一、 来源与背景 无铅压电铁电材料是当前国际上功能材料研究领域的前沿和热点之一。但总体上 讲，与铅基压电材料相比性能还有一定差距。直到最近，《Nature》杂志报道 Y. Saito等人研制成功一种 Li、Ta、Sb掺杂的铌酸钾钠（KNN）无铅压电织构陶瓷， 其性能可以与 PZT相媲美，使无铅压电材料的研究获得了重大突破。L. Cross博士在 《Nature》上撰写文章，称赞此工作为"漫漫黑暗中出现的曙光（there is light at the end of that tunnel）"。 单晶的压电性能优于同组分的陶瓷，且更适于研究组分掺杂、结构以及晶体学取向 对材料性能的影响，为理论研究和计算提供重要的实验基础。 二、 目的和意义 由于 KNN 基压电材料是 复合钙钛矿结构的固溶体，组分复杂、非一致熔融，且高温下 K2O、Na2O 挥发严重， 使得高质量单晶生长困难。目前，关于 KNN体系压电材料的研究大部分集中在 KNN基 陶瓷方面，而单晶压电性能的报道很少。本项目以 Li、Ta 掺杂 KNN 无铅压电单晶为研究对象，开展顶部籽晶助溶剂法 （TSSG）生长此晶体过程中的基础问题研究，并通过控制生长参数获得高质量的Li、Ta 掺杂 KNN单晶；通过对所长晶体压电性能的系统研究，建立单晶的组分、 晶体学取向与其性能之间的关系，揭示 Li、Ta 掺杂对 KNN单晶性能影响的规律，探索 KNN基单晶 A、B位取代改性的机理。本项目有助于发展高性能无铅压电单晶的制备科学，为 KNN 体系材料的掺杂改性奠定坚实的实验和理论基础，对推动压电材料的无铅化和实用化具有重要的意义。 三、 主要论点与论据 1、采用TSSG法生长，宜选择氧化钾和氧化钠作为自助溶剂； 2、助溶剂的含量对晶体的外形以及晶体质量影响很大，因此助溶剂的含量应该 控制在适当的范围内，当助溶剂含量过多是易产生缺陷； 3、当溶液中K/Na比值控制在9~1范围内时，析出晶体皆为钙钛矿结构，不存在其它杂项； 4、纯KNN生长过程中，存在K、Na元素的分凝，因此应根据相图控制溶液中K、 Na元素的比值，实现KNN晶体的生长； Ta掺杂KNN生长过程中，Ta、Nb元素分凝严重，因此宜采用多得原料生长相 对较小的晶体，来控制晶体的均匀性； 5，经过实验研究和测试，掺杂KNN单晶生长的合适参数为拉速0.1-1mm/小时， 转速控制在5-30rpm； 6、Ta掺杂对晶体性能影响较大，Ta含量不同晶体在室温下以正交、四方和立方相存在。 7、在正交-四方相界附近，晶体的压电性能突出，压电系数超过 340pC/N； 8、在四方-立方相界附近，晶体的电致伸缩效应明显，电致伸缩系数与高性能铅基电致伸缩材料相近。 四、 创见与创新 KNN基无铅压电材料具有优异的性能，目前此方面的研究大部分集中在 KNN基 陶瓷方面，关于单晶生长的研究较少，且采用固相法生长的单晶存在尺寸小，不适于性能研究的缺点。本项目利用 TSSG法的优点，生长Li、Ta 掺杂 KNN单晶，揭示析晶行为、组分分凝等因素对单晶生长影响的规律，以求获得高质量单晶。无论对发展单晶的制备科学，还是开发高性能的功能晶体，都具有重要的科学意义。 单晶具有优异的性能，且更适于材料物理性质的研究。本项目通过对Li、Ta 掺杂 KNN单晶的压电性能研究，建立晶体组分、晶体学取向与性能的关系，探索 Li、Ta 掺 杂对 KNN性能影响的规律和机理。将为 KNN基压电材料的 A、B位取代改性的理论研究和压电器件的设计，奠定坚实的实验和理论基础，是本项目的另一个特色和创新之处。

哈尔滨工业大学

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