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铁电单晶铌铟镁酸铅—钛酸铅结构及电光性质研究

作　者: 吴丰民
导　师: 曹文武
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学
关键词: PIN-PMN-PT 微区拉曼 光学能带跃迁 折射率色散 电光效应
分类号: O73
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


弛豫铁电固溶体单晶因其具有十分优异的压电、机电等性能广泛地应用于传感器、超声马达及超声换能器等器件当中。最近几年，高质量、均匀的三元弛豫铁电单晶铌铟镁酸铅-钛酸铅[Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3，（PIN-PMN-PT）]备受研究领域的瞩目，在具有优异压电与机电等特性的同时，其高的居里温度、相变温度和大矫顽场等优良特性使之有很大潜力成为新一代的声功能材料。本论文以弛豫铁电单晶铌铟镁酸铅-钛酸铅为研究对象，利用拉曼散射光谱、透射光谱、马赫-曾德干涉等光学研究手段，在材料的相结构及相转换、能带结构和电光性能等方面展开了系统全面的研究。首先利用拉曼散射光谱对材料的相结构以及相转换进行设计研究。对准同型相界组分0.24PIN-0.43PMN-0.33PT单晶的拉曼光谱进行Gauss拟合得到一系列的拉曼模式，通过分析拉曼模式的数量推断出室温下，单晶为单斜相结构。通过测试单晶样品表面不同区域的偏振拉曼光谱，判断出该组分单晶不同单斜相（MA、MB和MC）共存。通过研究该单晶材料偏振拉曼光谱随温度变化情况，并根据拉曼谱线的移动及合并，判断出单晶材料的相变过程，单斜到四方的相变温度为85°C，四方相到立方相的相转换温度为200°C。同时根据拉曼峰强度的比值分析了相变过程单晶晶格振动及畴结构变化。通过XRD和TSDC分析了材料的相变过程，并研究了[111]c极化0.24PIN-0.43PMN-0.33PT单晶介温曲线中，从67°C升高到82°C时，介电系数出现了不连续跳变显示了在此温区发生多次相变。最后通过分析电场诱导下的单晶的偏振拉曼光谱分析出了MB到MC单斜相结构的相变过程。对单畴单晶材料的能带结构及相关物理参数进行研究。将0.24PIN-0.49PMN-0.27PT单晶沿[111]c方向极化成稳定的单畴状态，具有较高的光学透过率，可以达到64%左右。和多畴态准同型相界组分0.24PIN-0.43PMN-0.33PT单晶进行对比，多畴态单晶由于其畴壁对光的散射作用会导致透射率降低，通过透射率计算材料吸收系数，进而求出了单晶直接禁带宽度和间接禁带宽度，分别为3.18eV和2.96eV。通过测试变温透射率，将室温和居里温度以上透射率进行对比发现单晶室温下的透射率和顺电相时的透射率非常接近，表明单晶在室温下可以极化成稳定的单畴状态。最后运用椭偏仪测量了单晶的折射率，通过最小二乘法拟合出了单晶折射率的塞尔迈耶尔色散方程，并通过线性拟合折射率关系得出了色散方程的相关参数。优异的基本光学性质表明该单晶在光学器件领域有很大的应用潜力。全面研究不同组分单晶的电光系数张量以及电光系数的温度稳定性。利用偏光显微镜观测不同组分0.24PIN-（0.76-x）PMN-xPT单晶的畴结构，利用布儒斯特角法测量了各组分单晶的寻常光折射率no和非寻常光折射率ne，同时制作压电振子测试了单晶材料的横向压电应变系数d31。选用改进的马赫-曾德干涉系统测量了各组分单晶的电光系数。对于准同型相界组分的单晶，其沿着[001]c方向极化后，得到的最大的有效电光系数高达204pm/V，而单畴态的单晶也具有较高的电光系数，均高于传统的电光晶体LiNbO3。由此可计算出材料具有的较小半波电压，同时我们还发现单晶PIN-PMN-PT具有较好的温度稳定性。因此，高的电光系数、较小的半波电压以及较好的温度稳定性使得该单晶材料在特定的应用领域中可以替代传统的LiNbO3晶体。实验证实对准同型相界组分单晶沿[011]c方向极化可诱导出稳定的单畴态，而此单畴态具有优异的透光性能和较高的电光系数分量。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-12
第1章 绪论  12-32
  1.1 引言  12-13
  1.2 铁电体的主要特征  13-17
    1.2.1 电滞回线特性  13-15
    1.2.2 铁电体的相变特征及准同型相界  15-16
    1.2.3 畴工程化  16-17
  1.3 Relaxor-PT 型铁电单晶的研究现状  17-30
    1.3.1 钙钛矿型弛豫铁电体  17-20
    1.3.2 Relaxor-PT 型弛豫铁电单晶的发展  20-23
    1.3.3 Relaxor-PT 型弛豫铁电单晶的电学性能  23-27
    1.3.4 Relaxor-PT 型弛豫铁电单晶的光学研究  27-29
    1.3.5 PIN-PMN-PT 单晶的研究现状  29-30
  1.4 课题来源及研究的目的和意义  30-31
  1.5 本论文的主要研究内容  31-32
第2章 相界组分 PIN-PMN-PT 单晶的相结构及相变研究  32-53
  2.1 晶格振动的拉曼光谱理论  32-36
    2.1.1 拉曼散射的电动力学及量子理论  32-35
    2.1.2 拉曼散射的选择定律  35-36
  2.2 Relaxor-PT 型铁电单晶的单斜相结构  36-37
  2.3 单晶的加工及相关实验  37
  2.4 单晶相结构的拉曼光谱研究  37-40
  2.5 单晶相转换的拉曼光谱研究  40-45
    2.5.1 相变过程的拉曼光谱变化  40-43
    2.5.2 相变过程拉曼振动模式  43-45
  2.6 相转换的 XRD 及 TSDC 研究  45-49
    2.6.1 未极化单晶相变过程的 XRD 研究  45-47
    2.6.2 [111]_c极化单晶相变过程的 TSDC 研究  47-49
  2.7 电场诱导单晶的拉曼光谱变化  49-51
  2.8 本章小结  51-53
第3章 单畴 PIN-PMN-PT 单晶的光学能带结构性质研究  53-71
  3.1 单晶样品的加工  53-55
  3.2 光学带间跃迁  55-65
    3.2.1 单晶的透光性能  55-58
    3.2.2 单晶的光学禁带宽度  58-63
    3.2.3 单晶的变温透光特性  63-65
  3.3 折射率色散  65-70
    3.3.1 消光系数和折射率  65-67
    3.3.2 折射率的 Sellmeier 色散方程及参数  67-70
  3.4 本章小结  70-71
第4章 PIN-PMN-PT 单晶线性电光性能研究  71-95
  4.1 线性电光系数矩阵  71-76
    4.1.1 三方晶系 C_(3v)-3m 对称性单晶的线性电光效应  73-74
    4.1.2 四方晶系 C_4对称性单晶的线性电光效应  74-76
  4.2 单晶的加工及相关实验  76-78
  4.3 相关参数的测量  78-82
    4.3.1 折射率 n_o和 n_e的测量  78-80
    4.3.2 压电应变系数 d_(31)的测量  80-82
  4.4 线性电光系数的测量  82-91
    4.4.1 马赫-曾德干涉系统  82-85
    4.4.2 电光系数的测量与计算  85-88
    4.4.3 测试结果的比较与分析  88-90
    4.4.4 电光系数的温度稳定性  90-91
  4.5 [011]_c极化准同型相界组分单晶电光系数  91-93
  4.6 本章小结  93-95
结论  95-97
参考文献  97-109
攻读博士学位期间发表的论文  109-111
致谢  111-112
个人简历  112

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中图分类: > 数理科学和化学 > 晶体学 > 晶体物理
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