第１８卷　第２期　

２００３年３月　无机材料学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｖｏ１．１８，Ｎｏ．２　

Ｍａｒ．，２００３　

文章编号：１０００—３２４Ｘ（２００３）０２—０４６５—０５　

四方相铌镁酸铅一钛酸铅（ＰＭＮ—ＰＴ）铁电单晶的弹性、　

介电、压电和机电性能　

曹　虎，方必军，徐海清，罗豪廷　

（中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室，上海嘉　

定２０１８００）　

摘　要：研究了四方相弛豫铁电单晶Ｐｂ（Ｍｇｘ／３Ｎｂ２／３）０３—３８％ＰｂＴｉＯ３（ＰＭＮＴ６２／３８）的介　

温特性，并利用ＨＰ４１９２Ａ阻抗分析仪测量了ＰＭＮＴ６２／３８单晶完整的一套弹性、介电、压　电和机电耦合系数，为理论研究和器件设计提供了参考，其居里点　￣－，１７４。Ｃ；压电应变常　量ｄ３３￣３００ｐＣ／Ｎ；介电常数ｇ３３－－，７３４，ｇｌｌ￣４３０１；机电耦合因数ｋ３３－－，８４．６％，ｋｔ－－，６０．８％，　

ｋ３１－－，４４．５％．ｋｘ５－－，４５．９％．　关键词：ＰＭＮ－ＰＴ单晶；弹性、介电、压电和机电耦合系数；谐振一反谐振法　

中图分类号：Ｏ　７３８　文献标识码：Ａ　

１引言　

铅基复合钙钛矿弛豫铁电单晶（１一ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ，／３Ｎｂ２／３）０３一ｘＰｂＴｉＯ３（ＰＭＮＴ）和（１一ｙ）Ｐｂ　

（Ｚｎｌ／３Ｎｂ２／３）０３一ｙＰｂＴｉＯ３（ＰＺＮＴ）的成功生长被认为是铁电界领域５０年历史中的一次激动人　

心的突破【ｌＪ＿它们的压电常量ｄ３３可达１５００￣２０００ｐＣ／Ｎ，机电耦合系数ｋ３３可达０．９２－，，０．９４，电　

致伸缩应变最大可达１．７％【２Ｊ＇而Ｐｂ（Ｚｒ　Ｔｉ１－ｘ）０３（ＰＺＴ）压电陶瓷的机电耦合系数ｋ３３—０．７５，　

压电常量ｄ３３￣７００ｐＣ／Ｎ［引．如此优异的压电和电致伸缩性能使得ＰＭＮＴ和ＰＺＮＴ单晶能在　

超声换能与机电转换领域获得重要应用．　

ＰＭＮＴ单晶是复合钙钛矿结构的固溶体，高温呈顺电相结构（Ｐｍ３ｍ），温度降低时，随着　

ＰＴ含量的不同，呈现三方铁电相（Ｒ３ｍ）或四方铁电相（Ｐ４ｍｍ）．在ｘ＝０．３３￣０．３５时，存在一　

个三方和四方相共存的准同型相界（ＭＰＢ）．Ｐｂ（Ｍｇｌ／３Ｎｂ２／３）０３—３８％ＰｂＴｉＯ３（ＰＭＮＴ６２／３８）的　

ＰＴ含量为３８ｍｏｉ％，已偏离了准同型相界附近的组成，室温下呈四方相，自发极化沿＜００１＞　

方向．目前许多有关弛豫铁电单晶ＰＭＮＴ的工作主要集中在相界附近和偏三方组成的介电　

和压电性能，而对于四方相的ＰＭＮＴ单晶的介电性能和压电性能报道的文章相对较少．本　

文主要利用ＨＰ４１９２Ａ阻抗分析仪来研究ＰＭＮＴ６２／３８单晶的介温特性并测量一套完整的弹　

性、介电、压电和机电耦合系数，为理论研究和器件设计提供一套完整的数据，以便更好的　

了解ＰＭＮＴ铁电单晶．　

收稿日期：２００２－０２－０１，收到修改稿日期：２００２－０３－０８　基金项目ｔ国家自然科学基金（５９９９５５２０）；上海市基金（００５２０７０１５）　作者简介Ｉ一　虎（１９７６＿－），男，硬士研究生．　Ｅ－ｍａｉｌ：ｃａｏｈｕＱｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｒｎ

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Ｚ　

ｈｌ￣．ｏ＞　￥１２Ｅ，ｓ　

图１测量ＰＭＮＴ６２／３８单晶的弹性、介电、压电　和机电耦合系数的五种不同振动模式的样品切型示　

意图　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｖｅ　ｔｅｓｔ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｆｕＩＩ　ｓｅｔ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｈａｒＲｃ－　

ｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＰＭＮＴ６２／３８　ｃｒｙｓｔａｌｓ　２晶体生长与实验　

采用改进的Ｂｒｉｄｇｍａｎ法【４，５】进行　

ＰＭＮＴ６２／３８单晶的生长．ＰＭＮＴ６２／３８单　

晶的结构用粉末ＸＲＤ确定．用Ｌａｕｅ衍射　

法确定晶体的两个结晶学平面：　（１００）面　

和（１１０）面．图１是测量ＰＭＮＴ６２／３８单晶　

机电性能的五种ｚ一切样品的示意图．五种　

样品的尺寸由ＩＥＥＥ压电标准【６】决定．为　

了减少晶体生长过程中由于分凝【７】引起的　

组分不一致而导致的测量误差，测试用的　

样品尽量从同一部位切割．居里温度能较　

好的反映出材料的组成，因此样品尽量选　

取居里温度（　）比较接近的晶片．样品表　

面镀上烧银电极，在ｌｋＶ／ｍｍ的电场下极　

化．ＰＭＮＴ６２／３８单晶的介温特性和谐振性　

能用ＨＰ４１９２Ａ低频阻抗分析仪测得．表Ｉ　

列出了五种测试用样品的尺寸，居里温度　

和用谐振法测得的不同振动模式的谐振频　

率和反谐振频率及其由此计算的机电耦合　

系数．　

表１　ＰＭＮＴ６２／３８单晶的五种不同振动模式的样品尺寸，居里温度及其谐振频率和反谐振频率及其由　此计算得来的机电耦合系数　

Ｔａｂｌｅ　１　Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ，ｃｕｒｉｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（　），ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ａｎｄ　ａｎｔｉ－ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ　ａｎｄ　

ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｏｆ　ｆｉｖｅ　ｔｅｓｔ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ　ｆｏｒ　

ＰＭＮＴ６２／３Ｓ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　

自由介电常量￡　，￡　和受夹介电常量￡嘉，￡　通过样品的低频电容（１ｋＨｚ）和高频电容　

（１０ＭＨｚ）计算得到；弹性顺度系数ｓ嚣，ｓ嚣＜１１ｏ＞和机电耦合系数　３１，ｋ３１＜１１０＞可以从长条片　

的横向伸缩振动模式测得的谐振和反谐振频率计算得来，同样，ｓ器和ｋ３３由棒的纵向长度　

伸缩振动模式确定，弹性刚度系数ｃ翕和ｋ　５由面切变振动模式确定；ｃ磊和ｋｔ由厚度振动　

模式确定．其它系数可以通过四套压电方程得到．样品的密度可以根据阿基米德原理测得．

　维普资讯 http://www.cqvip.com ２期曹虎，等：四方相铌镁酸铅・钛酸铅（ＰＭＮ－ＰＴ）铁电单晶的弹性、介电、压电和机电性能４６７　

３结果和讨论　

３．１　ＰＭＮＴ６２／３８单晶的介温特性　

ＰＭＮ的顺电一铁电相变属典型的弥散型相变，而ＰＴ的相变则属于普通的一级相变．　

作为压电材料的ＰＭＮ．ＰＴ的固溶体，其组成处于两者之间，相变的弥散程度随ＰＴ含量的　增加而减小，到ＰＴ含量＞３４ｍｏ１％时，变为　

普通铁电体Ｉｓ】．粉末ＸＲＤ确定ＰＭＮＴ６２／３８　

单晶在室温下是四方相（图２）．图３是　

ＰＭＮＴ６２／３８单晶极化和退极化的介电常　

数实部￡ｒ与温度和频率（１，￣１００ｋＨｚ）的　

关系．从图２中可看出，极化和退极化的　

ＰＭＮＴ６２／３８单晶样品的介温特性呈现了一　

级相变的特征：在测试的温度范围内，介　

电常量无明显的频率色散现象，并且在相　

变温度附近，介电常数急剧升高出现最大　

值，介电峰尖锐；此外，一个明显的热滞被　

观察到：升温过程中的铁电一顺电相变发生　

在１７６．９。Ｃ，降温过程中的顺电．铁电相变　图２　ＰＭＮＴ６２／３Ｓ单晶组成的粉末ＸＲＤ　

Ｆｉｇ．２　ＸＲＤ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ＰＭＮＴ６２／３８　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　

—　ｏ　＝　

Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆＣ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／℃　

图３　ＰＭＮＴ６２／３８单晶（００１）切型的样品在不同频率下（１，，￣１００ｋＨｚ）的介电温度特性　

Ｆｉｇ．３　Ｔｅｍｐｅｒａｔｍｒｅ　ａｎｄ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｓｔａｎｔ￡ｒ　ｆｏｒ（００１）ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ＰＭＮＴ６２／３８　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌ（１￣１００ｋＨｚ）　

（ａ）Ｔｈｅ　ｐｏｌｅｄ　ｓａｍｐｌｅ（ｈｅａｔｉｎｇ　ｕｐ）；（ｂ）Ｔｈｅ　ｄｅｐｏｌｅｄ　ｓａｍｐｌｅ（１ｏｗｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）　

发生在１６８．５。Ｃ．对于四方相ＰＭＮＴ６２／３８单晶来说，在晶体生长过程中的降温阶段，当温度　

降低到居里温度以下时会发生从立方顺电相（ＰＥ）一四方铁电相（ＦＥ）的相变．由于四方铁电　

相有六个对称等效的＜００１＞自发极化取向，晶体处于多畴状态．极化时，在外加电场的作　

用下，偶极子沿着最接近电场的方向择优取向．偶极子沿着电场方向的旋转，导致晶体中　

电畴结构的变化，四方相单畴区增大，畴壁体积减小，必然对材料的介电性能产生很大影　ｌＩＩｌ；｛§　；｛ｉ｝ｆ；｝｝｛

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响．当样品降温经过居里温度时，发生四方ＦＥ－立方ＰＥ相变，晶体又回到多畴状态，因而　

室温下测得的样品极化后的介电常数小于退极化后介电常数，分别为７６０和１１５０．　

３．２　ＰＭＮＴ６２／３８单晶的弹性、介电、压电和机电耦合系数　

表２列出了ＰＭＮＴ６２／３８单晶完整的一套弹性、介电、压电和机电耦合系数．为了便于　

比较，同时列出了Ｎａｖｙ　Ｔｙｐｅ　ＶＩ陶瓷的机电性能参数（表３）．ＰＭＮＴ６２／３８的‰，　３１和ｋ３３　

表２　ＰＭＮＴ６２／３８单晶的弹性、介电、压电和机电耦合系数（ｐ：８．０９３／１０。ｋｇ・ｍ－３）　

Ｔａｂｌｅ　２　Ｍｅａｓｕｒｅｄ　ａｎｄ　ｄｅｒｉｖｅｄ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＰＭＮＴ６２／３８　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｐｏｌｅｄ　ａｌｏｎｇ【００１】（ｐ－－８．０９３／１０。ｋｇ・ｍ－３）　

表３　Ｎａｖｙ　Ｔｙｐｅ　ＶＩ陶瓷的机电性能　

Ｔａｂｌｅ　３　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｎａｖｙ　Ｔｙｐｅ　ＶＩ　ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｆｒｏｍ【９，１０】　

都比Ｎａｖｙ　Ｔｙｐｅ　ＶＩ陶瓷高，分别为０．６０，０．４４６和０．８４６，大于Ｎａｖｙ　Ｔｙｐｅ　ＶＩ陶瓷的０．５０，　

０．３９和０．７５．有些ＰＭＮＴ６２／３８单晶的ｋ３３能达到０．８９，已经很接近三方相ＰＭＮＴ６７／３３的　

ｋ３３（０．９２，－－０．９４），这对于医用超声探头，驱动器等应用来说，具有特别重要意义．此外从介电　

温谱来看，四方相的ＰＭＮＴ６２／３８同三方相的ＰＭＮＴ６７／３３又有显著的不同．虽然ＭＮＴ６７／３３　

单晶的ｋ３３能达到０．９１，ｋｔ一０．６２［１１】，然而极化后的介温曲线在８０。Ｃ左右有一个三方相到四　

方相的相变小峰【

４】，材料的性能随温度的变化波动较大，这对于一些器件的应用是一个不　维普资讯 http://www.cqvip.com