固相晶体生长技术的发展——从籽晶诱导到无籽晶生长

文章综合概述了固相法晶体生长技术的发展过程与研究进展。首先,回顾了在陶瓷烧结与冶金工艺中经常出现的晶粒异常长大现象,以及由此发展起来的固相法晶体生长技术。对固相法晶体生长工艺和应用领域等进行了简要介绍,对固相法晶体生长技术的典型应用案例和发展历程进行了叙述。然后,着重介绍了一种新的固相晶体生长技术——无籽晶固相晶体生长技术。对无籽晶固相晶体生长技术在无铅铁电压电晶体—铌酸钾钠基晶体中的应用进行详细介绍,并将该方法与常规的高温熔体法和籽晶诱导固相法晶体生长技术的特点进行了比较。最后,在介绍当前关于固相法晶体生长机理讨论的基础上,针对无籽晶固相晶体生长技术,提出了一种新的综合机制模型,力图解释无籽晶固相晶体生长的机理。对无籽晶固相晶体生长技术当前存在的问题以及未来的发展,分别进行了简要的说明与展望。

无籽固相法生长的K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3基压电单晶预合成工艺、结构与性能

采用无籽固相晶体生长技术制备99.7(99.6K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3-0.4LiBiO_3)-0.3CaZrO_3无铅压电单晶,研究了预合成温度对合成粉末的特性以及后续生长的单晶生长特性、微结构、压电和介电性能的影响。结果表明:随着预合成温度的升高,合成粉末趋于形成更稳定的正交相结构,但粉末粒度和形貌没有明显变化。采用不同预合成温度合成的粉末均能制备出厘米级的单晶,晶体呈淡黄色半透明状。在研究范围内,预合成温度的变化对晶体的生长特性和晶体结构没有明显影响。但随着预合成温度的升高,晶体压电常数d33先增加后减小,当预合成温度为850℃时,达到最大值d33=284 p C/N。

降温速率对无籽固相法生长铌酸钾钠基单晶结构和性能的影响

采用无籽固相晶体生长法制备了铌酸钾钠基压电单晶,研究了晶体生长降温阶段的冷却速率对该单晶的结构和性能的影响。结果表明:通过优化降温速率有利于单晶的生长,易生长尺寸更大的单晶体;当降温速率较低时,晶体表面更平坦,晶体质量较高;在研究范围内,降温速率的改变对单晶的晶体结构的影响较小;当降温速率为2.0℃/min时,所制备的铌酸钾钠基压电单晶表现出优异的压电性能,其正压电系数d33达510 pC/N,逆压电系数d^*33达1 425 pm/V,同时晶体还具有较低的介电损耗tanδ=0.02,且Curie温度较高TC=416℃,和剩余极化强度Pr=20μC/cm2。通过优化降温速率采用无籽固相法生长的铌酸钾钠基单晶是一种较有前景的压电铁电单晶材料,具有较大的潜在应用价值。

钛酸根基无铅压电陶瓷预制体单晶化研究

为了研究LiBiO 3(LB)掺杂量和生长温度对Bi 0.5(Na 0.5 K 0.5)TiO 3(BNKT)基陶瓷预制体向单晶体转化的影响,采用无籽固相晶体生长技术,制备了系列微量LB掺杂的BNKT实验样品,同时研究了BNKT基陶瓷预制体向单晶体转化的机理。研究表明,通过在BNKT中引入微量LB,可实现BNKT基陶瓷预制体向单晶体的转化,条状单晶在其长度方向上以一维堆积方式生长,在径向方向则以二维层状堆积方式生长。单晶具有四方相钙钛矿结构,晶体中各元素分布较为均匀,个别元素挥发较严重;在生长温度和保温时间相同的条件下,随着LB掺杂量的增加,总体上BNKT基陶瓷基体中生长出更多的细条状BNKT基单晶;当LB掺杂量一定时,随着生长温度的升高,细条状BNKT基单晶尺寸略有增加,但数量先增加后减少,过高的生长温度使陶瓷基体发生严重变形、起翘。

MgO掺杂铌酸钾钠基晶体材料的制备、结构及性能

采用无籽固相晶体生长法制备MgO掺杂的K0.5Na0.5NbO3基无铅压电单晶。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和压电铁电测试仪等研究了MgO掺杂对K0.5Na0.5NbO3基晶体的生长、微结构和压电铁电性能的影响。结果表明:添加MgO后,仍可采用无籽固相晶体生长法制备出K0.5Na0.5NbO3基单晶;MgO的加入没有明显改变K0.5Na0.5NbO3基单晶的晶体结构,MgO溶入铌酸钾钠晶格形成了均匀的固溶体;适量MgO的添加有利于提高K0.5Na0.5NbO3基单晶的压电和铁电性能、降低介电损耗,当MgO的掺杂量为0.6%(质量分数)时,K0.5Na0.5NbO3基单晶的压电常数d33=203 pC/N,介电损耗tanδ=0.028,介电常数ε=221,矫顽电场Ec=7 kV/cm,剩余极化强度Pr=36.5μC/cm^2。