鐵電陶瓷合成物,鐵電陶瓷單晶及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種化學式組成為ｓ［Ｌ］－ｘ［Ｐ］ｙ［Ｍ］ｚ［Ｎ］ｐ［Ｔ］的鐵電陶瓷化合物，一種鐵電陶瓷單晶及其制備方法。本發明專利技術的鐵電陶瓷化合物和單晶是具有高壓電性、高機電系數以及高電光系數的弛豫鐵電體，可用于制造無線電通信用可調濾波器、光通信組件、表面聲波組件等等。特別的，制備本發明專利技術單晶的方法能夠制造出直徑為５厘米或更大的單晶和組成均勻的單晶晶片。該化學式中，［Ｐ］是氧化鉛，［Ｍ］是氧化鎂或氧化鋅，［Ｎ］是氧化鈮，［Ｔ］是二氧化鈦，［Ｌ］是選自鉭酸鋰或鈮酸鋰（ＬｉＮｂＯ↓［３］）、鋰（Ｌｉ）、氧化鋰、鉑、銦、鈀、銠、鎳、鈷、鐵、鍶、鈧、釕、銅、釔和鐿或其混合物中的一種物質，而ｘ，ｙ，ｚ，ｐ和ｓ分別限定為０．５５＜ｘ＜０．６０、０．０９＜ｙ＜０．２０、０．０９＜ｚ＜０．２０、０．０１＜ｐ＜０．２７和０．０１＜ｓ＜０．１。（*該技術在2023年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
,鐵電陶瓷單晶及其制備方法
本專利技術涉及一種，一種鐵電陶瓷單晶及其制備方法。更具體的說，本專利技術涉及一種廣泛適用的具有優異鐵電、壓電、機電、電光和電致伸縮性質的鐵電陶瓷，一種由其制成的直徑為5厘米或更大的單晶，及其制備方法。
技術介紹
與其中普通陶瓷組分以粉末形式存在，而其顆粒以具有顆粒邊界的狀態無序存在的材料相反，單晶是一種沒有任何邊界的規則排列的均質材料。由于這種規則的物理狀態，單晶提供了完全不同于那些普通陶瓷的物理、機電、光學和電光性質，因此，單晶用于制備各種最新的儀器，例如無線電通信用可調濾波器、表面聲波(SAW)組件或薄膜體聲波諧振器(FBAR)組件、光調制器、醫用和軍用超聲換能器、非揮發性存儲器組件、用于精細位移控制的致動器、小型電池、輻射能接收器等等。特別的，在這些單晶中，具有智能弛豫鐵電體性質的單晶由于其智能可以被用作傳感器，由于其在給定空間內原子和分子最密集的規則排列而能夠進行縮微加工，并且由于其沒有晶粒邊界而表現出優異的壓電、機電和電光性質。術語“弛豫”是指物理性質值受外界溫度影響的弛豫溫度相關性的性質，這是絕大多數電氣零件或組件、材料、設備等存在的嚴重問題。由于這些優良的性質，使用對單晶施加應力后產生電壓的壓電性質以及從相反方向施加電壓后產生收縮的電致伸縮性質使得智能弛豫鐵電單晶能夠用于超聲換能器，致動器，擴音器，有線/無線通信用可調濾波器，SAW組件，FBAR等等。此外，由于其優異的光電性質，這種單晶是用于光調制器、光開關等光通信功能器件的理想材料。而且，甚至在存儲器領域中近來飽受關注的非揮發性存儲器領域中，由于其優異的鐵電性質，這種單晶能夠用于制備高級存儲器。但是，這種具有優良的性質并且被期望應用于上文所述各種最新設備的單晶通常很難生長到商業上可以應用的直徑為5厘米(2英寸)或更大的單晶。因此，迄今為止這種單晶尚未商品化。即使獲得了這樣的單晶，單晶的質量也與制備這種單晶的陶瓷材料的方法以及陶瓷材料的組成緊密相關。迄今為止已經進行的研究報告如下文所述。G.A.Smolenskii和A.I.Agranovskaya在Sov.Phys.Solid StateVol.1，1429(1959)中首次報告了鈮酸鉛鎂鹽(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3；“PMN”)，一種新的弛豫鐵電陶瓷。自從這種陶瓷被首次報告后，W.A.Bonner和L.G.Van Uitert在Mater.Res.Bull.Vol.2，131(1967)中報告了他們通過Kyropoulos(基羅波洛斯)方法成功地使PMN單晶生長到數毫米到2厘米的尺寸。1980年，N.Setter和L.E.Cross在J.Cryst.Growth，Vol.50，p 555(1980)中報告了他們使用通量法(flux method)成功的使PMN單晶生長到1厘米的尺寸。1983年，S.Nomura和K.Uchino在FerroelectricsVol.50，p 107-203(1983)中報告了這類PMN單晶的各種性質和PMN-PT單晶(其是PMN單晶的PT化合物)的性質。他們報告了這種單晶在壓電、機電、鐵電和熱電性質方面表現優異。甚至從那以后，又報告了很多研究結果。最近，Sang-goo Lee等人首次使用Bridgemann方法成功地使PMN生長到大約1厘米的尺寸，并報告了其優良的物理性質(見Appl.Phys.Letts.Vol.74，No.7，1030(1999))。此外，Luo等人在1999年的IEEE UltrasonicSymosium-1009中還報告了使用改進的Bridgemann方法使PMN-PT單晶生長到2.5厘米的直徑及其性質。但是，從前述可知，傳統的PMN-PT的組成和使用這種組成制備單晶的方法已經有研究和報導，但是制備直徑在2.5厘米左右的單晶的方法只適用于研究或實驗。這一尺寸遠遠低于現有儀器制造方法中所使用的晶片直徑5厘米的最小尺寸。因此，使用這種單晶的設備還沒有發展起來。甚至連采用迄今為止所報導過的制備單晶的方法中重現性最高的通量法，也只能制造無規則尺寸的單晶。因此這一缺點使得這種方法不適用于工業化大規模生產。盡管對弛豫鐵電單晶的研究已經持續了40年，但是弛豫鐵電單晶仍然沒有應用于商業設備的主要原因在于，由于含有大量鉛成分的鐵電材料的性質，使用現有的單晶生長方法不可能穩定的生產出直徑為大約5厘米的大單晶。同時，分別以Ibule Photonics Co.Ltd公司的名義申請和指定的韓國專利第0384442號和美國專利第6,491,899和6,468,498號中公開了解決這個問題的方法。但是這些方法仍然存在由于相變溫度低而造成單晶中組成均勻性惡化的問題，因此其應用范圍相對狹窄。
技術實現思路
因此，本專利技術的目的是解決前述問題，也就是說，克服迄今為止已經報告的傳統化合物由于電磁、光學和電光性質的局限，晶體尺寸和均勻性問題，以及例如低相變溫度等物理性質問題所導致的商業應用的限制。本專利技術的一個目的是制備一種直徑為5厘米或更大的、適宜商業應用的、具有新型組成的智能弛豫鐵電單晶，該單晶具有適宜制造例如最新的無線電通信用可調濾波器、超聲換能器、極速光通信調制器、微小位移控制的致動器以及非揮發性存儲器等設備的性質值。特別的，本專利技術的一個目的是提供一種制備具有優良電學和物理性質的陶瓷合成物的方法以及使用該方法制備的均勻單晶，其中包括稱為反應步驟的高溫煅燒步驟，而為了在反應步驟中控制包括溫度性質在內的性質以便提高組分的均勻性并且擴大其應用范圍的添加劑加入步驟。為了實現這些目的，本專利技術提供了一種具有以下化學式1的組成的陶瓷化合物，和一種使用該化合物的鐵電陶瓷單晶s-xyzp (1)其中，是氧化鉛(PbO，PbO2，Pb3O4)，是氧化鎂(MgO)，是氧化鈮(Nb2O5)，是二氧化鈦(TiO2)，是選自鉭酸鋰(LiTaO3)、鈮酸鋰(LiNbO3)、鋰(Li)或者碳酸鋰(Li2CO3)、鉑(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銦(In)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鍶(Sr)、鈧(Sc)、釕(Ru)、銅(Cu)、釔(Y)和鐿(Yb)、或其氧化物的金屬，并且x限定為0.55＜x＜0.60，y限定為0.09＜y＜0.20，z限定為0.09＜z＜0.20，p限定為0.01＜p＜0.27，s限定為0.01＜s＜0.1。此外，使用具有本專利技術化學式1的組成的智能弛豫制備單晶的方法，包括陶瓷前體反應步驟(“反應步驟”)、陶瓷化合物反應步驟以及結晶步驟。陶瓷前體反應步驟包括如下步驟分別將0.09到0.20摩爾、0.09到0.20摩爾和0.01到0.27摩爾的氧化鎂(MgO)或氧化鋅(ZnO)、氧化鈮(Nb2O5)和二氧化鈦(TiO2)分別相互混合，隨后加入一種或多種選自鉭酸鋰(LiTaO3)、鈮酸鋰(LiNbO3)、鋰(Li)或者碳酸鋰(Li2CO3)、鉑(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銦(In)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵(Fe)、鍶(Sr)、鈧(Sc)、釕(Ru)、銅(Cu)、釔(Y)和鐿(Yb)或其氧化物的金屬作為添加劑以便加速反應或控制性質，并使其在1,100到2,000℃的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種具有以下化學式１的組成的鐵電陶瓷化合物，ｓ［Ｌ］－ｘ［Ｐ］ｙ［Ｍ］ｚ［Ｎ］ｐ［Ｔ］（１）其中，［Ｐ］是氧化鉛（ＰｂＯ，ＰｂＯ↓［２］，Ｐｂ↓［３］Ｏ↓［４］），［Ｍ］是氧化鎂（ＭｇＯ），［Ｎ］是氧化鈮 （Ｎｂ↓［２］Ｏ↓［５］），［Ｔ］是二氧化鈦（ＴｉＯ↓［２］），［Ｌ］是一種選自鉭酸鋰（ＬｉＴａＯ↓［３］）、鈮酸鋰（ＬｉＮｂＯ↓［３］）、鋰（Ｌｉ）或者碳酸鋰（Ｌｉ↓［２］ＣＯ↓［３］）、鉑（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ） 、鈀（Ｐｄ）、銠（Ｒｈ）、銦（Ｉｎ）、鎳（Ｎｉ）、鈷（Ｃｏ）、鐵（Ｆｅ）、鍶（Ｓｒ）、鈧（Ｓｃ）、釕（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、釔（Ｙ）和鐿（Ｙｂ）或其氧化物的金屬，并且ｘ限定為０．５５＜ｘ＜０．６０，ｙ限定為０．０９＜ｙ＜０．２ ０，ｚ限定為０．０９＜ｚ＜０．２０，ｐ限定為０．０１＜ｐ＜０．２７，而ｓ限定為０．０１＜ｓ＜０．１。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：李相救，金珉澯，崔炳周，申旼澈，柳秀翰，
申請(專利權)人：艾布爾光子學有限公司，
類型：發明
國別省市：KR[韓國]