弛豫性铁电压电单晶体

近年来，在新型压电晶体的研究中，弛豫性铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅[（1-x）Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3,简记为（PMNT）]和铌锌酸铅钛酸铅[（1-x）PB(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3,简记为PZNT]以其优良的压电性能而令世人注目，1997年Park和Shrout报道，利用熔盐法成功制备了高质量的PZNT单晶，并报道了各种切型的PZNT单晶晶片介电，压电和铁电性能。如组分为0.92PZN-0.08PT的晶体，沿（001）方向的压电常数d33高达2500pC/N,为PZT材料的3～6倍；压电耦合系数K33为0.94，是现有压电材料中最高的。世界著名杂志Science评论说，这类材料将是新一代高效能超声换能器和高性能微位移器和微驱动器的理想材料，可以预期，在21世纪初叶，对弛豫性铁电单晶的理论和应用研究将会取得更大的进展。 

    1． 弛豫铁电体 

    含铅弛豫钙钛矿型铁电体是ABO3型钙钛矿型化合物的一个重要 分支，其化学通式为Pb(B1,B2)O3，其中B1为低电价，大半径阳离子，如Zn2+,Ni2+,Mg2+,Fe3+,Sc3+等，B2为高电价，小半径阳离子，如Ta5+,Nb5+,W6+等，通过B位不同离子的复合，可得到一系列具有重要应用的复合钙钛矿型结构固溶体。前苏联学者Smolensky等人于20世纪50年代末首次合成的复合钙钛矿结构铌镁酸铅[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PZN),Pb(Sc1/2Nb1/2)O3(PSN),Pb(Ni1/3Nb2/3)O3(PMN)等系列的固溶体，均具有与PMN类似的介电特性，后来，人们将PMN类材料称为弛豫铁电体（relaxor ferroelectrics,简称RFE），而将BaTiO3等铁电体称为普通铁电体或正常铁电体。迄今为止，研究最多和应用较广的弛豫铁电体主要是各类铅系复合钙钛矿结构的Pb(B1B2)O3系列材料，最具有代表性的有Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN),铌锌酸铅Pb(Zn1/3Nb2/3)O3(PZN)和钽钪酸铅Pb(Sc1/2Ta1/2)O3(PST)等。 

    与普通铁电体相比，弛豫铁电体有两个最基本的介电特性：1.弥散相变（diffuse phase transition, 简称DPT）：即从铁电到顺电的相变是一个渐变过程，没有一个确定的居里温度Tc，通常将其介电常数最大值所对应的温度Tm作为一个特征温度，在转变温度Tm以上仍然存在较大的自发极化强度；2.频率色散：即在Tm温度以下，随着频率增加，介电常数下降，损耗增加，介电峰和损耗峰向高温方向移动。 

    普通铁电体与弛豫铁电体介电特性的主要区别在介电温度特性，介电频率特性，自发极化强度三个方面，见表1。 

    由于弛豫性铁电体具有很高的介电常数，相对低的烧结温度和由“弥散相变”得出的较抵容温变化率，大的电致伸缩系数和几乎无滞后的特点，使其在多层陶瓷电容器急新型电致伸缩器件方面有着巨大的应用前景，在新型位移器，执行器和机敏材料与器件等方面也有广泛的应用前景和开发潜力；透明弛豫型铁电体及薄膜具有优异的电光和开关特性，有可能用于电光存储，开关和记忆元件，随着现代电子计算机，光学系统和自动控制等电子信息技术的高速发展，对新一代电光器件的需求与日俱增，也迅速推动了弛豫型铁电体的开发和应用研究。 

    PZT材料在Zr/Ti比为53/47时存在一个准同型相界（MPB），在此相界处，四方相和三方相共存，此时PZT材料的压电性能较好，与之相类似，弛豫铁电材料PMN，PNN等与PT也形成类似的准同型相界。如（1-x）PMN-xPT系统中，在x=0.33附近的一个较大的范围内，存在一个连续变化的准同型相界，在此相界附近，三方相与四方相共存，此时，弛豫铁电材料具有非常良好的介电，压电性能。对于PZN，PNN基铁电材料，准同型相界分别位于PT含量为9mol%和36mol%附近，从铁电材料的准同型相界图可知，PT与锆酸嵌（PZ）形成的MPB为第一类准同型相界（MPB-1）；弛豫铁电体与PT形成的MPB为第二类准同型相界（MPB11）。 

    在MPB附近的钙钛矿结构的PZT陶瓷容易制备，材料成本低，居里温度一般较高，压电性能较好，在实际中已得到较好的应用。与PZT相比，弛豫铁电体PT在MPB附近的钙钛矿结构则较难制备，居里温度一般在案150℃～200℃左右，具有较大的机电耦合系数和压电系数，如果将位于准同型相界的PZT作为一相，与同样位于准同相界的弛豫铁电材料复合，可以得到第三类准同型相界（MPB111），此类材料的压电性能兼顾以上两类材料的特点，压电性能很好，尤其是机电耦合系数大，居里温度可以在较大范围内调节。