K0.5Na0.5NbO3單晶的制備方法與流程

本發明涉及一種單晶的制備方法。

背景技術：
1880年，物理學家J.Curie和P.Curie在研究α石英晶體過程中，發現其具有壓電效應，從此人們開始了對壓電材料的研究。1920年，法國科學家Valasek發現某些壓電材料具有鐵電性。從此人們開始了對鐵電材料的研究。壓電鐵電材料在工業、民用以及軍事上應用極為廣泛，包括濾波器、諧振器、傳感器、換能器等數十種器件。目前應用最為廣泛的是以鋯鈦酸鉛為代表的鉛基壓電材料，但是由于其中鉛元素含量極高，在應用過程中會對人類和環境造成很大的傷害。近年來，國際上正在積極通過法律、法規對含鉛的電子產品等進行禁止，因此壓電材料的無鉛化是以后壓電領域的主要發展趨勢。近幾十年來，國內外研究者對無鉛壓電材料進行了大量的研究，其中關于鈮酸鉀鈉(KNN)基無鉛壓電材料的研究取得了重大的突破。研究者們發現在K/Na的摩爾比在1/1附近，由于體系存在一個準同型相界，在此區域會表現優異的壓電性能：d33＝80pC/N。一般來講，單晶的要優于同組分陶瓷的性能，并且可以通過疇工程技術可以進一步的提高其壓電性能。目前，人們已經可以生長出鈮酸鉀鈉單晶，但是生長出的單晶存在尺寸較小，內應力較大(容易開裂)以及缺陷較多等一系列的原因，需要一種可以生長出高質量、高性能單晶的方法。

技術實現要素：
本發明是為了解決現有方法制備的鈮酸鉀鈉單晶尺寸較小、內應力大的技術問題，提供了一種K0.5Na0.5NbO3單晶的制備方法。K0.5Na0.5NbO3單晶的制備方法按照以下步驟進行：一、稱取K2CO3粉末、Na2CO3粉末和Nb2O5粉末混合，使用球磨機研磨混合均勻，得混合粉末，混合粉末中K原子與Na原子總的物質的量與Nb的物質的量比為1.1～1.3﹕1，K原子與Na原子總的物質的量比為2.3～4.0﹕1，將混合粉末放入坩堝內；二、將坩堝置于加熱爐，在室溫的條件下升溫至900～1000℃，并保持900～1000℃6h～10h，得到鈮酸鉀鈉多晶體；三、將盛放鈮酸鉀鈉多晶的坩堝放入生長爐中，在室溫條件下升溫至1240℃～1275℃，并在1240℃～1275℃保持6～10h，再降溫至1180℃；四、采用頂部籽晶助熔劑法，在籽晶桿轉速為10～25r/min的條件下旋轉到單晶放肩至8mm～12mm，然后在提拉速度為2～2.5mm/h的條件下將單晶提拉至12mm～25mm，再將單晶提出，而后降至室溫，即得K0.5Na0.5NbO3單晶。本發明首次采用頂部籽晶助溶劑法的方法實現了大尺寸的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶的制備，生長出的單晶尺寸可為11mm×11mm×15mm。本發明首次采用頂部籽晶助溶劑法的方法實現了缺陷少，漏電流小、壓電常數大的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶的制備。本發明所得到的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶，在室溫時呈正交相，呈鐵電性。本發明所得到的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶的居里溫度是400～422℃，本發明所得到的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶的壓電常數d33可達175～190pC/N。附圖說明圖1為本發明單晶生長爐的溫場結構圖，1為鉑金后繼加熱器、2為氧化鋯、3為剛玉、4為鉑坩堝、5為鋯沙；圖2為實驗一制備的K0.5Na0.5NbO3單晶照片；圖3為實驗一制備的K0.5Na0.5NbO3單晶的漏電流示意圖；圖4為實驗一制備的K0.5Na0.5NbO3單晶的粉末X射線衍射測量結果示意圖；圖5為實驗一制備的K0.5Na0.5NbO3單晶的電滯回線示意圖；圖6為實驗一制備的K0.5Na0.5NbO3單晶的介電常數隨溫度變化示意圖；圖7是實驗二制備的K0.5Na0.5NbO3單晶照片。具體實施方式本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式，還包括各具體實施方式間的任意組合。具體實施方式一：本實施方式K0.5Na0.5NbO3單晶的制備方法按照以下步驟進行：一、稱取K2CO3粉末、Na2CO3粉末和Nb2O5粉末混合，使用變頻行星式球磨機研磨混合均勻，得混合粉末，混合粉末中K原子與Na原子總的物質的量與Nb的物質的量比為1.1～1.3﹕1，K原子與Na原子總的物質的量比為2.3～4.0﹕1，將混合粉末放入坩堝內；二、將坩堝置于加熱爐，在室溫的條件下升溫至900～1000℃，并保持900～1000℃6h～10h，得到鈮酸鉀鈉多晶體；三、將盛放鈮酸鉀鈉多晶的坩堝放入生長爐中，在室溫條件下升溫至1240℃～1275℃，并在1240℃～1275℃保持6～10h，再降溫至1180℃；四、采用頂部籽晶助熔劑法，在籽晶桿轉速為10～25r/min的條件下旋轉到單晶放肩至8mm～12mm，然后在提拉速度為2～2.5mm/h的條件下將單晶提拉至12mm～25mm，再將單晶提出，而后降至室溫，即得K0.5Na0.5NbO3單晶。本實施方式步驟一中所用的球磨機型號為：XQM-2L。具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是步驟一中混合粉末中K原子與Na原子總的物質的量與Nb的物質的量比為11﹕10，K原子與Na原子總的物質的量比為3﹕1。其它與具體實施方式一相同。具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二之一不同的是步驟二中的升溫速度為100℃/h～200℃/h。其它與具體實施方式一或二之一相同。具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是步驟二中的反應時間溫度為900℃，時間為6h。其它與具體實施方式一至三之一相同。具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是步驟三中在室溫條件下升溫至1250℃，并保持1250℃7h，再降溫至1180℃。其它與具體實施方式一至四之一相同。具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是步驟三中升溫至1240℃～1275℃的升溫速度為80℃/h～150℃/h。其它與具體實施方式一至五之一相同。具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是步驟三中降溫至1180℃的降溫過程為20℃/h～35℃/h。其它與具體實施方式一至六之一相同。具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式一至七之一不同的是步驟四中在籽晶桿轉速為15r/min的條件下旋轉到單晶放肩至10mm，然后在提拉速度為2mm/h的條件下將單晶提拉至15mm，再將單晶提出，而后降至室溫。其它與具體實施方式一至七之一相同。具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式一至八之一不同的是步驟四中的降溫過程為：首先以40℃/h的速度降溫至1100℃，再以50℃/h的速度降溫至800℃，然后再以30℃/h的速度降溫至600℃，再以20℃/h的速度降溫至室溫。其它與具體實施方式一至八之一相同。采用下述實驗驗證本發明效果:實驗一：K0.5Na0.5NbO3單晶的制備方法按照以下步驟進行：一、稱取K2CO3粉末、Na2CO3粉末和Nb2O5粉末混合，使用球磨機研磨混合均勻，得混合粉末，混合粉末中K原子與Na原子總的物質的量與Nb的物質的量比為11﹕10，K原子與Na原子總的物質的量比為3﹕1，將混合粉末放入坩堝內；二、將坩堝置于加熱爐，在室溫的條件下升溫至900℃，并保持900℃6h，得到鈮酸鉀鈉多晶體；三、將盛放鈮酸鉀鈉多晶的坩堝放入生長爐中，在室溫條件下升溫至1250℃，并保持1250℃7h，再降溫至1180℃；四、采用頂部籽晶助熔劑法，在籽晶桿轉速為15r/min的條件下旋轉到單晶放肩至10mm，然后在提拉速度為0.2mm/h的條件下將單晶提拉至15mm，再將單晶提出，而后降至室溫，即得K0.5Na0.5NbO3單晶。本實驗制備的K0.5Na0.5NbO3單晶，生長出的單晶尺寸為：11mm×11mm×15mm，如圖2所示。本實驗制備的K0.5Na0.5NbO3單晶漏電流如圖3所示，從圖3中看出K0.5Na0.5NbO3單晶缺陷少，漏電流小。本實驗所得到的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶，在室溫時呈正交相，呈鐵電性，如圖4及圖5所示。本實驗所得到的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶的居里溫度是422℃，如圖6所示。本實驗所得到的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶的壓電常數d33為190pC/N。實驗二：本實驗的K0.5Na0.5NbO3單晶的制備方法按照以下步驟進行：一、稱取K2CO3粉末、Na2CO3粉末和Nb2O5粉末混合，使用變頻行星式球磨機研磨混合均勻，得混合粉末，混合粉末中K原子與Na原子總的物質的量與Nb的物質的量比為1.1﹕1，K原子與Na原子總的物質的量比為3﹕1，將混合粉末放入坩堝內；二、將坩堝置于加熱爐，在室溫的條件下以150℃/h的速率升溫至950℃，并在950℃條件下保持10h，得到鈮酸鉀鈉多晶體；三、將盛放鈮酸鉀鈉多晶的坩堝放入生長爐中，在室溫條件下以100℃/h的速度升溫至1255℃，并在1255℃條件下保持10h，再以30℃/h的速度降溫至1180℃；四、采用頂部籽晶助熔劑法，在籽晶桿轉速為20r/min的條件下旋轉到單晶放肩至10mm，然后在提拉速度為2.5mm/h的條件下將單晶提拉至18mm，再將單晶提出，而后降至室溫，即得K0.5Na0.5NbO3單晶。本實驗得到的K0.5Na0.5NbO3單晶的照片如圖7所示。本實驗得到的K0.5Na0.5NbO3單晶的缺陷少，漏電流為0.0000003微安，漏電流小，居里溫度為420℃，壓電常數d33為185pC/N。