極化方式對弛豫鐵電單晶光學和電學性能的影響

張斌斌，許 崗，王領航，黃苗苗，尹 煜

(1.西安工業大學 材料與化工學院,西安 710021;2.西安交通大學 電子科學與工程學院,西安 710049)

鉛基弛豫鐵電單晶,如鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)和鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PIN-PMN-PT)等,因其極高的壓電系數和機電耦合系數、以及優異的電光性能,受到研究者的高度關注[1-4]。特別是其優異的壓電性能廣泛應用于醫療超聲診斷、水聲換能器、精密驅動等領域[5-7]。經過20多年的研究,該晶體在生長工藝上取得了長足發展,獲得了直徑最大為5英寸的定向生長單晶[8-12]。

雖然弛豫鐵電單晶材料具有很高的壓電系數,但其自發極化方向的差異導致晶體內部存在著大量疇壁。部分疇壁對入射光的嚴重散射,導致其在可見光波段不透明,使得難以將其優異的壓電性能同可見光耦合,限制了光-聲-電耦合功能器件的發展。對于以上問題,通常采用以下兩種方式解決這個問題。一是將晶體沿自發極化方向極化,以達到單疇的狀態[13-14];二是通過摻雜破壞鐵電晶體中偶極子的長程有序,使極性區域的尺寸降低至幾到幾十納米,遠低于可見光波長[15-16]。然而,這兩種方法都會在很大程度上犧牲弛豫鐵電晶體的壓電性能,難以兼顧高壓電性和高透光率[17]。近年來,通過交流極化調控鐵電疇結構為解決這個問題提供了新的思路。文獻[18]等人通過相場模擬計算,揭示了交流極化提升壓電性能與介電性能的微觀機理。文獻[19]等人研究了交流極化對提高單晶的壓電和介電性能的作用機理。……