稀土掺杂铁电晶体的生长与表征

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1、密级公开分类号TB34XI’ANTECHNOLOGICALUNIVERSITY硕士学位论文题目:稀土掺杂铁电晶体的生长与表征作者：黑于体海4博号指导教师：惠增哲教授申请学位学科：材料加工工程2018年5月3日稀土掺杂铁电晶体的生长与表征学科：材料加工工程研究生签字：指导教师签字：摘要Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)和Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT)弛豫铁电晶体因具有优异的电学性能，引起了铁电、压电材料研究者极大的研究兴趣。然而低的三-四方相变温度，弱的光学性能和低的矫顽场，分别限制了PMN-PT和PZN-P

2、T晶体在高温压电设备，光学器件和大功率压电设备上的应用。本文引入稀土离子Ho3+、Er3+、Eu3+和Yb3+掺杂PMN-PT和PZN-PT晶体，使晶体的三-四方相变温度、矫顽场和光学性能进一步得到改善，同时研究了晶体的相结构、微观形貌和弛豫特性。首先，采用高温溶液法生长了Ho3+掺PMN-32PT晶体和Ho/Yb、Er/Yb、Eu/Yb共掺PZN-9PT晶体。所生长的PMN-32PT:Ho、PZN-9PT:Ho/Yb、PZN-9PT:Er/Yb和PZN-9PT:Eu/Yb晶体的最大尺寸分别为5mm×4mm×3mm、5mm×5mm×3mm、4mm×3mm×2mm和5

3、mm×4mm×4mm。XRD研究结果表明所生长的晶体均为纯的钙钛矿结构，没有第二相的存在，表明稀土离子进入晶体形成了固溶体。SEM研究结果显示晶体的生长方式主要是台阶式生长。电学性能研究发现稀土离子的引入使得晶体的矫顽场得到了明显的提高。PMN-32PT:Ho晶体的EC相比于纯的PMN-32PT晶体(2.5kV/cm)被提高4.31kV/cm。PZN-9PT:Ho/Yb和PZN-9PT:Er/Yb的EC相比于纯的PZN-9PT晶体(EC＜3.0kV/cm)分别倍提高到9.26和11.08kV/cm。PZN-9PT:Eu/Yb晶体的EC高达12.56kV/cm。PZN

4、-9PT:Er/Yb的TR-T为380.22K，明显高于纯的PZN-9PT晶体(TR-T＝363K)。采用居里-外斯定律，修正的居里-外斯定律和洛伦兹公式研究了晶体的弛豫特性。在100kHz频率下：PMN-32PT:Ho、PZN-9PT:Ho/Yb、PZN-9PT:Er/Yb和PZN-9PT:Eu/Yb晶体的弥散度A分别为40.87、36.48、46.43和43.96K。研究表明所生长的晶体均具有弥散相变和频率色散特性。稀土离子的引入使晶体具有了上转换和下转换光学性能。PMN-32PT:Ho晶体在465nm波长激光激发下，实现了550nm波长（绿光）和590～67

5、4nm波长（红光）的下转换发光。在1860～3500cm-1范围内，晶体的透过率高达60%，同时观测到四个明显的凹谷，分别位于2900，2345，1650，1419cm-1，表明在这些位置出现了强烈的吸收。晶体在650nm激发下，在400-630nm范围内，实现了480-520nm（蓝光和绿光），540-570nm（绿光）和580-620nm（黄光和橘色光）的上转换发光。关键词：PMN-PT晶体；PZN-PT晶体；矫顽场；钙钛矿结构；居里温度；上转换发光GrowthandCharacterizationofRareEarthModifiedFerroelectric

6、CrystalsDiscipline:MaterialsProcessingEngineeringStudentSignature:SupervisorSignature:AbstractRelaxorferroelectricsinglecrystalsPb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)andPb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT)havearousedgreatinterestintheresearchofferroelectricandpiezoelectricmaterialsduetoexcellentel

7、ectricalproperties.However,thelowrhombohedral-tetragonalphasetemperature,theweakopticalpropertiesandthelowercoercivefieldlimittheapplicationsofPMN-PTandPZN-PTsinglecrystalsinhightemperaturepiezoelectricdevices,opticaldevices,andhigh-powerpiezoelectricdevices.Inthepresentwork,rareeart