锰掺杂knntl和pin-pmn-pt铁电单晶机电性能与机理研究

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1、博士学位论文锰掺杂KNNTL和PIN-PMN-PT铁电单晶机电性能与机理研究ELECTROMECHANICALPROPERTIESANDMECHANISMOFMnDOPEDKNNTLANDPIN-PMN-PTFERROELECTRICSINGLECRYSTALS霍晓青哈尔滨工业大学2015年3月国内图书分类号：O487学校代码：10213国际图书分类号：537.226密级：公开理学博士学位论文锰掺杂KNNTL和PIN-PMN-PT铁电单晶机电性能与机理研究博士研究生：霍晓青导师：张锐教授申请学位：理学博士学科：物理学所在单位

2、：物理系答辩日期：2015年3月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O487U.D.C:537.226DissertationfortheDoctoralDegreeinScienceELECTROMECHANICALPROPERTIESANDMECHANISMOFMnDOPEDKNNTLANDPIN-PMN-PTFERROELECTRICSINGLECRYSTALSCandidate：XiaoqingHuoSupervisor：Prof.RuiZhangAcademicDegreeAppliedfo

3、r：DoctorofScienceSpeciality：PhysicsAffiliation：DepartmentofPhysicsDateofDefence：March,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要铌铟镁酸铅-钛酸铅（PIN-PMN-PT）单晶以其优异的压电和机电耦合性能，备受科研领域和工业领域的青睐，基于该类单晶研制而成的传感器、换能器等压电器件频频被报道。为了进一步拓展该类晶体的应用范围，在具有优异温度和电场稳定性的三

4、元系PIN-PMN-PT单晶基础上，适用于大功率器件的新一代锰（Mn）掺杂铌铟镁酸铅-钛酸铅（PIN-PMN-PT:Mn）单晶被成功研发。PIN-PMN-PT单晶的成功经验，刺激和带动着新型铁电单晶的开发。近几年，随着环境保护意识的觉醒，人们对环境友好型材料的需求越来越强烈，（K,Na）NbO3（铌酸钾钠，简称为KNN）基材料被认为是最有可能替代弛豫型钛酸铅（relaxor-PbTiO3）铁电材料之一，KNN基单晶也逐渐进入研究人员的视野，但是该单晶的生长技术和性能研究结果却并不理想。本论文采用顶端籽晶提拉法成功生长多种组分

5、、大尺寸的KNN基单晶。以PIN-PMN-PT:Mn、铌酸钾钠钽锂（KNNTL）和Mn掺杂铌酸钾钠钽锂（KNNTL:Mn）铁电单晶为研究对象，对其压电、铁电、介电等性能进行系统研究，全面分析Mn对这两种体系的改性作用，并通过分析其本征和非本征贡献探索高压电响应的来源。采用顶端籽晶法生长多组分KNNTL单晶和KNNTL:Mn单晶。生长出的单晶尺寸大，满足对其性能进行全面测试的需求。采用元素能谱分析测试生长单晶的组分，并对单晶组分均匀性进行分析。通过对单晶介电常数随温度变化特性和X射线衍射图谱的分析，研究KNNTL单晶的相结构和

6、弛豫性，分析单晶中钽（Ta）元素含量对其相结构和弛豫性的影响。精确测定KNNTL、KNNTL:Mn和三种组分PIN-PMN-PT:Mn单晶弹性、介电和压电全矩阵参数，研究了Mn元素在该系列铁电单晶中的改性作用。Mn元素的引入，使KNNTL和PIN-PMN-PT单晶“硬”化，介电性能降低。PIN-PMN-PT:Mn单晶压电性能略微降低，而KNNTL:Mn单晶的性能，除了受到Mn掺杂的作用，受正交-四方多型相变（polymorphicphasetransition，简称为PPT）温度的影响也很大，KNNTL:Mn单晶的PPT温度

7、更加接近室温，所以压电性能提高。KNNTL:Mn单晶的纵向机电耦合系数可以达到95%，为铁电单晶中的最高。通过组分优化，KNNTL:Mn单晶的压电常数d33提高为545pC/N，达到KNN基材料中的最佳压电性能。正交相PIN-PMN-PT:Mn单晶，具有优异的剪切性能，压电常数d15和d24分别可以达到3100pC/N和2400pC/N。三方相PIN-PMN-PT:Mn单晶同时具有优异的纵向和剪切性能，其压电常数d15和机电-I-哈尔滨工业大学理学博士学位论文耦合系数k15分别达到2980pC/N和92%。对比两种体系铁电单

8、晶Mn改性前后的性能得出，Mn元素对KNNTL和PIN-PMN-PT单晶的改性作用十分相似，也略有不同。研究了Mn元素引入后，KNNTL和PIN-PMN-PT单晶铁电性能、机械品质因数和非本征贡献的改变。在KNNTL:Mn单晶和PIN-PMN-PT:Mn单晶中均发现了内偏场现象。同时，由于