弛豫性鐵電壓電單晶體

近年來，在新型壓電晶體的研究中，弛豫性鐵電單晶鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛[（1-x）Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3,簡記為（PMNT）]和鈮鋅酸鉛鈦酸鉛[（1-x）PB(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3,簡記為PZNT]以其優良的壓電性能而令世人注目，1997年Park和Shrout報道，利用熔鹽法成功制備了高質量的PZNT單晶，并報道了各種切型的PZNT單晶晶片介電，壓電和鐵電性能。如組分為0.92PZN-0.08PT的晶體，沿（001）方向的壓電常數d33高達2500pC/N,為PZT材料的3～6倍；壓電耦合系數K33為0.94，是現有壓電材料中最高的。世界著名雜志Science評論說，這類材料將是新一代高效能超聲換能器和高性能微位移器和微驅動器的理想材料，可以預期，在21世紀初葉，對弛豫性鐵電單晶的理論和應用研究將會取得更大的進展。 

    1． 弛豫鐵電體 

    含鉛弛豫鈣鈦礦型鐵電體是ABO3型鈣鈦礦型化合物的一個重要 分支，其化學通式為Pb(B1,B2)O3，其中B1為低電價，大半徑陽離子，如Zn2+,Ni2+,Mg2+,Fe3+,Sc3+等，B2為高電價，小半徑陽離子，如Ta5+,Nb5+,W6+等，通過B位不同離子的復合，可得到一系列具有重要應用的復合鈣鈦礦型結構固溶體。前蘇聯學者Smolensky等人于20世紀50年代末首次合成的復合鈣鈦礦結構鈮鎂酸鉛[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PZN),Pb(Sc1/2Nb1/2)O3(PSN),Pb(Ni1/3Nb2/3)O3(PMN)等系列的固溶體，均具有與PMN類似的介電特性，后來，人們將PMN類材料稱為弛豫鐵電體（relaxor ferroelectrics,簡稱RFE），而將BaTiO3等鐵電體稱為普通鐵電體或正常鐵電體。迄今為止，研究最多和應用較廣的弛豫鐵電體主要是各類鉛系復合鈣鈦礦結構的Pb(B1B2)O3系列材料，最具有代表性的有Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN),鈮鋅酸鉛Pb(Zn1/3Nb2/3)O3(PZN)和鉭鈧酸鉛Pb(Sc1/2Ta1/2)O3(PST)等。 

    與普通鐵電體相比，弛豫鐵電體有兩個最基本的介電特性：1.彌散相變（diffuse phase transition, 簡稱DPT）：即從鐵電到順電的相變是一個漸變過程，沒有一個確定的居里溫度Tc，通常將其介電常數最大值所對應的溫度Tm作為一個特征溫度，在轉變溫度Tm以上仍然存在較大的自發極化強度；2.頻率色散：即在Tm溫度以下，隨著頻率增加，介電常數下降，損耗增加，介電峰和損耗峰向高溫方向移動。 

    普通鐵電體與弛豫鐵電體介電特性的主要區別在介電溫度特性，介電頻率特性，自發極化強度三個方面，見表1。 

    由于弛豫性鐵電體具有很高的介電常數，相對低的燒結溫度和由“彌散相變”得出的較抵容溫變化率，大的電致伸縮系數和幾乎無滯后的特點，使其在多層陶瓷電容器急新型電致伸縮器件方面有著巨大的應用前景，在新型位移器，執行器和機敏材料與器件等方面也有廣泛的應用前景和開發潛力；透明弛豫型鐵電體及薄膜具有優異的電光和開關特性，有可能用于電光存儲，開關和記憶元件，隨著現代電子計算機，光學系統和自動控制等電子信息技術的高速發展，對新一代電光器件的需求與日俱增，也迅速推動了弛豫型鐵電體的開發和應用研究。 

    PZT材料在Zr/Ti比為53/47時存在一個準同型相界（MPB），在此相界處，四方相和三方相共存，此時PZT材料的壓電性能較好，與之相類似，弛豫鐵電材料PMN，PNN等與PT也形成類似的準同型相界。如（1-x）PMN-xPT系統中，在x=0.33附近的一個較大的范圍內，存在一個連續變化的準同型相界，在此相界附近，三方相與四方相共存，此時，弛豫鐵電材料具有非常良好的介電，壓電性能。對于PZN，PNN基鐵電材料，準同型相界分別位于PT含量為9mol%和36mol%附近，從鐵電材料的準同型相界圖可知，PT與鋯酸嵌（PZ）形成的MPB為第一類準同型相界（MPB-1）；弛豫鐵電體與PT形成的MPB為第二類準同型相界（MPB11）。 

    在MPB附近的鈣鈦礦結構的PZT陶瓷容易制備，材料成本低，居里溫度一般較高，壓電性能較好，在實際中已得到較好的應用。與PZT相比，弛豫鐵電體PT在MPB附近的鈣鈦礦結構則較難制備，居里溫度一般在案150℃～200℃左右，具有較大的機電耦合系數和壓電系數，如果將位于準同型相界的PZT作為一相，與同樣位于準同相界的弛豫鐵電材料復合，可以得到第三類準同型相界（MPB111），此類材料的壓電性能兼顧以上兩類材料的特點，壓電性能很好，尤其是機電耦合系數大，居里溫度可以在較大范圍內調節。