铌镁酸铅基铁电单晶机电性质和电场诱导电畴反转研究

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1、博士学位论文铌镁酸铅基铁电单晶机电性质和电场诱导电畴反转研究ELECTROMECHANICALPROPERTYANDELECTRICFIELDINDUCEDDOMAINSWITCHINGOFLEADMAGNESIUMNIOBATEBASEDFERROELECTRICSINGLECRYSTALS王竹哈尔滨工业大学2012年6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铌镁酸铅基铁电单晶机电性质和电场诱导电畴反转研究博士研究生：王竹导师：张锐教授申请学位：理学博士学科：光学所在单位：物理系答辩日期：2012年6月授予学

2、位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O487U.D.C:537.226DissertationfortheDoctoralDegreeinScienceELECTROMECHANICALPROPERTYANDELECTRICFIELDINDUCEDDOMAINSWITCHINGOFLEADMAGNESIUMNIOBATEBASEDFERROELECTRICSINGLECRYSTALSCandidate：ZhuWangSupervisor：Prof.RuiZhangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofScienceSpecia

3、lity：OpticsAffiliation：DepartmentofPhysicsDateofDefence：June,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要弛豫铁电单晶是一类复杂的固溶体化合物，如铌锌酸铅-钛酸铅（PZN-PT）和铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）单晶，由于这类晶体具有十分优异的压电、铁电、声学和光学等性质，因此受到了人们的广泛关注。弛豫铁电单晶PZN-PT和PMN-PT随着PT组分的变化会发生结构相变，准同型相界（MPB）组分的弛豫铁电单晶PZN-PT和PMN-

4、PT表现出最优异的压电和铁电性质，同时也具有十分复杂的铁电电畴结构。由于材料的宏观物性都是其微观结构的外在表现，弛豫铁电单晶损耗特性（介电损耗、机械损耗、压电损耗）与铁电电畴畴壁贡献密切相关，对于弛豫铁电单晶损耗特性的研究可以揭示铁电电畴结构与宏观机电性质的密切关联，以及巨压电性质起源等物理问题。本文建立了一套利用阻抗（导纳）谱中五个特征参数研究弛豫铁电单晶复数机电性质的表征方法。研究了[001]c方向极化的弛豫铁电单晶PMN-0.29PT的复数机电性质，发现与传统压电陶瓷PZT-5H比较而言，PMN-0.29PT单晶具有非常小的介电损耗因子，但是机械损耗因子却与PZT-

5、5H陶瓷相似，表明弛豫铁电单晶PMN-PT是一类机械损耗较高的铁电单晶。弛豫铁电单晶中主要包含两类铁电电畴结构：非180°铁电电畴和180°铁电电畴。非180°铁电电畴则主要有71°、109°和90°铁电电畴。通过对PMN-0.30PT单晶偏光性质的研究发现在电场诱导铁电电畴反转过程中，非180°铁电电畴反转是晶体极化的主要过程，180°铁电电畴反转可以通过两个或者多个非180°铁电电畴的连续反转来实现。研究了PMN-0.38PT和PMN-0.30PT单晶损耗特性与极化电场的依赖关系。发现在极化过程中，PMN-0.38PT单晶介电损耗因子随着极化电场强度的增加而减小，而机

6、械损耗因子则随着极化电场强度的增加而增大。在研究PMN-0.30PT单晶损耗特性与极化电场依赖关系时，发现在90℃下PMN-0.30PT单晶可以被极化成为四方单畴结构，在单畴状态PMN-0.30PT单晶介电损耗因子和机械损耗因子都变得很小。这表明晶体的介电损耗主要源于非180°和180°铁电电畴畴壁的贡献，而机械损耗特性则主要来源于晶体内部非180°铁电电畴畴壁的贡献。随着弛豫铁电单晶生长技术的不断提高，最近人们成功生长出了大尺寸的三元系弛豫铁电单晶铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅（PIN-PMN-PT）。它不仅具有优异的压电性质，同时还具有较高的退极化温度和矫顽场，这些优异的

7、机电性质使这类新型弛豫铁电单晶更适合应用于中功率压电器件。本文研究了[001]c、[011]c和[111]c方向三元系弛豫铁电单晶PIN-0.49PMN-0.27PT在不同极化状态-I-哈尔滨工业大学理学博士学位论文下的退极化过程，发现在极化电场作用下不同晶向的PIN-0.49PMN-0.27PT单晶内部会诱导出不同的铁电中间相。同时证明了单斜相在极化后的铁电单晶中不能稳定存在。研究了[011]c和[111]c方向极化的PIN-0.49PMN-0.27PT单晶压电性质与温度的依赖关系，发现弛豫铁电单晶压电性质与自发极化取向密切