助熔剂法生长MPB组分PLZST弛豫反铁电单晶过程中的组份分凝与自发形核调控机制研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51172118
项目类别：
面上项目
资助金额：
60.0万
负责人：
李强
依托单位：
清华大学
学科分类：
E0201.人工晶体与玻璃材料
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
张一玲；李媛媛；罗能能；刘海瑞；高镜涵；
关键词：
组分分凝弛豫反铁电单晶 PLZST MPB 自发形核

项目摘要

通过筛选对MPB组分PLZST中各组元有较好溶解能力和稳定性的新型复合助熔剂，改变合成PLZST复合钙钛矿相晶体生长原料中各元素的比例方法来调整生长晶体的组分，使生长的PLZST单晶的相组成能处在所设计的MPB区域。引入能实现固液界面强制对流的坩埚变速旋转技术（ACRT）与助熔剂晶体生长技术相结合，控制自发成核数量，改善多组元体系熔体法生长晶体过程中易出现的固液界面的组分过冷状况。建立复合助熔剂条件下非一致熔体系MPB组分复合钙钛矿结构弛豫反铁电晶体生长的理论模型。通过连续变温和负载电场的下PLZST晶体中畴结构的形成与变化规律的探讨，了解MPB组分复合钙钛矿结构PLZST弛豫反铁电单晶中的结构相变与电致伸缩性能之间的影响关系,为大尺寸、高性能MPB组分复合钙钛矿结构PLZST弛豫反铁电单晶的制备与应用研究提供理论和实验依据。

结项摘要

(Pb, La)(Zr, Sn, Ti)O3（简称PLZST）是在PZ反铁电体系中引入La、Sn、Ti等元素而形成的具有复合钙钛矿结构的复杂化合物。当PLZST处于四方反铁电相（AFET）与三方铁电相（FER）形成的准同型相界（Morphotropic phase boundry，简称MPB）附近时，其结构会具有四方反铁电相和三方铁电相共存的典型特征，在外场作用下极易引起场致诱导相变，是实现瞬时能量转换，大尺寸位移应变和高效能量存贮的关键材料。然而，与上述性能相关的剩余极化强度、介电与晶胞参数的改变均与其结晶学取向密切相关，只有制备出具有特定结晶学取向的单晶材料，才能获得探索其结构与本征性能间相互关系的最直接实验证据，同时也是获得优异综合性能的重要途径。本项目从系统探讨PbO-PbF2-B2O3复合助熔剂体系的溶解特性入手，通过优化助熔剂条件下的缓冷与助熔剂蒸发工艺，有效改善了自发形核过程中的溶质输运方式，成功地实现了准同型相界组分高质量PLZST反铁电单晶制备，发展了缓慢冷却和助熔剂蒸发的加合模型。通过正交偏光显微镜观测设备与技术的研究，实现了不同切型PLZST单晶场致相变中畴结构变化的原位观察，发现(001)、(110)和(111)切型单晶中主要存在90°的四方相电畴，在(001)切型晶体中观察到了71°/109°的三方相电畴，且存在四方相和三方相电畴的过渡区域，这一结果不仅证实了所生长晶体组分设计的可靠性，而且为准同型相界材料的结构相变研究提供了重要的实验依据。不同切型的PLZST单晶的电场诱导结构相变研究结果表明，准同型相界组分PLZST反铁电单晶的新鲜样品在受到第一圈电场作用下即可转变成诱导铁电相，（111）切型晶体的剩余极化强度更是可达52 μC/cm2，这是已报到的该类块体材料的最高值。同时，诱导铁电相属亚稳态结构，会伴随温度升高而在退极化温度时回复为反铁电相，这种温度与电场交互作用下的可逆结构相变发生时，其介电常数、应变、剩余极化强度均会发生相应的突变。其中，(001)切型晶体的应变值在90℃时达0.50%，约为室温时应变的10倍以上，这些优异的性能将为能量转换和智能材料与结构系统设计提供重要的物质基础。