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PMN-32PT铁电单晶电畴组态表征,pmn,32,pt,单晶,组态,表征
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开题报告PMN-32PT 铁电单晶电畴组态表征1. 毕业设计（论文）综述1.1. 题目背景及研究意义铁电晶体材料是一类重要的功能材料，该类材料因具有非线性光学效应、铁电开关等特性，使其在微电子、光电子等领域获得了广泛的应用。铁电畴是铁电材料物理性质的结构基础，铁电畴结构及畴动力学运动规律直接决定了铁电体物理性质及其应用方向。多年来，人们已经开发了多种观测铁电畴结构的技术方法。如偏光显微技术、压电力显微镜、原子力显微镜技术、扫描电子显微技术、X 射线形貌术、扫描力显微技术等。弛豫型铁电体PMN-PT 晶体，它是由铌镁酸铅 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 ，简写为PMN 和钛酸铅 (PbTiO3简写为PT)组成的固溶体晶体材料。广泛应用于传感器、换能器、声纳、致动器、滤波器、红外探测器等领域。弛豫铁电单晶比陶瓷及正常铁电体具有更加优异的压电、热释电、电光等性能，使得它们在医用超声成像、声纳、无损探伤等方面有广泛的应用前景。1.2. 目前研究状况1981年，Kuwata 等人首次通过助溶剂法生长出组分在准同型相界附近的PZN-PT 晶体，其压电性能（ d331000 pC/N，k 3390%）远高于压电陶瓷。但由于当时生长工艺不成熟，晶体尺寸及质量无法满足相关压电应用及器件研究的需要，弛豫铁电晶体的研究工作在上世纪80年代中后期基本处于停滞状态。直到上世纪90年代初，由于高性能医用超声探头和水声换能器等压电器件巨大的应用前景，美国及日本等国再次对高性能弛豫铁电单晶的研究工作给予了巨大地支持，并投入大量资金。在1990-2000 年，美国宾州州立大学ShroutTR 课题组、日本东芝公司Yamashita Y 课题组以及中国上海硅酸盐所Luo HS 课题组先后报道了PMN-PT、PZN-PT 等弛豫型铁电单晶的生长进展及相关性能指标。1997 年，Shrout TR 课题组成功生长出尺寸达20 mm20 mm的PZN-PT 晶体，满足部分B 超探头的使用要求，真正将这类高性能压电单晶推向了实用化。Shrout TR 课题组在美国杂志Journal of Applied Physics中详尽讨论了PZN-PT 和PMN-PT 晶体的生长情况以及压电性能。其中，PZN-0.08PT 晶体沿001 方向极化后压电常数高达 2500 pC/N，机电耦合系数高达90%，电致应变达1.7% ，同时相比于传统软性陶瓷，其还有诸如损耗低、应变滞后小等优点。同年， Science杂志也对相关工作进行了专题报道，著名铁电科学家CrossLE 和Newnham RE 对弛豫铁电单晶的研究成果给出了高度的评价，认为其是“铁电领域近50年来一次巨大的突破” 。对于开发下一代高性能传感器、换能器等器件来说，弛豫铁电单晶材料具有革命性意义。相比于传统PZT 陶瓷换能器，基于弛豫铁电单晶材料制作出的换能器，灵敏度可提高12 dB、带宽增大23 倍，声源级可提高12dB 。在此之后的10多年时间中，弛豫铁电单晶一直是铁电领域研究的热点问题，包括美国、欧洲、日本、中国、新加坡以及韩国在内的相关研究机构都给予了极大的关注。近期，宾夕法尼亚州立大学Zhang SJ 和Li F 在Journal of Applied Physics杂志上发表关于弛豫铁电单晶的综述文章，其中详尽地论述了弛豫铁电单晶的生长、性能以及应用情况。1.3. PMN-PT铁电单晶的电畴PMNPT 具有钙钛矿结构，晶体的高温顺电相为立方结构；低温铁电相的结构和组成与x PMN - (1 - x ) PT 中x 的大小有关，从晶体中负离子配位多面体角度分析，由于晶体中的NbO 6和MgO 6八面体的多少可以在晶体中出现一个四方- 三方相共存的准同型相界结构，在NbO 6和MgO 6八面体数量较多时晶体为四方结构，数量较小时为三方相结构。增加PT 的含量，可以提高PMNPT 弛豫型铁电相变的居里温度(T c) 。通过调节PT 的含量大小量，可以生长出PMNPT 晶体。由于生长出来的PMNPT 晶体降温通过居里点时，发生弛豫性铁电相变，晶体内部的载流子浓度不能完全补偿相变时，多种八面体沿晶体a 、b 或c 轴相反方向拉伸所产生自发极化而造成的晶体内部电场的变化，便形成PMNPT 晶体内自发极化方向相反的 180 多畴结构。另一方面PMNPT 晶体结构中，NbO 6、MgO 6和TiO 6八面体在发生顺电- 铁电相变过程中，由于它们沿晶体a 、b 或c 轴不断拉伸，使晶格发生畸变，在相变界面上产生弹性应力。相变过程中，相界面以不同速度通过顺电相时，沿晶体的a 、b 或c 轴方向可以产生不同大小的自发应力的突变值，从而形成不同的90电畴结构。2. 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1. 本课题研究的主要内容主要研究在连续温度场，不同电场强度以及温度与电场耦合共同作用下和不同退火温度对电畴组态表征的影响2.2. 研究方案2.2.1. 实验材料PMN-32PT单晶。2.2.2. 研究方法1) 将制备好的PMNT单晶进行制片，双面研磨，抛光处理。在偏光显微镜下进行观察并记录。2) 采取不同温度对试样进行退火处理，退火温度为60-300，保温30min，将然后在光学显微镜下观察其畴形貌。3) 将试样置于连续温度场下，温度范围为20-180，在偏光显微镜下观察其畴形态的变化并记录，同时测量其压电常数。4) 将试样置于连续电场下，电场变化范围为0kV/cm-10kV/cm，在偏光显微镜下观察其畴形态变化并记录，同时测量其压电常数。5) 将试样置于温度与电场耦合作用场下，温度场与电场变化范围同上，在偏光显微镜下观察其畴形态变化并记录，同时测量其压电常数。2.2.3. 主要测量的数据1) 压电常数d 33。2) 畴形态观察。3. 重点及难点、前期以开展的工作1) 重点及难点：电畴形貌的观察与对比。2) 前期工作主要开展了文献与资料的查阅，制定实验方案，撰写开题报告。4. 完成本课题的计划第1-2周 做前期准备，查阅文献及资料，完成开题报告；第3周 开题答辩；第4-8周 完善设计方案，准备材料，进行实验；第9周 中期答辩；第10-13 周 实验数据分析，性能测试；第14-16 周 整理实验结果并完成毕业论文；第17周 毕业答辩。指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日 所在系审查意见：系主管领导： 年 月 日参考文献1 罗豪,张冰阳,沈关顺等.PMNPT 单晶的电畴结构J. 人工晶体学报,2001,26(3-4):350.2 李飞,张树君,李振荣等.弛豫铁单晶的研究进展-压电效应的起源研究J. 物理学进展,2012,32(4):79-80.3 张锐,项阳,李秀明.弛豫铁单晶铌镁酸铅-钛酸铅的工程畴结构研究J. 大庆师范学院学报,2011,31(3):84-86.4 M. Iwata,K. Katsuraya,R. Aoyag,i et a.l Ish ibash.i Dom ainWallOb servat ion s and th e Phase Transit ion in Pb( Zn1/3Nb2/3) O3- 8% PbTiO3by AFM J . Ferroelectrics, 2007, 347: 57- 61.5 唐斌.弛豫铁单晶的生长及其相结构研究D.西安: 西北工业大学 ,2002.6 张栋杰,程忠阳,张良莹等.弛豫铁电体微畴-宏畴转变稳定性的一种新判据J. 压电于声光,1998,20(6):15-17.7 惠增哲,项卓亮,李晓娟等.电场对100cub 切型PMN-PT单晶电畴组态的影响J.西安工业大学学报,2011,31(2):47-49.8 李松霞,包生祥,王志红等.电畴的显微方法特点研究D.成都: 电子科技大学,2003.9 项阳.铌锌酸铅-钛酸铅铁电单晶机电性能与畴结构关联性研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.10 Luo H. S. , Xu G. S, Xu H. Q. , et a.l C om pos itional hom ogeneity and electrical prop erties of lead m agnes ium niobate titanate s ingle crystalsgrow n by a mod if ied B ridgm an techn ique. Japan ese Jou rnal ofAppl ied Phys icsJ. Part 1- RegularPapers ShortNotes& Review Papers, 2000,39(9B): 81- 85.11 邓金侠,邢献然.铅基弛豫铁电体陶瓷材料PMN-PT制备及研究进展J.稀有金属,2005,29(1):76-81.12 文宝华,刘晓林,张勇等.铁电材料极化反转特性的研究进展J.电子元件与材料,2011,30(6):74-7813 Zeng H. R. , YuH. F. , ChuR, et a.l Doma in orien tation im aging of PMN- PT s ingle crystals by vertical and lateral p iezor
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