一種三元系弛豫鐵電壓電晶體及其多溫區(qū)生長(zhǎng)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種三元系弛豫鐵電壓電晶體及其多溫區(qū)生長(zhǎng)方法，屬于晶體生長(zhǎng)【技術(shù)領(lǐng)域】，該三元系弛豫鐵電晶體材料化學(xué)組成為：xPb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-zPbTiO3(PIMNT)，0<x≤0.7，0<y≤0.7，z＝1-x-y。所述的該三元系弛豫鐵電壓電晶體材料通過(guò)熔體法制備，采用多溫區(qū)改進(jìn)Bridgman法(VB)進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，主要步驟包括：原料合成、溫區(qū)調(diào)整、升溫熔化、下降生長(zhǎng)、熱處理等過(guò)程。本發(fā)明所述的弛豫鐵電壓電晶體的多溫區(qū)生長(zhǎng)技術(shù)所生長(zhǎng)的PIMNT晶體，不僅具有相變溫度高、耐電壓高、應(yīng)變量大等特點(diǎn)，而且具有完整性好、無(wú)開(kāi)裂、力學(xué)強(qiáng)度高、缺陷密度低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于PIMNT晶體性能的改善和在相關(guān)器件，尤其是大功率器件上的應(yīng)用，具有非常廣闊的前景。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種三元系弛豫鐵電壓電晶體及其多溫區(qū)生長(zhǎng)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及晶體生長(zhǎng)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種弛豫鐵電壓電晶體的多溫區(qū)生長(zhǎng)方法，具體涉及一種三元系弛豫鐵電壓電晶體及其多溫區(qū)生長(zhǎng)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，壓電材料由于其優(yōu)異的壓電性能在電聲、水聲及超聲等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，弛豫鐵電壓電晶體材料更是由于其相對(duì)于壓電陶瓷高出幾十倍、甚至上百倍的壓電性能而被高度關(guān)注。弛豫鐵電壓電晶體材料的壓電常數(shù)可達(dá)2000~3000pC/N，室溫介電常數(shù)高達(dá)4000~6000，機(jī)電耦合系數(shù)大于90 %，最大應(yīng)變量可達(dá)1.0~2.0 %，貯能密度達(dá)到130J/kg。與二元系弛豫鐵電壓電晶體材料相比，三元系弛豫鐵電壓電晶體材料具有更高的應(yīng)用溫度范圍、耐電壓強(qiáng)度性能以及容易生長(zhǎng)等特點(diǎn)。因此，在醫(yī)學(xué)超聲成像、水聲通信系統(tǒng)、高應(yīng)變執(zhí)行系統(tǒng)、高貯能密度系統(tǒng)、機(jī)敏系統(tǒng)及微電子機(jī)械加工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]成功生長(zhǎng)高質(zhì)量的弛豫鐵電壓電晶體是相應(yīng)器件制備的關(guān)鍵技術(shù)。如上所述，三元系弛豫鐵電壓電晶體大大地?cái)U(kuò)展了器件的應(yīng)用范圍和需求，使得弛豫鐵電壓電晶體在更多領(lǐng)域的應(yīng)用真正地成為了可能，這就需要能夠生長(zhǎng)出高質(zhì)量的弛豫鐵電壓電晶體材料。目前，除了弛豫鐵電壓電晶體的生長(zhǎng)成功率和生長(zhǎng)效率備受關(guān)注外，晶體的完整性、開(kāi)裂、力學(xué)強(qiáng)度以及缺陷等也在制約著弛豫鐵電壓電晶體的應(yīng)用。為了解決這一系列問(wèn)題，弛豫鐵電壓電晶體的生長(zhǎng)技術(shù)至關(guān)重要，尤其是對(duì)于大功率器件上的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種三元系弛豫鐵電壓電晶體及其多溫區(qū)生長(zhǎng)方法，該方法能夠有效解決弛豫鐵電壓電晶體生長(zhǎng)中晶體質(zhì)量和性能的問(wèn)題，為成功生長(zhǎng)弛豫鐵電晶體材料打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0006]一種三元系弛豫鐵電壓電晶體的多溫區(qū)生長(zhǎng)方法，包括以下步驟:
[0007] I)選擇PIMNT單晶，經(jīng)定向切割、機(jī)械拋光，制作得到籽晶，將制得的籽晶腐蝕、清洗后吹干備用；其中，P頂NT 單晶化學(xué)組成為 xPb (In1/2Nb1/2)03_yPb(Mg1/3Nb2/3) O3-ZPbT13,其中，0〈x ^ 0.7,0〈y ^ 0.7, z = Ι-χ-y ；
[0008]2)將經(jīng)步驟I)處理的籽晶置于Pt坩堝底部的籽晶袋中，且將籽晶的引晶生長(zhǎng)面朝上，再加入PMNT晶體原料，然后將焊封后的Pt坩堝置于剛玉襯鍋中；
[0009]3)將內(nèi)置有焊封Pt坩堝的剛玉襯鍋置于多溫區(qū)改進(jìn)型Bridgman晶體生長(zhǎng)設(shè)備中，在18~20小時(shí)內(nèi)將高溫區(qū)的溫度升至1340~1450°C，低溫區(qū)溫度升至1050~1100°C，達(dá)到目標(biāo)溫度后，再過(guò)熱10~15小時(shí)，然后以每小時(shí)0.2~0.8mm的速度下降支撐桿，直至完成晶體生長(zhǎng)過(guò)程；
[0010]4)晶體生長(zhǎng)完成后，將高溫區(qū)和低溫區(qū)溫度降至1000~1050°C進(jìn)行原位退火，然后再緩慢降溫至室溫，制得三元系弛豫鐵電壓電晶體。
[0011]步驟I)所述的籽晶為〈011〉、〈111〉或〈001〉晶向籽晶。
[0012]步驟I)所述的將籽晶腐蝕、清洗的操作，具體為:用腐蝕液將籽晶腐蝕3~4min后，用無(wú)水乙醇超聲清洗5~1min ;腐蝕液為HCl與HF按體積比為(4:1)~(3:1)配制--? 。
[0013]步驟I)所述的吹干是將經(jīng)腐蝕、清洗后的籽晶用N2氣吹干。
[0014]步驟2)所述的籽晶袋比籽晶的長(zhǎng)度長(zhǎng)出5~10mm。
[0015]步驟2)所述PMNT晶體原料以陶瓷塊狀形式裝填在Pt坩堝中。
[0016]一種三元系弛豫鐵電壓電晶體，該三元系弛豫鐵電壓電晶體在室溫下的縱向壓電系數(shù)d33為1400~2500pC/N，縱向機(jī)電耦合系數(shù)k33為90~95% ;單軸抗壓強(qiáng)度為550~650MPa，晶片中殘余應(yīng)力值低于50MPa，缺陷密度低于18CnT2 ;且該弛豫鐵電壓電晶體的三方-四方相變溫度為110~130°C，居里溫度為160~210°C，矯頑場(chǎng)為4~7kV/cm，室溫下介電常數(shù)為4000~6000，在居里溫度相變點(diǎn)介電常數(shù)為27000~28000。
[0017]該三元系弛豫鐵電壓電晶體的三方相PMNT晶體在〈111〉晶向的室溫?zé)後岆娤禂?shù)為 8X l(T4C/m2K，優(yōu)值因子 Fd 為 1.09X lirtV"2，100°C時(shí)的熱釋電系數(shù)為 13.3X l(T4C/m2K。
[0018]該三元系弛豫鐵電壓電晶體的四方相PMNT晶體在〈001〉晶向的室溫?zé)後岆娤禂?shù)為 6X10_4C/m2K，優(yōu)值因子 Fd* 1.17X 10_4Pa_1/2，100°C時(shí)的熱釋電系數(shù)為 8.5X10_4C/m2K。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0020]本發(fā)明采用籽晶引導(dǎo)多溫區(qū)改進(jìn)Bridgman法生長(zhǎng)PMNT晶體，有效提高了 PMNT單晶率，獲得了大體積PIMNT晶體，降低了成本，操作簡(jiǎn)單易行。本發(fā)明采用的多溫區(qū)改進(jìn)型Bridgman晶體生長(zhǎng)設(shè)備包含多個(gè)加熱區(qū)，能夠形成近線性梯度溫場(chǎng)，而且可實(shí)現(xiàn)梯度溫區(qū)軸向等速移動(dòng)。本發(fā)明的生長(zhǎng)方法，有效地改善了晶體質(zhì)量，解決了晶體開(kāi)裂及力學(xué)性能低的問(wèn)題，大大地減小了晶錠中的殘余應(yīng)力，提高了晶體生長(zhǎng)的成功率及晶體的性能，達(dá)到了大功率器件制作的基本要求。
[0021]進(jìn)一步地，本發(fā)明的籽晶袋比籽晶的長(zhǎng)度長(zhǎng)出5~10mm，這種新的籽晶袋設(shè)計(jì)，有效降低了晶體中的缺陷密度，提高了晶體完整性和晶體質(zhì)量。
[0022]進(jìn)一步地，本發(fā)明PMNT晶體原料以陶瓷塊狀形式裝填晶體生長(zhǎng)用坩堝中，大大提聞了 Pt i甘禍的有效裝料量，加長(zhǎng)了晶體生長(zhǎng)長(zhǎng)度，節(jié)約了生長(zhǎng)時(shí)間，提聞了生長(zhǎng)效率。
[0023]經(jīng)本發(fā)明方法制得的三元系弛豫鐵電壓電晶體，不僅具有相變溫度高、耐電壓高、應(yīng)變量大等特點(diǎn)，而且具有完整性好、無(wú)開(kāi)裂、力學(xué)強(qiáng)度高、缺陷密度低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于PMNT晶體性能的改善和在相關(guān)器件，尤其是大功率器件上的應(yīng)用，具有非常廣闊的前景。具體性能參數(shù)優(yōu)勢(shì)如下:
[0024]1、所制備的三元系弛豫鐵電壓電晶體具有優(yōu)異的力學(xué)性能:單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)550~650MPa，晶片中殘余應(yīng)力值低于50MPa，缺陷密度低于18CnT2 ；
[0025]2、所制備的三元系弛豫鐵電壓電晶體具有優(yōu)異的壓電性能:室溫下其縱向壓電系數(shù)d33高達(dá)1400~2500pC/N，縱向機(jī)電耦合系數(shù)k33高達(dá)90~95% ;
[0026]3、所制備的三元系弛豫鐵電壓電晶體具有更高的三方四方相變溫度(110~130°C )，更高的居里溫度(160~210°C )，更高的矯頑場(chǎng)(4~7kV/cm)，室溫下介電常數(shù)約為4000~6000，在居里溫度相變點(diǎn)介電常數(shù)高達(dá)27000~28000 ；
[0027]4、所制備的弛豫鐵電壓電晶體具有優(yōu)異的熱釋電性能:三方相PMNT晶體在〈111>晶向的室溫?zé)後岆娤禂?shù)約為8 X 10_4C/m2K，優(yōu)值因子Fd約為1.09 X 10_4Pa_1/2，100°C時(shí)其熱釋電系數(shù)可達(dá)13.3X 10_4C/m2K。四方相PMNT晶體在〈001〉晶向的室溫?zé)後岆娤禂?shù)約為6Xl(T4C/m2K，優(yōu)值因子Fd約為1.17X lirtV"2，100°C時(shí)其熱釋電系數(shù)可達(dá)8.5 X KT4C/m2K0

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是實(shí)施例1采用改進(jìn)的Bridgman法生長(zhǎng)的PMNT晶體照片；
[0029]圖2是實(shí)施例1采用改進(jìn)的Bridgman法生長(zhǎng)的PMNT晶體的(002)晶面的X_ray搖擺曲線圖；
[0030]圖3是實(shí)施例1采用改進(jìn)的Bridgman法生長(zhǎng)的PMNT晶體的X_ray衍射圖譜；
[0031]圖4是實(shí)施例1生長(zhǎng)的PMNT晶體的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系曲線圖；
[0032]圖5是實(shí)施例1生長(zhǎng)的PMNT晶體的電滯回線圖；
[0033]圖6是實(shí)施例1和實(shí)施例2生長(zhǎng)的三方相PMNT晶體在〈111〉晶向和四方相PMNT晶體在〈001〉晶向的熱釋電系數(shù)隨溫度的變化曲線圖；
[0034]圖7是實(shí)施例2生長(zhǎng)的PMNT晶體的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系曲線圖；
[0035]圖8是實(shí)施例2生長(zhǎng)的PIMNT晶體的介電常數(shù)與頻率的關(guān)系曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0037]本發(fā)明所涉及的物相分析測(cè)試采用Rigaku D/max_2400型X_ray衍射儀,并利用其所附帶軟件對(duì)所測(cè)試樣品物相進(jìn)行詳細(xì)分析；溫度一介電常數(shù)關(guān)系的測(cè)試采用HP4284和高溫加熱爐組合介電溫度譜測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定，所用電極為銀電極，采用平板電容器模式通過(guò)測(cè)定的電容計(jì)算介電常數(shù)并實(shí)時(shí)記錄；電場(chǎng)一極化強(qiáng)度關(guān)系的測(cè)試采用TF ANALYZER2000鐵電測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定；熱釋電系數(shù)的測(cè)量采用Byer-Roundy法，通過(guò)LINKAM冷熱臺(tái)控溫，由KEITHLEY6485皮安計(jì)測(cè)量熱電流。
[0038]本發(fā)明方法所制備出的PIMNT晶體材料，其晶體化學(xué)組成為:xPb (In1/2Nb1/2)03-yPb (Mg1/3Nb2/3) O3-ZPbT13 (PMNT)，0〈x ( 0.7,0<y ≤ 0.7，z = l_x_y。
[0039]實(shí)施例1
[0040]本發(fā)明弛豫鐵電壓電晶體的多溫區(qū)生長(zhǎng)技術(shù)，包括以下步驟:
[0041]I)為了提高晶體生長(zhǎng)效率、坩堝利用率和降低成本，參照專(zhuān)利號(hào)為201410076798.8，公布號(hào)為CN103866386A的發(fā)明專(zhuān)利所述方法，按照
0.25PIN-0.42PMN-0.33PT的化學(xué)計(jì)量比(其中P指Pb, IN為IN粉料，MN為MN粉料，T為T(mén)i)進(jìn)行配料，并燒結(jié)合成晶體生長(zhǎng)用陶瓷原料。
[0042]2)選擇〈011〉晶向的PMNT單晶，經(jīng)定向切割、機(jī)械拋光后制作籽晶，用HCl = HF =4:1~3:1體積比配制的溶液腐蝕籽晶3~4min，腐蝕完畢后用無(wú)水乙醇超聲清洗5~10分鐘，然后取出后用N2氣吹干；
[0043]3)清洗并干燥晶體生長(zhǎng)用的Pt坩堝，然后將經(jīng)過(guò)步驟2)處理的籽晶放入Pt坩堝底部的籽晶袋中，籽晶的引晶生長(zhǎng)面朝上，再放入步驟I)合成的PMNT陶瓷原料，焊封Pt坩堝，然后將Pt坩堝置入剛玉襯堝中；
[0044]4)將經(jīng)過(guò)步驟3)內(nèi)置焊封的Pt坩堝的剛玉襯堝放入多溫區(qū)改進(jìn)型Bridgman晶體生長(zhǎng)設(shè)備中，開(kāi)始加熱，在18~20小時(shí)內(nèi)將高溫區(qū)的溫度升至1340~1450°C，低溫區(qū)溫度升至1050~1100°C，達(dá)到目標(biāo)溫度后，再過(guò)熱10~15小時(shí)，以每小時(shí)0.2~0.8mm的速度下降支撐桿，直至完成晶體生長(zhǎng)過(guò)程；
[0045]5)晶體生長(zhǎng)完成后，逐漸將高溫區(qū)和低溫區(qū)溫度降至1000~1050°C進(jìn)行原位退火，然后再緩慢降溫至室溫，關(guān)閉電源。
[0046]本實(shí)施例得到0 OTX 140mm的〈011〉晶向引導(dǎo)的PMNT晶體，結(jié)晶良好，性能優(yōu)巳
[0047]參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例采用改進(jìn)的Bridgman法生長(zhǎng)的PMNT晶體的照片，由圖1可以看出，本實(shí)施例所制備的PIMNT晶體表面光潔、明亮、均勻、結(jié)構(gòu)致密，沒(méi)有雜晶、空洞、氣泡、裂紋、毛剌等缺陷。切開(kāi)后對(duì)晶片進(jìn)行觀察，整個(gè)晶片為一個(gè)完整的單晶。所生長(zhǎng)的PIMNT晶體比較完整，具有較好的結(jié)晶質(zhì)量。
[0048]參見(jiàn)圖2，本實(shí)施例采用改進(jìn)的Bridgman法生長(zhǎng)的PMNT晶體的(002)晶面的X-ray搖擺曲線。從圖2可以看到,衍射峰的峰位位于Θ =24° ,與PIMNT的(002)面的理論衍射角非常接近。衍射峰的峰高較高，峰形基本呈對(duì)稱(chēng)分布，表明所生長(zhǎng)的PMNT晶體中的位錯(cuò)密度、結(jié)構(gòu)缺陷和殘余應(yīng)力較小。所生長(zhǎng)的PMNT的位錯(cuò)密度小于108cm_2。
[0049] 參見(jiàn)圖3，本實(shí)施例采用改進(jìn)的Bridgman法生長(zhǎng)的PMNT晶體的Χ-ray衍射圖譜。從圖3中可以看出，本實(shí)施例所生長(zhǎng)的PMNT晶體為三方相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，具有很好的單相性，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)焦綠石等雜相的出現(xiàn)。
[0050]參見(jiàn)圖4，本實(shí)施例生長(zhǎng)的PMNT晶體的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系曲線。從圖4中可見(jiàn):本實(shí)施例所生長(zhǎng)的PMNT晶體在室溫下介電常數(shù)約為4000~6000，三方一四方相變溫度約為123°C，居里溫度約為164°C，在居里溫度相變點(diǎn)介電常數(shù)高達(dá)27000~28000。
[0051]參見(jiàn)圖5，本實(shí)施例生長(zhǎng)的PMNT晶體的電滯回線。從圖5中可見(jiàn):本實(shí)施例所生長(zhǎng)的PIMNT晶體的矯頑場(chǎng)約為5kV/cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二元系PMN-PT的矯頑場(chǎng)(約2kV/cm)。而分析測(cè)試還表明，所生長(zhǎng)PMNT晶體的壓電系數(shù)d33可達(dá)2000pC/N以上，機(jī)電耦合系數(shù)k33可達(dá)93%。
[0052]參見(jiàn)圖6，本實(shí)施例生長(zhǎng)的三方相PMNT晶體在〈111〉晶向的熱釋電系數(shù)隨溫度的變化曲線。從圖6中可以看出，本實(shí)施例所生長(zhǎng)的PMNT晶體在〈111〉晶向的室溫?zé)後岆娤禂?shù)約為8 X 10_4C/m2K，優(yōu)值因子Fd約為1.09 X 10_4Pa_1/2，100°C時(shí)其熱釋電系數(shù)可達(dá)13.3X10_4C/m2K。在-100°C~100°C溫度范圍內(nèi)，熱釋電系數(shù)隨溫度的變化率凈/VT約為
4.5Xl(T6(C/m2K)/°C。
[0053]實(shí)施例2
[0054]本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于:按照0.05PIN-0.58PMN-0.37PT的化學(xué)計(jì)量比(其中P指Pb，IN為IN粉料，MN為MN粉料，T為T(mén)i)進(jìn)行配料，并燒結(jié)合成晶體生長(zhǎng)用陶瓷原料；其余內(nèi)容與實(shí)施例1中所述完全相同。
[0055]I)為了提高晶體生長(zhǎng)效率、坩堝利用率和降低成本，參照專(zhuān)利號(hào)為201410076798.8，公布號(hào)為CN103866386A的發(fā)明專(zhuān)利所述方法，按照0.05PIN-0.58PMN-0.37PT的化學(xué)計(jì)量比(其中P指Pb, IN為IN粉料，MN為MN粉料，T為T(mén)i)進(jìn)行配料，并燒結(jié)合成晶體生長(zhǎng)用陶瓷原料。
[0056]2)選擇〈011〉晶向的PMNT單晶，經(jīng)定向切割、機(jī)械拋光后制作籽晶，用HCl = HF =4:1~3:1體積比配制的溶液腐蝕籽晶3~4min，腐蝕完畢后用無(wú)水乙醇超聲清洗5~10分鐘，然后取出后用N2氣吹干；
[0057]3)清洗并干燥晶體生長(zhǎng)用的Pt坩堝，然后將經(jīng)過(guò)步驟2)處理的籽晶放入Pt坩堝底部的籽晶袋中，籽晶的引晶生長(zhǎng)面朝上，再放入步驟I)合成的PMNT陶瓷原料，焊封Pt坩堝，然后將Pt坩堝置入剛玉襯堝中；
[0058]4)將經(jīng)過(guò)步驟3)內(nèi)置焊封的Pt坩堝的剛玉襯堝放入多溫區(qū)改進(jìn)型Bridgman晶體生長(zhǎng)設(shè)備中，開(kāi)始加熱，在18~20小時(shí)內(nèi)將高溫區(qū)的溫度升至1340~1450°C，低溫區(qū)溫度升至1050~1100°C，達(dá)到目標(biāo)溫度后，再過(guò)熱10~15小時(shí)，以每小時(shí)0.2~0.8mm的速度下降支撐桿，直至完成晶體生長(zhǎng)過(guò)程；
[0059]5)晶體生長(zhǎng)完成后，逐漸將高溫區(qū)和低溫區(qū)溫度降至1000~1050°C進(jìn)行原位退火，然后再緩慢降溫至室溫，關(guān)閉電源。
[0060]本實(shí)施例得到0 55 X 140mm的〈011〉晶向引導(dǎo)的PMNT晶體，結(jié)晶良好，性能優(yōu)異。
[0061]參見(jiàn)圖6，本實(shí)施例生長(zhǎng)的四方相PMNT晶體在〈001〉晶向的熱釋電系數(shù)隨溫度的變化曲線。從圖6中可以看出，本實(shí)施例所生長(zhǎng)的PMNT晶體在〈001〉晶向的室溫?zé)後岆娤禂?shù)約為6X10_4C/m2K，優(yōu)值因子Fd約為1.17X 10_4Pa_1/2，100°C時(shí)其熱釋電系數(shù)可達(dá)
8.5X10_4C/m2K。在-100°C~100°C溫度范圍內(nèi)，熱釋電系數(shù)隨溫度的變化率凈/ZT約為
1.6Xl(T6(C/m2K)/°C。
[0062]參見(jiàn)圖7，實(shí)施例2生長(zhǎng)的PMNT晶體的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系曲線。從圖7中可見(jiàn):本實(shí)施例所生長(zhǎng)的PMNT晶體在室溫下介電常數(shù)約為450~600，居里溫度約為205°C，在居里溫度相變點(diǎn)介電常數(shù)高達(dá)30000~35000。
[0063]參見(jiàn)圖8，實(shí)施例2生長(zhǎng)的PMNT晶體的介電常數(shù)與頻率的關(guān)系曲線。從圖8中可見(jiàn):本實(shí)施例所生長(zhǎng)的PMNT晶體室溫下在O~1kHz范圍內(nèi)介電常數(shù)幾乎不變，約為470，同時(shí)介電損耗也只有約0.13%，因此其優(yōu)值因子高達(dá)1.17X10_4Pa_1/2。
[0064]實(shí)施例3
[0065]本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于:按照0.25PIN-0.42PMN-0.33PT的化學(xué)計(jì)量比(其中P指Pb，IN為IN粉料，MN為MN粉料，T為T(mén)i)進(jìn)行配料，并燒結(jié)合成晶體生長(zhǎng)用陶瓷原料；其余內(nèi)容與實(shí)施例1中所述完全相同。
[0066]I)為了提高晶體生長(zhǎng)效率、坩堝利用率和降低成本，參照專(zhuān)利號(hào)為201410076798.8，公布號(hào)為CN103866386A的發(fā)明專(zhuān)利所述方法，按照0.25PIN-0.42PMN-0.33PT的化學(xué)計(jì)量比(其中P指Pb, IN為IN粉料，MN為MN粉料，T為T(mén)i)進(jìn)行配料，并燒結(jié)合成晶體生長(zhǎng)用陶瓷原料。
[0067]2)選擇高熔點(diǎn)〈001〉晶向的PMNT單晶，經(jīng)定向切割、機(jī)械拋光后制作籽晶，用HCliHF = 4:1~3:1體積比配制的溶液腐蝕籽晶3~4min，腐蝕完畢后用無(wú)水乙醇超聲清洗5~10分鐘，然后取出后用N2氣吹干；
[0068]3)清洗并干燥晶體生長(zhǎng)用的Pt坩堝，然后將經(jīng)過(guò)步驟2)處理的籽晶放入Pt坩堝底部的籽晶袋中，籽晶的引晶生長(zhǎng)面朝上，再放入步驟I)合成的PMNT陶瓷原料，焊封Pt坩堝，然后將Pt坩堝置入剛玉襯堝中；
[0069]4)將經(jīng)過(guò)步驟3)內(nèi)置焊封的Pt坩堝的剛玉襯堝放入多溫區(qū)改進(jìn)型Bridgman晶體生長(zhǎng)設(shè)備中，開(kāi)始加熱，在18~20小時(shí)內(nèi)將高溫區(qū)的溫度升至1340~1450°C，低溫區(qū)溫度升至1050~1100°C，達(dá)到目標(biāo)溫度后，再過(guò)熱10~15小時(shí)，以每小時(shí)0.2~0.8mm的速度下降支撐桿，直至完成晶體生長(zhǎng)過(guò)程；
[0070]5)晶體生長(zhǎng)完成后，逐漸將高溫區(qū)和低溫區(qū)溫度降至1000~1050°C進(jìn)行原位退火，然后再緩慢降溫至室溫，關(guān)閉電源。
[0071 ] 本實(shí)施例得到040 X 10mm的〈001〉晶向引導(dǎo)的PMNT晶體，結(jié)晶良好，性能優(yōu)異。
[0072]實(shí)施例4
[0073]本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于:按照0.68PIN-0.05PMN-0.27PT的化學(xué)計(jì)量比(其中P指Pb，IN為IN粉料，MN為MN粉料，T為T(mén)i)進(jìn)行配料，并燒結(jié)合成晶體生長(zhǎng)用陶瓷原料；其余內(nèi)容與實(shí)施例1中所述完全相同。
[0074]I)為了提高晶體生長(zhǎng)效率、坩堝利用率和降低成本，參照專(zhuān)利號(hào)為201410076798.8，公布號(hào)為CN103866386A的發(fā)明專(zhuān)利所述方法，按照
0.68PIN-0.05PMN-0.27PT的化學(xué)計(jì)量比(其中P指Pb, IN為IN粉料，MN為MN粉料，T為T(mén)i)進(jìn)行配料，并燒結(jié)合成晶體生長(zhǎng)用陶瓷原料。
[0075]2)選擇高熔點(diǎn)〈011〉晶向的PMNT單晶，經(jīng)定向切割、機(jī)械拋光后制作籽晶，用HCliHF = 4:1~3:1體積比配制的溶液腐蝕籽晶3~4min，腐蝕完畢后用無(wú)水乙醇超聲清洗5~10分鐘，然后取出后用N2氣吹干；
[0076]3)清洗并干燥晶體生長(zhǎng)用的Pt坩堝，然后將經(jīng)過(guò)步驟2)處理的籽晶放入Pt坩堝底部的籽晶袋中，籽晶的引晶生長(zhǎng)面朝上，再放入步驟I)合成的PMNT陶瓷原料，焊封Pt坩堝，然后將Pt坩堝置入剛玉襯堝中；
[0077]4)將經(jīng)過(guò)步驟3)內(nèi)置焊封的Pt坩堝的剛玉襯堝放入多溫區(qū)改進(jìn)型Bridgman晶體生長(zhǎng)設(shè)備中，開(kāi)始加熱，在18~20小時(shí)內(nèi)將高溫區(qū)的溫度升至1340~1450°C，低溫區(qū)溫度升至1050~1100°C，達(dá)到目標(biāo)溫度后，再過(guò)熱10~15小時(shí)，以每小時(shí)0.2~0.8mm的速度下降支撐桿，直至完成晶體生長(zhǎng)過(guò)程；
[0078]5)晶體生長(zhǎng)完成后，逐漸將高溫區(qū)和低溫區(qū)溫度降至1000~1050°C進(jìn)行原位退火，然后再緩慢降溫至室溫，關(guān)閉電源。
[0079]本實(shí)施例得到0 55 X 140mm的〈011〉晶向引導(dǎo)的PMNT晶體，結(jié)晶良好，性能優(yōu)異。
[0080]由上述實(shí)施例1-4結(jié)果可見(jiàn)，本發(fā)明所述的弛豫鐵電壓電晶體的多溫區(qū)生長(zhǎng)技術(shù)所生長(zhǎng)的PMNT晶體，不僅具有相變溫度高、耐電壓高、應(yīng)變量大等特點(diǎn)，而且具有完整性好、無(wú)開(kāi)裂、力學(xué)強(qiáng)度高、缺陷密度低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于PIMNT晶體性能的改善和在相關(guān)器件，尤其是大功率器件上的應(yīng)用，具有非常廣闊的前景。
[0081]對(duì)于本發(fā)明應(yīng)當(dāng)注意的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而不限制本發(fā)明，在本發(fā)明技術(shù)方案基礎(chǔ)上所進(jìn)行的修改或者替換等相近或者類(lèi)似的行為，不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范疇，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種三元系弛豫鐵電壓電晶體的多溫區(qū)生長(zhǎng)方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)選擇PIMNT單晶，經(jīng)定向切割、機(jī)械拋光，制作得到籽晶，將制得的籽晶腐蝕、清洗后吹干備用；其中，PIMNT 單晶化學(xué)組成為 xPb (In1/2Nb1/2)03_yPb(Mg1/3Nb2/3) O3-ZPbT13，其中，0〈x ^ 0.7,0〈y ^ 0.7, z = Ι-χ-y ； 2)將經(jīng)步驟I)處理的籽晶置于Pt坩堝底部的籽晶袋中，且將籽晶的引晶生長(zhǎng)面朝上，再加入PMNT晶體原料，然后將焊封后的Pt坩堝置于剛玉襯鍋中； 3)將內(nèi)置有焊封Pt坩堝的剛玉襯鍋置于多溫區(qū)改進(jìn)型Bridgman晶體生長(zhǎng)設(shè)備中，在18~20小時(shí)內(nèi)將高溫區(qū)的溫度升至1340~1450°C，低溫區(qū)溫度升至1050~1100°C，達(dá)到目標(biāo)溫度后，再過(guò)熱10~15小時(shí)，然后以每小時(shí)0.2~0.8mm的速度下降支撐桿，直至完成晶體生長(zhǎng)過(guò)程； 4)晶體生長(zhǎng)完成后，將高溫區(qū)和低溫區(qū)溫度降至1000~1050°C進(jìn)行原位退火，然后再緩慢降溫至室溫，制得三元系弛豫鐵電壓電晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三元系弛豫鐵電壓電晶體的多溫區(qū)生長(zhǎng)方法，其特征在于，步驟I)所述的籽晶為〈011〉、〈111〉或〈001〉晶向籽晶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三元系弛豫鐵電壓電晶體的多溫區(qū)生長(zhǎng)方法，其特征在于，步驟I)所述的將籽晶腐蝕、清洗的操作，具體為:用腐蝕液將籽晶腐蝕3~4min后，用無(wú)水乙醇超聲清洗5~1min ;腐蝕液為HCl與HF按體積比為(4:1)~(3:1)配制而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三元系弛豫鐵電壓電晶體的多溫區(qū)生長(zhǎng)方法，其特征在于，步驟I)所述的吹干是將經(jīng)腐蝕、清洗后的籽晶用N2氣吹干。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三元系弛豫鐵電壓電晶體的多溫區(qū)生長(zhǎng)方法，其特征在于，步驟2)所述的籽晶袋比籽晶的長(zhǎng)度長(zhǎng)出5~10mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三元系弛豫鐵電壓電晶體的多溫區(qū)生長(zhǎng)方法，其特征在于，步驟2)所述PIMNT晶體原料以陶瓷塊狀形式裝填在Pt坩堝中。
7.權(quán)利要求1~6中任意一項(xiàng)所述的方法制得的三元系弛豫鐵電壓電晶體，其特征在于，該三元系弛豫鐵電壓電晶體在室溫下的縱向壓電系數(shù)d33為1400~2500pC/N，縱向機(jī)電耦合系數(shù)k33為90~95% ;單軸抗壓強(qiáng)度為550~650MPa，晶片中殘余應(yīng)力值低于50MPa，缺陷密度低于18CnT2 ;且該弛豫鐵電壓電晶體的三方-四方相變溫度為110~130°C，居里溫度為160~210°C，矯頑場(chǎng)為4~7kV/cm，室溫下介電常數(shù)為4000~6000，在居里溫度相變點(diǎn)介電常數(shù)為27000~28000。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三元系弛豫鐵電壓電晶體，其特征在于，該三元系弛豫鐵電壓電晶體的三方相P頂NT晶體在〈I11>晶向的室溫?zé)後岆娤禂?shù)為8 X 10_4C/m2K，優(yōu)值因子Fd為 1.09Xl(rtV1/2，100°C時(shí)的熱釋電系數(shù)為 13.3Xl(T4C/m2K。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三元系弛豫鐵電壓電晶體，其特征在于，該三元系弛豫鐵電壓電晶體的四方相PMNT晶體在〈001〉晶向的室溫?zé)後岆娤禂?shù)為6X 10_4C/m2K，優(yōu)值因子Fd為 1.17Xl(rtV1/2，100°C時(shí)的熱釋電系數(shù)為 8.5Xl(T4C/m2K。
【文檔編號(hào)】C30B11/00GK104178802SQ201410377439
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月1日
【發(fā)明者】王領(lǐng)航 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)