一種鈮酸鉀鉛壓電單晶的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于物理學領域,涉及一種壓電單晶,具體來說是一種鈮酸鉀鉛壓電單晶的制備方法。
【背景技術】
[0002]上世紀60年代末期,聲表面波(SAW)逐漸發展起來并成為一種新興科學技術,它是超聲學和電子學相結合的一門科學。由于聲表面波器件實現了小型化和多功能化,從而在雷達、導航、電子和識別領域得到了廣泛應用。對于聲表面波器件來說,有兩個重要的參數,一個是與其穩定性相關的時延溫度系數,另一個是與其效率相關的機電耦合系數。常用的基片材料是鈮酸鋰單晶和α石英,但鈮酸鋰單晶的溫度系數較差,α石英的機電耦合系數相當差,這給器件的有效使用帶來了嚴重的問題。鎢青銅(Τ.B)系鐵電單晶因具有優良的光電、熱電、壓電性能、時延溫度系數為零的切型以及高機電耦合系數等優點,而得到人們的廣泛關注,其中機電耦合系數最高的為鈮酸鉀鉛(Pb2KNb5O15)單晶。
[0003]鈮酸鉀鉛單晶是發展起來的一種新型壓電單晶,也是很有前途的聲表面波(SAW)器件的基片材料。近些年來,國內外眾多大學、研究機構開展了對四方烏青銅結構鈮酸鉀鉛單晶的生長與應用研究。T.Yamada等首先利用提拉法生長了鈮酸鉀鉛單晶,但由于坩禍是開放的,氧化鉛在1200°C很容易揮發致使組分偏析,不可能制得均勻的理想配比鈮酸鉀鉛單晶,而且生長出的單晶仍然存在裂紋和孿晶等缺陷。P.K.Pandey等人又發現頂部籽晶法制備鈮酸鉀鉛單晶時,雖然晶體組分偏析小,但晶體粘附在坩禍壁上,很難將其從熔體拉出。可見,這些晶體生長方法很難解決高質量鈮酸鉀鉛壓電單晶制備的難題。
[0004]坩禍下降法因使用密封的坩禍、坩禍形狀根據要求可變、固液界面溫度梯度和下降速率根據實際情況調控、一爐多根高效率等眾多優點被廣泛的應用制備一些極難制備的單晶,比如四硼酸鋰單晶、弛豫鐵電單晶等。1999年中科院上海硅酸鹽研究所范世馬豈教授以〈110〉取向籽晶,固液界面溫度梯度設置為10?15°C,利用坩禍下降法成功制備出高質量的鈮酸鉀鉛壓電單晶,但使用〈001〉和〈100〉取向籽晶時,生長出的鈮酸鉀鉛壓電單晶仍然出現裂紋等缺陷,這是由于溫場不夠穩定,使得快速生長引起的振動容易破壞固液界面溫度梯度,同時生長工藝未得到更好的優化,使晶體很容易因熱膨脹系數的各向異性而在降溫過程中出現裂紋。
[0005]采用提拉法、頂部籽晶植晶法、傳統坩禍下降法等方法制備出的鈮酸鉀鉛單晶,存在難接種、坩禍漏料、組分嚴重偏析、晶體內含有裂紋和包裹物等問題,成品率只有不到30%。
【發明內容】
[0006]針對現有技術中的上述技術問題,本發明提供了一種鈮酸鉀鉛壓電單晶的制備方法,所述的這種鈮酸鉀鉛壓電單晶的制備方法要解決現有技術的方法制備的鈮酸鉀鉛壓電單晶存在難接種、坩禍漏料、組分嚴重偏析、晶體內含有裂紋和包裹的技術問題。
[0007]本發明提供了一種鈮酸鉀鉛壓電單晶的制備方法,包括如下步驟:
1)一個合成原料塊的步驟:稱量PbO,在550?650°C的空氣氣氛中干燥I?3小時;待自然冷卻到室溫后取出PbO,充分研磨后,再將粉末置于550?650 °C的空氣氣氛中干燥I?3小時;然后將干燥的PbO粉末、K2CO3和Nb2O5按摩爾質量比4:1:5稱量,在無水酒精環境下充分研磨,使粉體混合均勻,將得到的粉末放入剛玉坩禍中,置于馬弗爐內,在1100?1300 °C的空氣氣氛中灼燒5?15h,第一次燒結結束后,待多晶料自然冷卻到室溫后取出,進行充分研磨后,再將粉末置于馬弗爐內,在1100?1300°C的空氣氣氛中灼燒5?15小時,第二次燒結后,降至室溫,得到鈮酸鉀鉛多晶料;將多晶料粉在水壓或靜壓機上壓成致密的塊狀,即得原料塊;
2)—個晶體生長的步驟:選擇不同取向的高質量鈮酸鉀鉛單晶作為籽晶,將籽晶裝入坩禍底部的種井部位,然后將原料塊裝入坩禍,調整位置,使原料塊處于爐膛內高溫區,爐溫控制在1360?1390 °C,保持固液界面溫度梯度為6?10°C/cm,保溫3~7小時使鈮酸鉀鉛多晶料原料塊充分熔融,以速率為0.2-0.5mm/h開始下降坩禍;
3)—個退火處理的步驟:待原料全部結晶后,使坩禍處于爐膛恒溫區,在1000?1200°C下保溫15?16h,然后以30?50°C/h速率緩慢降溫至室溫,取出晶體,即可得到淺黃色鈮酸鉀鉛壓電單晶。
[0008]進一步的,在制備步驟(I)原料塊的合成中,原料塊的形狀根據坩禍形狀為圓柱形、長方形、或者正方形。
[0009]進一步的,在步驟(2)的制備過程中,所述籽晶取向為〈110>、〈001>、或者〈100〉方向,籽晶形狀根據坩禍形狀為圓形、長方形或正方形。
[0010]進一步的,馬弗爐體內設置至少兩個等效工位,同時放置至少兩個坩禍,并制備出至少兩根晶體。
[0011]改進型坩禍下降法是將固相合成法合成的鈮酸鉀鉛多晶料壓成致密的塊體,其尺寸和形狀取決于坩禍的大小和形狀,形狀可以是圓柱狀、長方形或正方形狀等,裝入所需晶體相同尺寸的鉑坩禍中,移入下降法制備爐的爐膛內,并使原料處于高區,爐溫控制在1360?1390°C,坩禍下降速率為0.2-0.5mm/h,固液界面溫度梯度在6?10°C之間,可制備出淺黃色的尚質量銀酸鐘鉛單晶。
[0012]本發明和已有技術相比,其技術進步是顯著的。本發明克服了提拉法、頂部籽晶植晶法以及傳統型坩禍下降法制備鈮酸鉀鉛單晶時存在的難接種、坩禍漏料、組分嚴重偏析、晶體內含有裂紋和包裹物等問題,通過在晶體生長爐中采用莫來石纖維保溫材料增加溫場穩定性,密閉的坩禍減少氧化鉛揮發,優化固液界面溫度梯度、坩禍下降速率、退火時間等工藝參數,實現了高質量鈮酸鉀鉛單晶的生長,降低了單晶制備難度,極大提高了鈮酸鉀鉛壓電單晶的成品率。同時具有設備簡單、一爐多產、成本低有利于實現晶體的批量生產等優點。
【具體實施方式】
[0013]實施例1
稱量PbO,置于馬弗爐內在600 0C的空氣氣氛中干燥2小時;待