本發明屬于鐵電體器件材料;具體涉及基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法。
背景技術:
1、鈣鈦礦型鐵電材料具有優異的壓電效應、鐵電效應、儲能效應、電光效應、熱釋電效應等性能,在儲能器、紅外探測器、電光調制器和無損檢測等領域有著廣泛的應用。壓電、鐵電材料的功能基元是其內部的鐵電疇,鐵電疇的結構與動態響應決定了鐵電體的宏觀性質。因此鐵電疇的調控是提升鐵電體性能的一個重要突破方向。鉭鈮酸鉀晶體(kta1-xnbxo3,簡稱ktn)電光性能突出,在光通信、光調制等領域顯示出巨大的應用前景,在光開關、相位調制、圖像處理等研究中應用廣泛。
2、目前的研究中常用的調控鐵電疇的方法可分為組分調控和外場調控。組分調控的常見方式包括離子摻雜、相界調控等,通過引入缺陷的方式調控鐵電疇,組分調控無法對同一晶體實現不同的鐵電疇結構。外場調控包括溫場調控、光場調控和電場調控。溫場調控響應時間較長,且調控后的晶體對環境溫度要求嚴苛,應用限制較多。光場調控主要有兩種調控方式,其中一種是利用光生空間電荷場在晶體內部得到載流子,通過控制載流子的分布,形成空間電荷場調控鐵電疇;另一種是利用光的熱效應實現材料的局域相變從而調控鐵電疇。電場調控是通過施加外場使得鐵電疇的取向發生變化,從而實現鐵電疇的調控。相較于電場調控,光場調控的所需的系統復雜,電場調控的裝置較為簡單,且形式靈活。
技術實現思路
1、本發明目的是為了解決上述技術問題,而提供基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法。
2、基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法,按以下步驟實現:
3、一、對mn:fe:ktn四方相晶體進行切割,使晶體邊緣相互垂直并且分別沿[100]c、[011]c方向,然后在晶體(011)c方向的兩個面上鍍金電極,得到鍍金電極的晶體,再進行鐵電測試得到電滯回線,進而得到晶體電疇矯頑場;
4、二、上述鍍金電極的晶體置于夾具中并浸沒在硅油里,然后置于加熱爐內并升溫至居里溫度以上20℃,保持溫度不變并打開直流電源施加電場,施加電場的強度為晶體電疇矯頑場的2~3倍,再降溫至室溫后關閉電源,得到極化后晶體;
5、三、利用偏光顯微鏡對上述極化后晶體的鐵電疇結構進行觀測,觀測到實現了晶體周期性90°鐵電疇結構的誘導調控,即完成基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法。
6、進一步的,步驟一中所述切割:切割后mn:fe:ktn四方相晶體的尺寸為
7、進一步的,步驟一中所述在晶體(011)c方向的兩個面上鍍金電極:首先對晶體(011)c方向的兩個面進行拋光處理,然后利用磁控濺射儀在晶體(011)c方向的兩個面上鍍金電極。
8、進一步的,步驟二中所述鍍金電極的晶體置于夾具中:是將晶體(011)c方向的上鍍金電極的兩個面貼緊夾具。
9、進一步的,步驟二中所述升溫的速率為1~2℃/min;所述降溫的速率為1~2℃/min。
10、進一步的,步驟二中所述保持溫度不變:保持的時間為60~90min。
11、基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法,按以下步驟實現:
12、一、對mn:fe:ktn四方相晶體進行切割,使晶體邊緣相互垂直并且分別沿[100]c、[011]c方向,然后在晶體(011)c方向的兩個面上鍍金電極,得到鍍金電極的晶體,再進行鐵電測試得到電滯回線,進而得到晶體電疇矯頑場;
13、二、上述鍍金電極的晶體置于夾具中并浸沒在硅油里,然后室溫下打開電源施加交流電場,交流電場的頻率為10hz,強度為晶體電疇矯頑場1.5~3倍的方波信號,2s后關閉電源,得到極化后晶體;
14、三、利用偏光顯微鏡對上述極化后晶體的鐵電疇結構進行觀測,觀測到實現了晶體周期性90°鐵電疇結構的誘導調控,即完成基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法。
15、進一步的,步驟一中所述切割:切割后mn:fe:ktn四方相晶體的尺寸為
16、進一步的,步驟一中所述在晶體(011)c方向的兩個面上鍍金電極:首先對晶體(011)c方向的兩個面進行拋光處理,然后利用磁控濺射儀在晶體(011)c方向的兩個面上鍍金電極。
17、進一步的,步驟二中所述鍍金電極的晶體置于夾具中:是將晶體(011)c方向的上鍍金電極的兩個面貼緊夾具。
18、本發明的原理:
19、對于mn和fe摻雜的ktn晶體(簡稱mn:fe:ktn晶體),不同的相態具有不同的自發極化方向,因此在不同的相態下調整不同的極化方向即可得到不同的電疇形態,進而影響mn:fe:ktn晶體的性質。通過設計外電場方向所沿晶向并調整外電場的相關參數,晶體的鐵電疇結構能夠得到相應的調控,從而能夠有效優化mn:fe:ktn晶體的相關性能,從而制備出性能優異的光電器件。
20、本發明的優點:
21、1、本發明中根據mn:fe:ktn晶體的相態分析其自發極化的方向,通過外電場大小,方向,形式的設計來獲得不同的極化電疇序構,從而對mn:fe:ktn晶體的性能進行調控。通過沿設計方向的交流、直流電場實現mn:fe:ktn晶體高密度90°鐵電疇的構建,構建的疇壁間距為5-7μm。
22、2、本發明中的mn:fe:ktn晶體的自發極化取向較為簡單,比較容易通過設計晶向來調控鐵電疇結構。而對于溫度場和光場來說,外電場極化設備簡單,應用場景廣泛且調控方便,是一種簡單便捷的外場調控鐵電疇微結構的手段,并且可以根據功能需求通過改變相態與電場形式實現更復雜與高維度的鐵電疇可控分布,在壓電鐵電材料的性能優化、功能設計與多物理效應協同作用中具有應用潛力。
23、3、本發明中對于直流極化一次所需時間約為8h,交流極化一次所需時間不超過10min,交流極化得到的鐵電疇結構的穩定性在60天以上;并且可以通過調整外電場的指標對晶體的鐵電疇結構更為細致的調控。
24、本發明適用于基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構。
1.基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法,其特征在于它按以下步驟實現:
2.根據權利要求1所述基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法,其特征在于步驟一中所述切割:切割后mn:fe:ktn四方相晶體的尺寸為
3.根據權利要求1所述基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法,其特征在于步驟一中所述在晶體(011)c方向的兩個面上鍍金電極:首先對晶體(011)c方向的兩個面進行拋光處理,然后利用磁控濺射儀在晶體(011)c方向的兩個面上鍍金電極。
4.根據權利要求1所述基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法,其特征在于步驟二中所述鍍金電極的晶體置于夾具中:是將晶體(011)c方向的上鍍金電極的兩個面貼緊夾具。
5.根據權利要求1所述基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法,其特征在于步驟二中所述升溫的速率為1~2℃/min;所述降溫的速率為1~2℃/min。
6.根據權利要求1所述基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法,其特征在于步驟二中所述保持溫度不變:保持的時間為60~90min。
7.基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法,其特征在于它按以下步驟實現:
8.根據權利要求7所述基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法,其特征在于步驟一中所述切割:切割后mn:fe:ktn四方相晶體的尺寸為
9.根據權利要求7所述基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法,其特征在于步驟一中所述在晶體(011)c方向的兩個面上鍍金電極:首先對晶體(011)c方向的兩個面進行拋光處理,然后利用磁控濺射儀在晶體(011)c方向的兩個面上鍍金電極。
10.根據權利要求7所述基于外電場設計調控晶體鐵電疇結構的方法,其特征在于步驟二中所述鍍金電極的晶體置于夾具中:是將晶體(011)c方向的上鍍金電極的兩個面貼緊夾具。