一種鈮酸鉀鉛壓電單晶的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于物理學(xué)領(lǐng)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(shù)】
[0002]上世紀(jì)60年代末期，聲表面波(SAW)逐漸發(fā)展起來并成為一種新興科學(xué)技術(shù)，它是超聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合的一門科學(xué)。由于聲表面波器件實(shí)現(xiàn)了小型化和多功能化，從而在雷達(dá)、導(dǎo)航、電子和識別領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。對于聲表面波器件來說，有兩個重要的參數(shù)，一個是與其穩(wěn)定性相關(guān)的時延溫度系數(shù)，另一個是與其效率相關(guān)的機(jī)電耦合系數(shù)。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(shù)較差，α石英的機(jī)電耦合系數(shù)相當(dāng)差，這給器件的有效使用帶來了嚴(yán)重的問題。鎢青銅(Τ.B)系鐵電單晶因具有優(yōu)良的光電、熱電、壓電性能、時延溫度系數(shù)為零的切型以及高機(jī)電耦合系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，而得到人們的廣泛關(guān)注，其中機(jī)電耦合系數(shù)最高的為鈮酸鉀鉛(Pb2KNb5O15)單晶。
[0003]鈮酸鉀鉛單晶是發(fā)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(nèi)外眾多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)開展了對四方烏青銅結(jié)構(gòu)鈮酸鉀鉛單晶的生長與應(yīng)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?zhǔn)情_放的，氧化鉛在1200°C很容易揮發(fā)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(fā)現(xiàn)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(zhì)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(jù)要求可變、固液界面溫度梯度和下降速率根據(jù)實(shí)際情況調(diào)控、一爐多根高效率等眾多優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)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(shè)置為10?15°C，利用坩禍下降法成功制備出高質(zhì)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(xiàn)裂紋等缺陷，這是由于溫場不夠穩(wěn)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(yōu)化，使晶體很容易因熱膨脹系數(shù)的各向異性而在降溫過程中出現(xiàn)裂紋。
[0005]采用提拉法、頂部籽晶植晶法、傳統(tǒng)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(yán)重偏析、晶體內(nèi)含有裂紋和包裹物等問題，成品率只有不到30%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題，本發(fā)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(xiàn)有技術(shù)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(yán)重偏析、晶體內(nèi)含有裂紋和包裹的技術(shù)問題。
[0007]本發(fā)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(zhì)量比4:1:5稱量，在無水酒精環(huán)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(nèi)，在1100?1300 °C的空氣氣氛中灼燒5?15h，第一次燒結(jié)結(jié)束后，待多晶料自然冷卻到室溫后取出，進(jìn)行充分研磨后，再將粉末置于馬弗爐內(nèi)，在1100?1300°C的空氣氣氛中灼燒5?15小時，第二次燒結(jié)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(jī)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(zhì)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(diào)整位置，使原料塊處于爐膛內(nèi)高溫區(qū)，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(jié)晶后，使坩禍處于爐膛恒溫區(qū)，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(jìn)一步的，在制備步驟(I)原料塊的合成中，原料塊的形狀根據(jù)坩禍形狀為圓柱形、長方形、或者正方形。
[0009]進(jìn)一步的，在步驟(2)的制備過程中，所述籽晶取向?yàn)椤?10>、〈001>、或者〈100〉方向，籽晶形狀根據(jù)坩禍形狀為圓形、長方形或正方形。
[0010]進(jìn)一步的，馬弗爐體內(nèi)設(shè)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(jìn)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(nèi)，并使原料處于高區(qū)，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(zhì)量銀酸鐘鉛單晶。
[0012]本發(fā)明和已有技術(shù)相比，其技術(shù)進(jìn)步是顯著的。本發(fā)明克服了提拉法、頂部籽晶植晶法以及傳統(tǒng)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(yán)重偏析、晶體內(nèi)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(wěn)定性，密閉的坩禍減少氧化鉛揮發(fā)，優(yōu)化固液界面溫度梯度、坩禍下降速率、退火時間等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)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(shè)備簡單、一爐多產(chǎn)、成本低有利于實(shí)現(xiàn)晶體的批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0013]實(shí)施例1
稱量PbO，置于馬弗爐內(nèi)在600 0C的空氣氣氛中干燥2小時;待