鉛基鈣鈦礦型壓電單晶和交流極化

山下洋八, 孫億琴, 羅 聰,3, 唐木(陳)智明

(1. 富山縣立大學(xué) 工學(xué)部,富山 9390398，日本;2. 北卡羅萊納州立大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程系,北卡羅萊納州 27695-7102，美國(guó);3. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201418)

鉛基鈣鈦礦型壓電單晶，特別是弛豫-PbTiO3(PT)壓電材料由于其超高的壓電和機(jī)電性能而得到了廣泛應(yīng)用，包括醫(yī)用超聲成像，水下聲學(xué)超聲，壓力傳感器和驅(qū)動(dòng)器等器件[1-6]。壓電材料是一類具有壓電物理特性的電介質(zhì)材料，在外力的作用下發(fā)生形變時(shí)，其電偶極子的大小發(fā)生改變，表現(xiàn)在材料的兩個(gè)相對(duì)表面上分別出現(xiàn)正，負(fù)電荷，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)[7]。位于準(zhǔn)同型相界(MPB)的弛豫-PT鐵電單晶，例如鈮鎂酸鉛 (100-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-xPT)和鈮銦鎂酸鉛 (100-x-y)Pb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PIN-yPMN-xPT)的高壓電性能遠(yuǎn)超多晶Pb(Zr,Ti)O3(PZT)陶瓷，引起了人們的極大興趣[5,8-10]。目前，每年用于高端超聲成像設(shè)備的壓電單晶探頭超過20萬個(gè)。無論是壓電陶瓷還是鉛基鈣鈦礦型壓電單晶，都必須在兩個(gè)相對(duì)表面上鍍電極后，在室溫和居里點(diǎn)(TC)之間施加電場(chǎng)進(jìn)行極化處理[11-12]。通常，人們可以通過改變材料的組分[13-14]以及改進(jìn)制備工藝[15-16]來提高材料的介電、壓電性能以及溫度穩(wěn)定性。但這2種方法的研發(fā)成本高，技術(shù)難度大，周期性長(zhǎng)。2014年，本文作者之一，曾就職于日本東芝公司的Yamashita等[17-18]首次發(fā)表專利，表明用交流電場(chǎng)(AC)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流電場(chǎng)(DC)極化鉛基鈣鈦礦型壓電單晶，可以很大程度提高其壓電和介電性能。上述專利公開之后的2017年，Karaki (Chen)和Yamashita通過學(xué)術(shù)交流多次報(bào)告了交流極化(ACP)的方法和效果，自此ACP的研究備受關(guān)注。至今已有18篇研究論文刊出[19-36]，但其機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。本文將通過已發(fā)表的論文和專利來介紹鉛基鈣鈦礦型壓電單晶的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。同時(shí)，特別論述近年來已成為主流研究方向的ACP方法和結(jié)果，探討其機(jī)理。

1 鉛基鈣鈦礦型壓電單晶的發(fā)展概述

鈣鈦礦型壓電單晶的研究始于1958年，日本早稻田大學(xué)的Kobayashi[37]生長(zhǎng)了鈦酸鉛PbTiO3(PT)單晶。在發(fā)現(xiàn)鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷僅三年之后，PT晶體已可以在氟化鉀(KF)熔劑中生長(zhǎng)。1970年，日本NTT公司的Fushimi等[38]生長(zhǎng)了幾毫米的PZT單晶，并報(bào)道了其性能。但是，所得到單晶的尺寸和特性均不優(yōu)異，并且無法實(shí)際應(yīng)用。1967年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Bonner等[39]用頂部籽晶溶液法(TSSG)生長(zhǎng)了15 mm的鈮鎂酸鉛PMN單晶。1982年，日本東京工業(yè)大學(xué)的Kuwata等通過熔劑法(Flux)成功生長(zhǎng)了鈮鋅酸鉛Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PT(PZN-9PT) 單晶，壓電常數(shù)(d33)為 1 500 pC/N，這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)非常大的數(shù)值[40]。1990年，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的Shrout等通過熔劑法生長(zhǎng)了具有MPB組分的PMN-30PT單晶，并獲得了與PZN-9PT單晶同樣的d33值 1 500 pC/N[41]。從應(yīng)用的角度來看，最重要的成果之一是日本東芝公司的Saitoh等在1993年申請(qǐng)了PZN-PT壓電單晶醫(yī)用超聲陣列探頭的專利[42]。與當(dāng)時(shí)廣泛使用的PZT陶瓷相比，鈣鈦礦型壓電單晶探頭首次實(shí)現(xiàn)了同時(shí)顯著提高超聲診斷儀的靈敏度和分辨率。受該專利及其后續(xù)出版物的影響[43-52]，美國(guó)海軍研究所(ONR)在1998年前后為鈣鈦礦型壓電單晶研究提供了資金支持。此后，又報(bào)道出了許多相關(guān)材料及其實(shí)際應(yīng)用[10,53]。2000年，韓國(guó)的Humanscan Co.,Ltd. 首次在全球銷售使用PMN-PT壓電單晶制造的醫(yī)療超聲診斷儀[54]，各醫(yī)療超聲診斷儀公司也開始銷售使用壓電單晶作為探頭的醫(yī)療超聲診斷儀。現(xiàn)在，在先進(jìn)高端產(chǎn)品的探頭中，PZT陶瓷已被壓電單晶取代。2019年，全球已有7大公司大規(guī)模生產(chǎn)和銷售鉛基壓電單晶，每年用于高端超聲成像儀的壓電單晶探頭已超過20萬個(gè)[55]。表1按年代順序列出了開發(fā)壓電單晶的10項(xiàng)里程碑研究。

鉛基壓電單晶普遍被分為第I，第II和第III代[10,53]，其具體特征如表2所示。1998年，日本東芝公司的Shimanuki等用熔劑-布里奇曼法(BM)生長(zhǎng)的25 mm以上的PZN-PT單晶為第I代壓電單晶[47]。2000年，中科院上海硅酸鹽研究所的Luo等采用BM方法生長(zhǎng)了25 mm以上的PMN-PT單晶，這成為目前的主要應(yīng)用材料[56]。然而，這些第I代材料的缺點(diǎn)是，相變溫度(菱方相-四方相，TRT)低于100 ℃，極大限制了晶體的使用溫度。

因此，在PMN-PT二元系中加入PIN來提高相變溫度而得到的是第II代壓電單晶。2000年，日本東芝公司的Hosono等申請(qǐng)了第一項(xiàng)PIN-PMN-PT三元系的專利[57]。2003年，Karaki和Yamashita等用TSSG法生長(zhǎng)了PIN-PMN-PT單晶[58]。為解決大功率超聲應(yīng)用時(shí)發(fā)熱的問題，在第 II 代材料中加入錳等提高其機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(Qm)的是第III代壓電單晶。與PZT陶瓷相比，壓電單晶的特征是具有更高的d33和機(jī)電耦合系數(shù)(k33)，以及更小的介電損耗(tanδ)。本文使用式(1)來計(jì)算薄片晶體的k33[27,36,59]

表1 弛豫壓電單晶研發(fā)史上的10項(xiàng)里程碑研究Tab.1 The 10 important milestones of relaxor-PT SC R&D history

表2 各代鈣鈦礦型鉛基壓電單晶與PZT壓電陶瓷的比較Tab.2 Generations of relaxor-PT single crystals and PZT ceramics

(1)

性能優(yōu)異(例如[001]取向。本文用贗立方鈣鈦礦型晶軸系)的鉛基鈣鈦礦型壓電晶片，是從晶錠上切出后，先在兩個(gè)相對(duì)表面上鍍金屬電極(電極材料主要有銀、銅、金、鉑、鈦、鉻、鈀等)，然后施加矯頑電場(chǎng)(EC)的2倍以上的直流電場(chǎng)進(jìn)行極化處理(DCP)，通常極化電場(chǎng)為5～20 kV/cm，極化后壓電晶片才具有壓電性。2011年，Yamashita等[60]發(fā)表論文指出，通過在金電極與樣品之間插入納米島狀半導(dǎo)體氧化錳薄膜可以顯著提升PMN-PT單晶的壓電與介電性能，闡明也可以通過改變電極提升壓電特性。從表1可以看出，日本等亞洲國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)了該領(lǐng)域的重大研究和開發(fā)，其中日本東芝公司對(duì)鉛基壓電單晶用于醫(yī)療超聲診斷儀探頭的研發(fā)做出了很大貢獻(xiàn)。但是，最早實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并銷售該產(chǎn)品的是韓國(guó)Humanscan Co.,Ltd.。

表3列出了制造和銷售該類壓電單晶的公司，同時(shí)還給出了制備方法，材料種類和公司網(wǎng)站。值得一提的是日本JFE Mineral Co.,Ltd.為了解決PT分布不均的問題，該公司使用連續(xù)投料布里奇曼法(CF BM)實(shí)現(xiàn)了在晶體生長(zhǎng)過程中不斷投放原料，保持液相組分不變，基本消除了晶體的成分偏析，明顯改善了晶體質(zhì)量。該公司使用CF BM法已經(jīng)成功生長(zhǎng)出320 mm長(zhǎng)的鉛基壓電單晶[61]，這是目前世界上最先進(jìn)的技術(shù)。此外，韓國(guó)Ceracomp Co.,Ltd. 通過固相晶體生長(zhǎng)(SSCG)法，無需使用鉑金坩堝即可生產(chǎn)出第I代至第III代的共7種類，邊長(zhǎng)為70 mm的壓電單晶，并且具有優(yōu)異的均勻性和可加工性。SSCG法生長(zhǎng)的晶體已有銷售，該方法有望在未來取得更好的進(jìn)展[62]。

表3 世界范圍內(nèi)的弛豫-PT單晶供應(yīng)商Tab.3 World-wide relaxor-PT SC suppliers

圖1 動(dòng)態(tài)ACP和靜態(tài)DCP的極化過程[26,35-36]Fig.1 The dynamic ACP and statistic DCP processes[26,35-36]

2 交流極化技術(shù)

2.1 交流極化在壓電單晶材料上的應(yīng)用

鈣鈦礦型鉛基壓電單晶具有自發(fā)極化，未極化(NOP)前的自發(fā)極化向量和為零，沒有壓電性。在室溫和TC之間施加電場(chǎng)可以使晶體內(nèi)部的極化偶極子向量和沿電場(chǎng)方向大于零，使其具有壓電性。極化是壓電材料制備中最重要的環(huán)節(jié)之一，它直接影響材料的各項(xiàng)性能。2014年，Yamashita等首次發(fā)表了用AC代替DC可以進(jìn)一步提高壓電和介電性能的專利[17-18]，原理如圖1所示。DCP是靜態(tài)極化，僅在一個(gè)方向上施加電壓。而ACP是動(dòng)態(tài)的，在樣品上施加周期性變化的交流電壓，通過調(diào)控頻率和周數(shù)來實(shí)現(xiàn)極化方向的反轉(zhuǎn)。與靜態(tài)極化相比，動(dòng)態(tài)極化更容易消除自發(fā)極化反轉(zhuǎn)時(shí)的釘扎效應(yīng)，使極化更完全并形成不同的電疇結(jié)構(gòu)。改變極化電場(chǎng)來提高晶體的壓電性能是整個(gè)材料制備中成本最低的方法，ACP能使晶體的壓電性能顯著提升，因此這項(xiàng)研究已在世界范圍內(nèi)開展。直到2020年10月，已有兩項(xiàng)專利和18篇論文的相關(guān)報(bào)告[19-36]。另外，近來人們不僅對(duì)鉛基壓電材料，而且對(duì)無鉛壓電材料也進(jìn)行了ACP的研究，并闡述了其具體效果[63]。表4列出了有關(guān)ACP研究的專利和論文。

表4 弛豫-PT單晶的ACP研究歷史Tab.4 ACP relaxor-PT SC R&D history

將AC施加到鐵電材料上的研究，可以追溯到2000年。美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的Takemura等調(diào)查并比較了對(duì)PZN-PT單晶施加不同周數(shù)的AC后其內(nèi)部自發(fā)極化(Pr)的變化。在施加了105周數(shù)后，[111]取向的樣品內(nèi)Pr開始減少。而施加了107周數(shù)后的[001]取向樣品，內(nèi)部的Pr卻無明顯變化。當(dāng)時(shí)研究的關(guān)注熱點(diǎn)是鐵電儲(chǔ)存器(FRAM)的老化特性，并未研究周數(shù)小于100時(shí)的介電與壓電特性的變化[64]。2003年，日本靜岡理工大學(xué)的Ogawa申請(qǐng)了1項(xiàng)日本專利,提出先在與最終極化方向垂直的方向上施加AC預(yù)極化，再在最終極化方向上施加DC極化，可以控制電疇和提高晶體的壓電性能[65]。但是，2次極化需要改變電極，加工繁瑣成本高，所以無實(shí)用價(jià)值。

具有實(shí)用價(jià)值的低成本ACP最早發(fā)表在Yamamoto和Yamashita等2014年的專利中。該專利通過對(duì)PMN-PT以及PIN-PMN-PT單晶施加1-1 000 Hz和2-1 000周數(shù)的AC，介電與壓電性能提高了20%～100%。在過去的2年中，有關(guān)ACP的論文共報(bào)道有18篇(美國(guó)4篇，中國(guó)11篇，韓國(guó)1篇，日本2篇)：其中美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)3篇，加利福尼亞大學(xué)1篇；中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所3篇、海西研究院2篇，西安交通大學(xué)4篇，上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)1篇，上海怡英新材料科技有限公司1篇；韓國(guó)蔚山科技大學(xué)1篇；以及日本富山縣立大學(xué)2篇[19-36]。此外，IEEE壓電單晶測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議也開始了關(guān)于ACP研究和討論。同時(shí)，在美國(guó)ONR的資助下，世界各地的多家研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始了ACP的相關(guān)研究。

2.2 交流極化技術(shù)的發(fā)展概況

在2019年和2020年日本鐵電材料應(yīng)用會(huì)議(FMA)上，只有富山縣立大學(xué)(含合作)報(bào)告了4篇有關(guān)ACP的研究，還沒有其他日本研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的相關(guān)報(bào)道。日本有幾家公司正大量生產(chǎn)壓電單晶，為進(jìn)一步的ACP研究提供了豐富的樣品。富山縣立大學(xué)擁有一套完整的極化和性能評(píng)估設(shè)備，已進(jìn)行了多項(xiàng)基礎(chǔ)研究，并且有足夠的理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)深入該領(lǐng)域的研究。當(dāng)前的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)低成本商業(yè)批量生產(chǎn)ACP后性能優(yōu)異的壓電晶片，并闡明其機(jī)理。

2.3 三元系單晶材料的交流極化

圖2 鉛基壓電晶體的制備方法：布里奇曼法(BM)，固相生長(zhǎng)法(SSCG)和頂部籽晶法(TSSG)的概略圖[26]Fig.2 Lead-based piezoelectric SC manufacturing method: Bridgman (BM),solid state crystal growth (SSCG) and top seed solution growth (TSSG)[26]

圖3 ACP和DCP的PMN-PYbN-PT單晶通過壓電響應(yīng)力顯微鏡(PFM)和掃描電子顯微鏡(SEM)觀察的微觀構(gòu)造的比較[26]Fig.3 The comparison of fracture surface by piezoresponse force microscopy (PFM) and scanning electron microscope (SEM) images of DCP and ACP PMN-PYbN-PT SC[26]

2.4 二元系單晶材料的交流極化

表5 比較4種PMN-xPT(x=28,29,30,31)單晶ACP和DCP的壓電和介電特性[27]

圖4 在PMN-28PT 單晶上施加ACP電壓2.5 kV/cm后，和k33 (%)隨溫度變化關(guān)系[36]Fig.4 Temperature dependence of and k33 (%) of ACP after applying 2.5 kV/cm for the PMN-28PT SC[36]

圖5 PMN-xPT 單晶的矯頑電場(chǎng)(EC)，(插入表)和k33(%)與極化溫度，頻率的關(guān)系(部分?jǐn)?shù)據(jù)來自S Zhang[59]和Y Zhang[69])，菱方相(R)PMN-xPT單晶的最低EC現(xiàn)出在80 ℃[36]Fig.5 Coercive field (EC) as a function of temperature,frequency and and k33 (%) of different poling temperature (inserted Table) for PMN-xPT SCs. Some of these data were referred from S Zhang[59] and Y Zhang[69]. Note PMN-xPT SCs showed the lowest EC at 80 ℃ in the rhombohedral (R) phase region[36]

(2)

式中：TDC為性能參數(shù)的溫度系數(shù)；T為實(shí)際測(cè)量溫度；MCT是實(shí)際測(cè)量溫度下的性能參數(shù)；MC25為調(diào)整至25.0 ℃時(shí)的性能參數(shù)計(jì)算值。另外，與其他研究不同，為了有效比較ACP與DCP的極化電壓大小，本實(shí)驗(yàn)使用ACP的均方根(RMS)值作為與DCP電壓進(jìn)行比較的有效值，如圖6所示。

圖6 (a)正弦波ACP的均方根(RMS)值和相應(yīng)的等效DCP電壓；(b)PMN-28PT單晶的ACP系統(tǒng)在高溫(HT)空氣中極化的示意圖[36]Fig.6 (a) The root mean square (RMS) value of sine-wave ACP and the corresponding equivalent DCP voltage，(b) The schematic diagram of ACP system in air poling at high temperature (HT) for PMN-28PT SCs[36]

作者的研究中都使用正弦波交流電壓，其他的ACP研究中也有使用三角波等交流電壓。波形不同振幅不同，對(duì)ACP的影響也不盡相同。所以作者建議統(tǒng)一使用均方根電場(chǎng)(VRMS)。另外，樣品厚度太薄時(shí)容易造成過極化現(xiàn)象[70]，也需要深入探討與研究。

2.5 電場(chǎng)冷卻交流極化

與此同時(shí)，作者等還進(jìn)行了使用CF BM法生長(zhǎng)(如圖7所示)的31PIN-43PMN-26PT單晶和PMN-30PT單晶(5 mm×5 mm×0.5 mm，金電極，日本JFE Mineral Co.,Ltd.)的極化研究，分析并報(bào)道了電場(chǎng)冷卻(FC)DCP和ACP對(duì)二元系以及三元系單晶的不同極化效應(yīng)[35]。在該實(shí)驗(yàn)中，作者利用獨(dú)創(chuàng)的FC裝置，實(shí)現(xiàn)了從高溫到低溫跨相變的電場(chǎng)極化，如圖8所示。2011年日本JFE Mineral Co.,Ltd.成功開發(fā)了[110]方向生長(zhǎng)的CF BM法，其生長(zhǎng)速度比[001]方向快3倍。用此方法生長(zhǎng)的壓電晶體組分均勻，有效使用量為傳統(tǒng)方法的10倍，成功生長(zhǎng)出了大尺寸的PIN-PMN-PT單晶，圖7展示了直徑為80 mm，長(zhǎng)度為320 mm，質(zhì)量為12 kg，高均勻性的大尺寸晶錠。據(jù)該公司Echizenya等的報(bào)道[61]，具有不同的TRT和TC的3種單晶(PMN-30PT、24PIN-46PMN-30PT和31PIN-43PMN-26PT)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，未來還有擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的可能性。

表6 在80 ℃ ACP和DCP的PMN-28PT單晶，換算成25.0 ℃時(shí)的介電和壓電性能的比較，并比照?qǐng)?bào)道的ACP研究[36]

圖7 (a)一次裝料-布里奇曼法(OC BM)和連續(xù)投料-布里奇曼法(CF BM)單晶生長(zhǎng)方法,(b) CF BM法生長(zhǎng)晶體的均一度[61]Fig.7 (a) The difference between one charge Bridgman (OC BM) and continuous-feeding Bridgman (CF BM) SC growth method and (b) uniformity in SC grown by CF BM[61]

圖8 (a) FC DCP和(b)FC ACP(C: 立方,T: 四方,M: 單斜晶,R: 菱方)[35]Fig.8 Image diagram of (a) FC DCP and (b) FC ACP (C: Cubic,T: Tetragonal,M: Monoclinic,R: Rhombohedral)[35]

圖9 HT ACP,FC ACP和FC DCP極化的PMN-30PT和31PIN-43PMN-26PT晶體的介溫曲線,放大部分為31PIN-43PMN-26PT的第一相變溫度Tpc[35]Fig.9 Temperature dependence of free for two types of PMN-30PT and 31PIN-43PMN-26PT SCs by HT ACP,FC ACP and FC DCP,amplified part is the first Tpc of 31PIN-43PMN-26PT[35]

圖10 ACP頻率對(duì)PIN-PMN-PT單晶性能 和(c) k33的影響[35]Fig.10 ACP frequency dependence of (a) (b) d33,and (c) k33 for PIN-PMN-PT SC[35]

表7 CF BM法制備的PMN-30PT和31PIN-43PMN-26PT單晶的DCP，HT ACP和FC ACP的實(shí)驗(yàn)條件和電學(xué)性能[35]

2.6 交流極化機(jī)理

如前文圖1中所示，ACP是動(dòng)態(tài)極化過程，通過不停地改變極化方向來消除自發(fā)極化反轉(zhuǎn)時(shí)的釘扎效應(yīng)，使極化更完全并形成不同的電疇結(jié)構(gòu)。而靜態(tài)極化DCP是一次性極化，釘扎效應(yīng)使得少數(shù)極化無法反轉(zhuǎn)，限制了極化程度。因此動(dòng)態(tài)變化的ACP可以很好地解決釘扎效應(yīng)，而靜態(tài)的DCP則需要更大的電場(chǎng)。

從疇結(jié)構(gòu)分析，近年來許多研究都表明ACP晶體顯示出與電極平行且尺寸均勻的層狀結(jié)構(gòu)109°[17,21,26,29],證明了極化過程中反轉(zhuǎn)越劇烈109°疇結(jié)構(gòu)越多，則壓電性能更好。西安交通大學(xué)的Qiu等也在2020年的Nature期刊上發(fā)表了相關(guān)的研究，證明了PMN-28PT單晶在經(jīng)過ACP處理后由于疇結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化，透明度明顯提高[29]，這也說明了ACP和DCP過程的不同之處。

從X射線衍射峰分析，與DCP相比，沿[001]方向ACP后位于高角度的密勒指數(shù)(004)pc(假立方鈣鈦礦型晶軸系)峰強(qiáng)度更高，半高寬(FWHM)更窄，峰角度會(huì)向高角度產(chǎn)生偏移，這也進(jìn)一步說明了ACP后有新的晶相產(chǎn)生[17,21,26-27,29]。

雖然ACP后的晶體樣品在各個(gè)方面的性能和應(yīng)用都引人注目，但相比研究較為成熟的DCP，仍然存在一些亟待解決的問題。目前越來越多的研究者仍致力于尋找ACP條件對(duì)弛豫-PT單晶的普適性規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)有結(jié)論可知，ACP對(duì)弛豫-PT單晶在電學(xué)和其他物理性能方面的正向作用取決于，例如單晶的生長(zhǎng)方法、晶體成分、晶體取向和極化方向、電極、TPC(TRM、TMT、TRT等)，TC，電壓，交流波形，頻率，周數(shù)和溫度等諸多因素，因此需要根據(jù)不同單晶找到改善其性能的最佳ACP條件。

圖11 NOP,DCP和正弦波ACP PMN-28PT單晶的(a)介電常數(shù)和(b)介電損耗(tan δ)與溫度關(guān)系,(c) PMN-xPT相圖[72,73],(d)不同晶相的極化向量[72,74-76]Fig.11 Temperature dependence of (a) and (b) loss for NOP,DCP and sine-wave ACP plate PMN-28PT SC,(c) phase diagram of PMN-xPT[72,73],(d) crystallographic phases corresponding to different polar vectors[72,74-76]

3 未來展望

從1958年至現(xiàn)在，關(guān)于鉛基鈣鈦礦型壓電單晶的研究已有六十多年歷史。數(shù)代科學(xué)家們已經(jīng)進(jìn)行了許多關(guān)于材料的研究，但仍在不斷探索尋找更有使用價(jià)值的新材料。在諸多改善晶體性能的工藝研究中，ACP是目前處于最前沿的研究之一，并且有望通過改變極化條件進(jìn)一步改善壓電材料性能，同時(shí)提升其穩(wěn)定性。隨著新型晶體生長(zhǎng)方法，例如SSCG，CF BM法等在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展，壓電單晶的質(zhì)量也在提高。作者認(rèn)為，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鈣鈦礦型壓電材料在實(shí)際應(yīng)用中仍具有巨大潛力。從目前發(fā)表的研究論文數(shù)來看，引導(dǎo)該領(lǐng)域發(fā)展的主力也會(huì)逐漸從日本轉(zhuǎn)到中國(guó)，韓國(guó)以及美國(guó)等國(guó)家，壓電材料在未來具有更為廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。