MPB附近组分PLZST反铁电单晶的场致诱导相变研究

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准同型相界(Morphotropic Phase Boundary,简称MPB)附近组分(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O3(简称PLZST)反铁电单晶具有反铁电相与铁电相共存的典型特征。由于两相的自由能相近,具有该组分的PLZST反铁电单晶在电场、温场和应力等外界作用下可以发生结构相变,表现出优异的介电、应变和热释电性能,在高灵敏度红外探测器,大位移驱动器和爆电换能器等领域具有重要的应用前景。采用改进的复合助熔剂法,成功生长出C1组分尺寸为5×5×5mm3的高质量PLZST反铁电单晶。[001]c未极化样品中的反铁电相,在首次施加电场强度达到反铁电-诱导铁电相相变临界场(EA-F)以上时,可以诱导转变为三方铁电相结构,并伴有高达0.56%的纵向应变。结构分析发现:MPB附近组分反铁电单晶中的四方反铁电畴与三方铁电畴可以以相互独立和互相嵌入的方式共存,并在外电场作用下发生结构转化。以此为依据,建立了MPB附近组分PLZST反铁电单晶的极化夹持模型。借助软模理论分析了MPB附近组分PLZST反铁电单晶的场致诱导相变机制,指出长程有序力与短程畸变力的相互竞争是导致发生结构相变的原因。基于两相共存理论,建立了通过降低晶体的EA-F来获得大可逆纵向应变的MPB组分设计原则,并成功生长出更靠近MPB区域的C2组分PLZST反铁电单晶,晶体尺寸为5×5×5mm3。研究发现:C2组分单晶的结构中铁电相的比例明显高于C1组分。C2组分[001]c单晶极化后,退极化温度达到120oC,在此温度附近可获得高达0.75%的可逆纵向应变,分析认为:这与反铁电-诱导铁电相变及电畴的翻转有关。同时,在退极化温度以上时,C2组分单晶的选区电子衍射花样中出现非公度调制的现象,表明此时的诱导铁电相回复成反铁电相。系统地研究了不同切型C2组分PLZST反铁电单晶的介电、铁电和热释电性能。利用压电力显微镜与偏光显微镜技术,通过对外场作用下不同切型畴结构极化翻转的探索,发现了不同切型单晶样品的退极化过程和热释电系数之间的变化关系,提出了[111]c样品的热释电峰宽化的微观结构模型,解释了诱导铁电相的稳定机制。
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