZNT单晶[T.Kobayashi，S.Shimanuki，S.Saitoh and Y.Yamashita：J.Appl.Phys.36(1997)6035]。助溶剂法生长弛豫铁电单晶有其固有的缺点，主要表现在晶体高温生长时，剧毒的PbO容易挥发，不但对生长的防护设施要求严格，而且因氧化铅的挥发造成生长溶液的过饱和度有较大变化，难于控制晶体的成核；由于原料各个组分的挥发不同，容易形成组分偏析，使生长晶体的完整性差；由于溶解度的限制，生长的晶体尺寸较小，不能够满足超声成像和高应变驱动器的应用要求，并且生产效率低，不能实现规模化生产。由于弛豫铁电单晶的组分比较复杂，在生长时容易偏离化学计量，而且容易形成焦绿石相，故其生长比较困难。虽然有人用助溶剂方法在实验室制备出了PMNT单晶[W.A.Bonner andL.G.Van Uitert：Mat.Res.Bull.2(1967)131和T.R.Shrout.Z.P.Chang，N.Kim andS.Markgraf：Ferroelectric Letters 12(1990)63]，但是该方法还不能够用来规模化生长大尺寸高质量的弛豫铁电单晶，晶体的尺寸和质量都满足不了超声成像及高应变驱动器等应用的要求，至今有关弛豫铁电单晶的生长还没有突破实验室的研究水平。

迄今为止，没有任何出版物公开一种用坩埚下降法生长PMNT晶体的制备方法。

本发明的目的在于提供一种高性能大尺寸的PMNT单晶体的生长方法，能够规模化生长出压电常数d₃₃大于3000pC/N、机电耦合系数k₃₃大于90％的PMNT单晶。本发明另一个目的是提供一种坩埚下降法生长的PMNT单晶，它可以满足超声成像及高应变驱动器的应用要求。

本发明的目的是通过一种坩埚下降法生长PMNT晶体来实现的，该方法包括：原料处理、升温熔化、生长和降温过程，其特征在于原料配比按照化学式xPMN-(1-x)PT进行，其中PMN代表Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃，PT代表PbTiO₃，x为0.60～0.80；原料中再加入一定量的助溶剂PbO，xPMN-(1-x)PT原料与助溶剂PbO的摩尔比为100∶0～10；坩埚下降速度为0.1～2mm/hr。

发明还提供一种坩埚下降法生长PMNT单晶的装置，包括：发热元件SiC或MoSi₂棒，Al₂O₃耐火材料，Al₂O₃坩埚和下降机构。

图1是晶体生长炉的剖视图。图中1为发热元件(SiC或MoSi₂棒)，2为铂金坩埚，3为耐火材料(Al₂O₃)坩埚，4为Al₂O₃坩埚的填充材料(Al₂O₃粉)，5为耐火材料(Al₂O₃砖)，6为下降机构。