铁电单晶Pb（Mg1／3Nb2／3）O3-PbTiO3的高场致应变及其在层叠式驱动器中的应用第53卷第10期2004年10月l"ooo一329012004153(10)13609—05物理ACTAPHYSICASINICAVo1.53,No.10,October,2004⑥2004Chin.Phys.Soc.铁电单晶Pb(Mg1,3Nb2,3)03.PbTiO3的高场致应变及其在层叠式驱动器中的应用*冯祖勇罗豪慰殷之文官春林凌宁t(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201800)(中国科学院光电技术研究所,成都610209)(2003年10月27日收到;2003年12月2日收到修改稿)通过研究(1-x)Pb(Mg.,,Nb2)O,.xPbTiO3(PMNT)单晶在不同方向,不同组分下高场致应变的特性,确定了(001>取向PMNT单晶(29%≤≤31%)为制作层叠式驱动器的最佳组分范围,这组分的单晶具有高场致应变,低滞后而且性能较稳定的特点.研究结果表明,在保证应变曲线的线性和低滞后的前提下,将近一2kV/em的负电场能够运用于(001>方向的PMNT晶体上.4o层(每片晶片尺寸为7mm7mm0.7mm)PMNT层叠式驱动器在电场一1.5--10kV/em的驱动下,可以获得38.1v.m的纵向位移,负载40N的重量后,位移量减为34tma.关键词:PMNT单晶,场致应变,PMNT驱动器PACC:8100,0630M,0670M1.引言(001)取向的弛豫铁电单晶(1-)Pb(MgmNb2,,)03一xPbTiO3(PMNT)和(1-)Pb(Znl,3Nb2,3)O3一xPbTiO3(PZNT),在准同型相界附近(MPB)靠近三方相一侧,近年来已经被发现有比传统Pb(zr,Ti)O(PZT)陶瓷高得多的压电性能n],其压电常数d"和机电耦合系数k从原来最好的PZT的600pC/N和70%左右可以分别提高到了2000pC/N和92%以上,其应变比通常为0.1%左右的压电材料高出一个数量级,最高达到1.7%.正如文献[3]所介绍,这是铁电领域50年来的"一次激动人心的突破".弛豫铁电单晶优异的压电性能,使其在超声换能器和高应变驱动器等方面有非常好的应用前景.近年来研究也表明,它们也具有非常优异的电光性能,因而已成为材料界研究的热点之一.中科院上海硅酸盐研究所于1997年突破了用助熔剂方法生长弛豫铁电单晶的限制,用Bridgman方法直接从高温熔体生长出了高质量,大尺寸的PMNT单晶".在驱动器设计中,材料的高应变值,低非线性滞后是很重要的,它决定了驱动器的性能.然而,直到现在,单晶的应变究竟有多少能够在实际驱动器中得到应用,这仍然是不清楚的.由于PMNT单晶在生长过程中容易分凝,生长出来的晶体组分有一定的波动,因此,确定适用于应变驱动器应用的最优取向和最佳组分范围,是很有必要的.本文较系统地研究了PMNT晶体的场致应变跟其组分和取向的关系,并研究了其在高应变驱动器中的应用结果.2.实验用X射线单晶定向仪对用Bridgman方法生长的PMNT晶体进行定向,加工成不同规格的晶片,然后镀上电极.介电常数一温度谱用HP4192A阻抗分析仪测定,对于赝立方的PMNT晶体,介电常数.温度谱中介电常数最大值所对应的温度(T)约等于其居里温度(T),以此来确定PMNT晶体的组分.样品在120oC硅油中极化15min后,冷却到室温,极化电场为10kV/cm.应变性能的测试采用LVDT应变测试仪,驱动频率为0.1Hz.用Burlincourt型准静态d仪(f=55Hz)测试样品的压电应变常数d值.40片国家自然科学基金(批准号:50272075)和国家高技术研究发展规划项目(批准号:2002AA325130)资助的课题,E-mail=fzy75@sohucoin36l0物理53卷7mm7mm0.7mm的PMNT晶片组成的层叠式驱动器,由中科院光电技术研究所制备.3.结果与讨论3.1.不同取向PMNT晶体的场致应变图1为不同取向的PMNT晶体其应变随电场的变化情况.从图1(a)可以看出,在电场15kV/cm下,<OO1)取向的晶片在MrB(O.30≤≤0.33)c91附近有很大的应变(>0.2%)和低的滞后,这可归于工程化畴的稳定性.对于三方相(111)取向的PMN一29%和PMN一33%PT晶体,如图1(b)所示,(111)是自发极化方向,畴壁的运动和极化后强烈的退极化是小应变和大滞后的起源H.而对于(111)取向四方相PMN-38%PT晶体,当沿(111)方向加电场时,电极化从<OO1)偏转到(111)方向,小的晶格扭曲限制了其应变水平.对于(110)取向的三方(四方)相PMNT晶体,如图1(e)所示,虽然在15kV/cm电场下也可以获得高应变值(>0.2%),但在低于9kV/cm时就产生大的滞后和极化饱和.根据工程化畴结构,(110)取向的晶体容易诱导出单斜或正交相.",相变的发生容易产生高应变和大的滞后值.和<001)取向的PZNT晶体相似j,(110)取向的PMN一29%PT晶体的场致应变曲线也可分为三段(图1(e)所示):在A段,180o和71o畴的重新取向可能导致晶格扭曲,此时没有发生相变;随着电场的增加(从5到7kV/cm),极化从(111)方向偏转产生三方到单斜的相转变,导致大的应变(如B段所示);随着电场的进一步增加(>7kV/cm),极化完全偏转到(110)方向,正交相已被诱导出来,如c段所示.对于准同型相界(110)取向的PMN一33%PT晶体,其属于相,其d∞值约为300pC/N,应变值较低.因此,<OO1)取向的PMNT晶体能为驱动器提供高的应变值和低的滞后,优于其他取向的晶体.3.2.<o01>取向的PMNT晶体其应变和组分的关系在电场为15kV/cm时,<OO1)取向PMNT晶体的应变和滞后值与组分的关系分别如图2(a)和(b)所示.由于准同型相界附近畴态的复杂性",电场易于诱导畴运动和相转变,从而使得晶体具有高的应变量和较大的应变滞后.如图2(a)和(b)所示,在组分为29%≤≤33%,易于获得高应变,低滞后氆誉氆氆<0o1>厂./PMN.3%PTPT/.?.f/J一PMN[29%PTPNN-37%~l(a)电场/(kV/em)<111>PMN.38%PTPMN.33%PT/PNⅡ.29%P,rr一—(b)0369121518电场/(kV/em)<110>PMN.38%PT/,rPMN-29%PTJfiStepCPMN:33%PT,(c)电场/(kV/em)图1不同取向PNNT单晶的场致应变(a)(01)1),(b)(111)和(c)(11o)值.很长一段时间,三方和四方相共存的准同型相界认为是在28%≤≤36%,然而,近年来通过中子和X射线衍射实验,在组分为27%≤≤35%没有极化过的PMNT陶瓷中,发现了单斜甚至相.Guo等人从极化后PMNT单晶的介电和压电性质中,推断出MPB的组分范围(30%<<35%)和不可逆的三方一单斜一单斜一四方的相转变.因此在组分为29%<<35%的晶体里可能存在或者容易被电场诱导,它可能是单晶具有高压电性能的原因.如图2(a)和(b)所示,当>33%10期冯祖勇等:铁电单晶Pb(Mg,,Nb2,,)0,.PbTiO,的高场致应变及其在层叠式驱动器中的应用3611时,根据唯象理论7,由于三方(单斜)和四方相自由能相差较小,四方相易于被诱导,此时应变和滞后都大幅度地增加;当>35%时,晶体中四方相的出现导致小的应变值.螽甾摄图2(a)和(b)分别是(001)取向PMNT晶体的应变和滞后值与组分的关系,(c)是PMNT晶体的介电常数和温度的关系图2(c)是<oo1)取向PMNT晶体的介电常数和温度的关系.从图中可以看出,晶体的组分从=27%增大到33%,三方(单斜)到四方的相变温度(小峰)[9,113却从99℃降到54℃,四方相的出现会大幅度地降低晶体的应变性能.根据驱动器操作温度的需要,同时考虑驱动器需要应变量大和滞后小的晶片,我们可以选择组分为29%≤≤31%的晶体作为制作驱动器的材料.图3是在相同的电场下PMN一30%PT单晶和螽甾电场/(kV/cm)图3(001)取向的PMN.3o%Pr晶体和PZT-SF陶瓷的场致应变PZF-SF陶瓷的应变特征.从图中可以看出,两者都呈现低滞后的线性行为.在相同电场10kV/cm下,PMNT单晶的应变量(0.19%)是陶瓷PZT—sF的(0.036%)5倍多.3.3.PMNT单晶在双向电场下的应变行为对于层叠式位移驱动器,都希望能够最大限度地利用负电场(跟极化电场方向相反)来增加总应变量.然而对于PMNT晶体,如图4(a)所示,在等量的双向电场下由于铁电畴的反转,其应变曲线为蝴蝶螽甾螽甾\PMN.30%PT/\/1,rl\../f\//(a)电场/(kV/cm),图4加负电场(001)取向PMN.30%PT晶体的场致应变36l2物理53卷形状,这种非线性行为对于PMNT晶体驱动器的应用是很不利的,因此研究究竟有多大的负电场能够运用到驱动器中是很有必要的.图4(b)表明在电场加到将近一2kV/cm时应变曲线的形状仍然没有改变,这有利于拓宽PMNT晶体驱动器的电场使用范围,提高其应变驱动能力.当负电场继续增大时,大的滞后,非线性曲线被诱导出来.求得每片PMNT单晶的压电系数d为1200pC/N,用准静态仪实测其平均值为1296pC/N,两者基本一致.预计随着驱动器制作工艺的改进(比如防止制作过程中晶片的退极化),PMNT晶片的d值的进一步提高,位移量还可有一定幅度的增大.在40N的负载重量下,驱动器的位移量减至34m(图5(b)),能够满足多种驱动器的应用要求.3.4.PMNT层叠式驱动器的高场致应变.4.结论图5是4o层PMNT单晶驱动器的位移与所加电场的关系图.在一1.5到lOkV/cm的电场驱动下,gi一静电场/(kVjera)图54Jo层PlaINT单晶驱动器其位移跟电场的关系(a)空负载.(b)负载40N的重量PMNT驱动器能够取得38.1m的位移(图5(a)),而且基本保持线性和较小的滞后.从应变曲线斜率可(1-)Pb(Mg.Nb,)0,一xPbTiO单晶作为制作应变驱动器的新型材料,对其不同取向,不同组分场致应变性能进行了一系列的的测试.结果表明,<0oI>取向PMNT晶体的应变性能明显高于其他取向的晶体,鉴于应变和滞后大小以及相变温度的综合考虑,确定其最佳组分范围为29%≤≤31%.在相同的电场下,PMNT单晶的应变性能是PZT—SF陶瓷的五倍多.在保证应变曲线的线性和低滞后(<5%)的前提下,将近一2kV/cm的负电场能够运用于(O01)方向的PMNT单晶上,这有利于拓宽PMNT晶体驱动器的电压使用范围,提高其应变驱动能力.40层(每片晶片尺寸为7mmX7mmX0.7mm)PMNT层叠式驱动器在电场一1.5～lOkV/cm的驱动下,可以获得38.1m的纵向位移.负载40N的重量后,位移量减为34t~m,能够满足多种驱动器的应用要求.[1]ParkSEandShroutTR1997IEEETrans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control441140[2]ParkSEandShroutTR1997J.Appf.Phys.82804[3]ServiceRF1997Science2751878[4]HaradaK,ShimanukiS.KobayashiT,SaitohS.YarnsshitaY1999KeyEng.Mater.157/15895[5]BaradY.LuY.ChengZY,ParkSEandZhangQM2000app1.Phys.Lett.771247【6jWanXM,HeTH,LinD,XuHQandLuoHS2003ActaPhys.Sin.522319(inChinese)[万新明,贺天厚,林迪,徐海清,罗豪娃2003物理522319]【7jYinZw.LuoHS.WangPCandXuGS1999Ferroe/ectr/cs229207[8]LuoHS.XuGS.WangPC.XuHQandYinzw2OOO枷.J.却pf.Phys.395581【9]GuoY,LuoH,LingD,XuH,HeTandYinz2003J.Phys:Condens.Matter.15L77[10]GuoY.LuoH.HeT.XuHandYinZ2002扫n.J.4ppf.Phys.431451[11]GuoY,LuoH.ChertKXuHandYinZ2002J.app/.Phys.926l34【l2]YezG,NohedaB.DongM.CoxDandShiraneG2001Phys.Rev.B64l84ll4[13]uZQetal2002ActaPhys.Sin.511581(inChinese)[刘智强等2002物理511581][14]ShroutTR.ChangZP,KimNandMarkgrafS1990Ferroelectr.Lett.Sect.1263[15]NohedaB.CoxDE.ShiraneG,YeZGandGao2002J.Phys.舶F.B66054lo4[16]SinghAKandPandeyD2003Phys.Rev.B67063102[17]~anderbiltDandCohenIVlH2001Phys.Rev.B63094108l0期冯祖勇等:铁电单晶Pb(Mg.,,Nb2,3)03-PbTiO3的高场致应变及其在层叠式驱动器中的应用3613Highelectric-field-inducedstrainofPb(Mgl,3Nb2l,3)03-PbTiO3crystalsandtheirapplicationinmultilayeractuators*FengZu—Yong)tLuoHao.Su)YinZhi.Wen)GuangChun.Lin2)LingNing2)(ShimghaiInstituteofCeramics,ChineseAcademyof鼬,s^善201800,China)(Instituteof&Electronics,ChineseAcademyofSc/ences,Chengdu610209,China)(Received27October2003;revisedmanuscriptreceived2December2003)AbstractAnoptimumcompositionrange(29%<<31%)of(001)oriented(1-x)Pb(Mg1,3Nb2,3)03-xPbTiO3(PMNT)crystalswasascertainedformultilayeractuatorapplications,whichexhibitedhigh-strainandlow—hysteresisbehavior.Anearby一2kV/cmnegativeE-fieldcanbeappliedtoPMNTferroeleetriesampleswithlowhysteresis.Foxy—layerPMNTstrainactuatorswithindividualelementsizesof7mmX7mmX0.7mmwerefabricatedfromtheiroptimumcompositions,withdisplacementsof38.1ttmatE-fieldsfrom一1.5to10kV/cm.Whena4kgloadwasaddedtothePMNTmultiplayeractuators,thedisplacementsweredecreasedto34ttm.Keywords:PMNTcrystals,electric—field-inducedstrain,PMNTmuhilayeractuatorsPACC:8100,0630M,0670MProjectsupportedbytheNationalNaturalScienceFoundati0nofChina(GrantN..50272075)andNational碰gllTechnologyvel.pmentPro鲫l0fChina(GrantNo.2002AA325130).E-mail:5@sohu.c0m。